Elektrische orgels helpen elektrische vissen, zoals de elektrische paling, om allerlei verbazingwekkende dingen te doen:ze verzenden en ontvangen signalen die verwant zijn aan vogelgezang, waardoor ze andere elektrische vissen kunnen herkennen op soort, geslacht en zelfs individueel. Een nieuwe studie in Science Advances legt uit hoe kleine genetische veranderingen elektrische vissen in staat stelden om elektrische organen te ontwikkelen. De bevinding kan wetenschappers ook helpen bij het opsporen van de genetische mutaties achter sommige menselijke ziekten.

Evolutie maakte gebruik van een eigenaardigheid van visgenetica om elektrische organen te ontwikkelen. Alle vissen hebben dubbele versies van hetzelfde gen dat kleine spiermotoren produceert, natriumkanalen genaamd. Om elektrische organen te ontwikkelen, hebben elektrische vissen één duplicaat van het natriumkanaalgen in spieren uitgeschakeld en in andere cellen ingeschakeld. De kleine motortjes die spieren normaal gesproken samentrekken, werden hergebruikt om elektrische signalen te genereren, en voila! Een nieuw orgel met verbazingwekkende mogelijkheden was geboren.

"Dit is opwindend omdat we kunnen zien hoe een kleine verandering in het gen volledig kan veranderen waar het tot expressie wordt gebracht", zegt Harold Zakon, hoogleraar neurowetenschappen en integratieve biologie aan de Universiteit van Texas in Austin en corresponderende auteur van het onderzoek.

In het nieuwe artikel beschrijven onderzoekers van UT Austin en Michigan State University dat ze een kort gedeelte van dit natriumkanaalgen ontdekten - ongeveer 20 letters lang - dat bepaalt of het gen in een bepaalde cel tot expressie wordt gebracht. Ze bevestigden dat bij elektrische vissen dit controlegebied is gewijzigd of volledig ontbreekt. En daarom is een van de twee natriumkanaalgenen uitgeschakeld in de spieren van elektrische vissen. Maar de implicaties gaan veel verder dan de evolutie van elektrische vissen.

"Dit controlegebied bevindt zich in de meeste gewervelde dieren, inclusief mensen," zei Zakon. "Dus de volgende stap in termen van menselijke gezondheid zou zijn om deze regio te onderzoeken in databases van menselijke genen om te zien hoeveel variatie er is bij normale mensen en of sommige deleties of mutaties in deze regio kunnen leiden tot een verminderde expressie van natriumkanalen , wat kan leiden tot ziekte."

De eerste auteur van de studie is Sarah LaPotin, een onderzoekstechnicus in het laboratorium van Zakon ten tijde van het onderzoek en momenteel een promovendus aan de Universiteit van Utah. Naast Zakon zijn de andere senior auteurs van het onderzoek Johann Eberhart, hoogleraar moleculaire biowetenschappen aan de UT Austin, en Jason Gallant, universitair hoofddocent integratieve biologie aan de Michigan State University.

Zakon zei dat het natriumkanaalgen in spieren moest worden uitgeschakeld voordat een elektrisch orgaan kon evolueren.

"Als ze het gen in zowel de spieren als het elektrische orgaan zouden aanzetten, dan zouden alle nieuwe dingen die met de natriumkanalen in het elektrische orgaan gebeuren ook in de spier voorkomen", zei Zakon. "Het was dus belangrijk om de expressie van het gen te isoleren naar het elektrische orgaan, waar het kon evolueren zonder de spieren te beschadigen."

Er zijn twee groepen elektrische vissen in de wereld:de ene in Afrika en de andere in Zuid-Amerika. De onderzoekers ontdekten dat de elektrische vissen in Afrika mutaties hadden in de controleregio, terwijl elektrische vissen in Zuid-Amerika deze volledig verloren. Beide groepen kwamen tot dezelfde oplossing voor het ontwikkelen van een elektrisch orgaan, waarbij de expressie van een natriumkanaalgen in spieren verloren ging, zij het via twee verschillende paden.

"Als je de tape van het leven zou terugspoelen en op play zou drukken, zou het dan op dezelfde manier worden afgespeeld of zou het nieuwe manieren vinden om vooruit te gaan? Zou evolutie steeds weer op dezelfde manier werken?" zei Gallant, die de elektrische vissen uit Zuid-Amerika kweekt die in een deel van het onderzoek werden gebruikt. "Elektrische vissen laten ons proberen die vraag te beantwoorden, omdat ze deze ongelooflijke eigenschappen herhaaldelijk hebben ontwikkeld. We zwaaiden naar de hekken in dit artikel en probeerden te begrijpen hoe deze natriumkanaalgenen herhaaldelijk verloren zijn gegaan in elektrische vissen. Het was echt een gezamenlijke inspanning ."

Een van de volgende vragen die de onderzoekers hopen te beantwoorden, is hoe het controlegebied evolueerde om natriumkanalen in het elektrische orgaan in te schakelen.