Silny filtr przeciwsłoneczny, który chroni wczesne etapy rozwoju ryb

Ponieważ aktywność na świeżym powietrzu staje się coraz bardziej popularna wraz ze zmieniającymi się porami roku, ludzie chcą chronić się przed poparzeniem słonecznym i czerniakiem, głównie za pomocą komercyjnych filtrów przeciwsłonecznych.

Jednak ludzie nie są jedynym gatunkiem, który musi martwić się uszkodzeniami wynikającymi z ekspozycji na promienie ultrafioletowe słońca. Wiele stworzeń używa filtrów przeciwsłonecznych, a nie białych balsamów, które są znane ludziom. Filtry przeciwsłoneczne są zakodowane w ich DNA.

Przez lata laboratorium biologiczne stanu Utah, James Gagnon, badał gadosol, związek chemiczny występujący w rybach, co doprowadziło do powstania nowego artykułu opisującego, w jaki sposób samice wydalają ten związek na swoje jaja. Cząsteczkę gadosolu odkryto w rybach ponad 40 lat temu i początkowo sądzono, że pochodzi ona ze źródeł żywności. Od tego czasu wykazano, że gadosol wynika ze szlaków metabolicznych ryb. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Bieżąca biologia.

Z pomocą kolegów z Wydziału Nauk Biologicznych i Wydziału Genetyki Człowieka doktorantka Marilyn Rice jest głównym autorem. Gagnon, adiunkt biologii, jest wymieniony jako główny autor.

Rice dorastał na farmie godzinę drogi na południe od Salt Lake City i uzyskał dyplom z biologii molekularnej na Utah State University. „Interesującą rzeczą w biologii jest dla mnie fakt, że tak jest [living] Rzeczy są dynamiczne i wchodzą w interakcje [with] „Ich środowisko”, powiedział Rice, „lubię myśleć o zwierzętach w kategoriach ekologii”.

Aspiruje do wypełnienia luki między dziedziną środowiskową i molekularną. Trwająca całe życie pasja Rice’a do zwierząt i jego doświadczenie przemysłowe zainspirowały go do wykorzystania narzędzi laboratoryjnych do badania czynników środowiskowych, poczynając od światła słonecznego, które podtrzymuje wszelkie życie, ale także stanowi zagrożenie.

ekspozycja na promieniowanie UV

Prawie całe życie na Ziemi zależy od słońca, niezależnie od tego, czy wykorzystuje ono swoją energię do produkcji żywności, czy konsumuje inne organizmy. Ale ekspozycja na promieniowanie UVR ma swoją cenę. Długości fal UV są szczególnie niebezpieczne, ponieważ powodują uszkodzenia na poziomie molekularnym i prowadzą do mutacji w DNA. Nadmierny poziom ekspozycji na promieniowanie UV może zabić komórki, proces znany jako apoptoza, prowadzący do tego, co znamy jako oparzenie słoneczne. Nawet w wodzie organizmy nie są bezpieczne, ponieważ szkodliwe biologicznie poziomy promieni UV mogą przenikać na głębokość większą niż 10 metrów.

Ochrona leży w filtrach przeciwsłonecznych, które pochłaniają fotony UV, zanim wnikną do wrażliwych komórek i rozpraszają tę pochłoniętą energię jako mniej szkodliwe ciepło, zgodnie z artykułem Rice i Gagnon. Działają jak fizyczne tarcze nad cennym materiałem genetycznym w komórkach, zapobiegając uszkodzeniom i mutacjom.

Organizmy w wielu siedliskach wyewoluowały adaptacje, w tym nocny tryb życia i mechanizmy naprawy DNA, aby uniknąć i naprawić uszkodzenia związane z ekspozycją na promieniowanie UV. Ale niektórzy rozwinęli umiejętność tworzenia własnych chemicznych filtrów przeciwsłonecznych.

„Ponieważ nasłonecznione siedliska mogą mieć znaczną przewagę odżywczą nad ciemnymi środowiskami i ponieważ żadna ścieżka naprawy nie jest całkowicie skuteczna, wiele organizmów stosuje filtry przeciwsłoneczne, aby przede wszystkim uniknąć uszkodzeń spowodowanych promieniowaniem UV” – czytamy w artykule.

zmutowany danio pręgowany

Początkowo Rice uważał melaninę za główny filtr przeciwsłoneczny w organizmach wodnych. Melanina jest wytwarzana w melanoforach, które migrują, aby pokryć części mózgu i ciała w miarę dojrzewania zarodków ryb.

