Een internationaal team van biologen heeft het complete erfelijk materiaal - de genomen - van 24 Antarctische vissoorten gesequenced, om te onderzoeken hoe ze de extreme kou overleven. Dit werk maakt het mogelijk om te bestuderen hoe deze organismen overleven in de zuidelijke oceaan onder het vriespunt, en werpt licht op de evolutionaire geschiedenis van een iconische visgroep.
Antivrieseiwitten
Onder het zee-ijs van Antarctica, dat grotendeels geïsoleerd is van de rest van de zeewereld door een cirkelvormige stroming rond het continent, leeft een groep zeer bijzondere vissoorten in het ijskoude water. De zogenaamde notothenioïden zijn in veel opzichten opmerkelijk. Ze hebben bijvoorbeeld antivrieseiwitten ontwikkeld waarmee ze de watertemperaturen kunnen overleven, die kunnen oplopen tot -2°C: een behoorlijk vijandige omgeving voor de meeste soorten. Een subgroep van de notothenioïden, de "ijsvissen" hebben hun zuurstofbindende hemoglobine-eiwitten verloren en dat maakt hen de enige gewervelde dieren die geen rood bloed hebben.
"Overleven in zo'n barre omgeving vereist aanvullende compensaties van het organisme", legt Dr. Iliana Bista uit, "en deze vissen hebben speciale eiwitten ontwikkeld die als antivries werken om te voorkomen dat ze bevriezen". Dr. Bista, is een geneticus die samenwerkt met Naturalis Biodiversity Center in Nederland en het Wellcome Sanger Institute in het VK, en hoofdauteur van het artikel dat onlangs is gepubliceerd in Nature Communications, dat de genoom-evolutie van de notothenioïde vis helpt verklaren.
Afsplitsen
Het internationale team van onderzoekers uit het VK, Nederland, Noorwegen, Zwitserland en de VS heeft de genomen van 24 soorten van deze vissen gesequenced. Met behulp van deze nieuwe gegevens verkennen ze de evolutionaire geschiedenis van de notothenioïden en de mechanismen die de aanpassing aan extreme kou ondersteunen. Ze laten zien dat de koudebestendige notothenioïden zich ongeveer 10,7 miljoen jaar geleden afsplitsten van andere soorten, wat recenter is dan eerder werd gedacht, en veel nieuwe soorten begonnen zich ongeveer 5 miljoen jaar geleden snel te ontwikkelen.
Verschillende genoomkenmerken hebben bijgedragen aan het voortbestaan en de vestiging van deze groep. Ze ontdekten dat de grootte van het genoom is verdubbeld bij de soorten die gespecialiseerd zijn in extreme kou, zoals de familie van de Channichthyidae of "ijsvissen". Deze uitbreiding van de genoomomvang was het gevolg van een grote toename van het aantal genomische elementen, bekend als transposons, die zichzelf kunnen kopiëren naar nieuwe posities binnen het genoom en mogelijk nieuwe functies kunnen introduceren.
Witbloed
Tegelijkertijd zijn functies die normaal als essentieel worden beschouwd om te overleven, zoals de aanmaak van hemoglobine, verloren gegaan in de "ijsvis". "Deze vissen zijn de enige gewervelde dieren waarvan bekend is dat ze hun hemoglobine volledig hebben verloren en hun bloed ziet er wit uit. Dit is opmerkelijk omdat hemoglobines nodig zijn om zuurstof door het lichaam te transporteren; hun verlies in ijsvissen is alleen mogelijk omdat zuurstof beter oplost in water bij zeer lage temperaturen, en door extra aanpassingen in hun fysiologie en genoom aanpassingen”, legt Dr. Bista uit.
Senior auteur Richard Durbin van het Wellcome Sanger Institute in Cambridge legt uit waarom dit soort onderzoek belangrijk is: “Notothenioïde vissen leven op het randje van levensvatbaarheid. Het sequentiëren van een brede verzameling van hun genomen geeft inzicht in hoe ze zijn geëvolueerd om daar te overleven, en ondersteunt ons begrip van een cruciaal ecosysteem. Deze studie is een goed voorbeeld van hoe de vooruitgang in genomics een revolutie teweegbrengt in ons vermogen om de biodiversiteit over de hele wereld te begrijpen.”
Meerinformatie
Het artikel genaamd 'Genomics of cold adaptations in the Antarctic notothenioid fish radiation' is deze week gepubliceerd in Nature Communications.
Deze studie vormt een uitgebreide nieuwe bron en alle gegenereerde gegevens zijn vrij toegankelijk, wat toekomstige studies door de bredere gemeenschap zal ondersteunen.
De bovenstaande afbeelding en andere ondersteunende afbeeldingen zijn hier te vinden.
Het Wellcome Sanger Instituut
Het Wellcome Sanger Institute is een wereldwijd toonaangevend onderzoekscentrum op het gebied van genomics. We doen grootschalig onderzoek dat de basis vormt van kennis in de biologie en de geneeskunde. We zijn open en samenwerkend; onze gegevens, resultaten, tools en technologieën worden over de hele wereld gedeeld om de wetenschap vooruit te helpen. Onze ambitie is enorm – we nemen projecten aan die nergens anders mogelijk zijn. We gebruiken de kracht van genoomsequencing om de informatie in DNA te begrijpen en te benutten. Gefinancierd door Wellcome, hebben we de vrijheid en ondersteuning om de grenzen van genomics te verleggen. Onze bevindingen worden gebruikt om de gezondheid te verbeteren en het leven op aarde te begrijpen. Lees meer op www.sanger.ac.uk.
Over Wellcome
Wellcome ondersteunt de wetenschap bij het oplossen van de urgente gezondheidsuitdagingen waarmee iedereen wordt geconfronteerd. We ondersteunen ontdekkend onderzoek naar leven, gezondheid en welzijn, en we gaan drie wereldwijde gezondheidsuitdagingen aan: geestelijke