Aby przetestować tę hipotezę, Rice zmienił genotyp danio pręgowanego, aby wyeliminować gen odpowiedzialny za produkcję melaniny. Stwierdzono, że zarodki danio pręgowanego umierały z powodu ekspozycji na promieniowanie UV w tym samym tempie, niezależnie od tego, czy ich genotyp został zmieniony, czy nie. Musi być coś jeszcze chroniącego embriony.

Dzięki edycji genów CRISPR-Cas9 laboratorium Gagnona stworzyło zmutowanego danio pręgowanego z niedoborem gadozolu, aby sprawdzić, czy gadosol zapewnia ochronę przed promieniowaniem UV. Danio pręgowany został wybrany do tych eksperymentów, ponieważ żyje w nasłonecznionych wodach, wytwarza gadozole i jest podatny na manipulacje genetyczne.

Ustalił, że gadosol jest dostarczany zarodkom danio pręgowanego przez matkę, jest najskuteczniejszym filtrem przeciwsłonecznym w porównaniu z innymi metodami ochrony i jest ewolucyjnie tracony u gatunków ryb, gdy ich zarodki nie są wystawione na światło słoneczne.

Przezroczystość jako kamuflaż

Aby zademonstrować znaczenie gadozolu dla przetrwania larw ryb, Rice podał precyzyjne dawki promieniowania UV zarówno zmutowanym, jak i niezmodyfikowanym zarodkom danio pręgowanego i zmierzył wpływ na przerost pęcherza. Po ekspozycji na tę samą dawkę wszystkie zmutowane ryby z niedoborem gadosolu nie były w stanie nadmuchać swoich pęcherzy pławnych, co sugeruje, że ekspozycja na światło UV spowodowała znaczne wady rozwojowe.

Firma kosmetyczna z siedzibą w Bostonie chce teraz produkować gadosol do tworzenia filtrów przeciwsłonecznych, które będą bezpieczniejsze zarówno dla ludzi, jak i środowiska morskiego. W przypadku ryb gadosol ma przewagę nad innymi filtrami przeciwsłonecznymi ze względu na swoje właściwości maskujące. „Przejrzystość jako kamuflaż jest powszechną cechą zwierząt wodnych, zwłaszcza na otwartym oceanie, gdzie nie ma się za czym ukryć” – czytamy w badaniu.

Główną wadą melaniny jest to, że pochłania większość długości fal w widmie światła widzialnego, a także w widmie UV, dzięki czemu może zostać wykryta przez drapieżniki. Tymczasem światło słoneczne to tylko jedno z wielu wyzwań, jakie ekosystemy wodne stawiają swoim mieszkańcom.

„Środowisko, w którym ewoluowały, pełne światła słonecznego, wirusów, drapieżników, zmian temperatury i wszystkich tych szalonych rzeczy, które nie zdarzają się w naszych obiektach rybnych” – powiedział Gagnon – „więc jeśli możesz wnieść trochę tego do naszym laboratorium, możemy teraz zastosować to, co fajne, do większej liczby pytań”.

Te czynniki środowiskowe będą kierować badaniami laboratoryjnymi nad danio pręgowanym. Rice jest również ciekawa ewolucyjnej historii samego gadosolu.

„Naprawdę chciałbym napisać na drzewie życia, jak powszechny jest gadosol” – powiedział Rice. „W pewnym momencie kręgowce lądowe przestały używać gadosolu. Myślę, że byłoby naprawdę interesujące pomyśleć o tym w kategoriach ewolucyjnych. W którym momencie udało im się uciec?”

Odpowiedzi na te tajemnice leżą właśnie w naszym DNA.

Rice powiedział: „Naprawdę podoba mi się pomysł DNA. Myślę, że to naprawdę piękna rzecz, fakt, że jest to nieprzerwany łańcuch replikacji DNA i teraz żyje w tobie”.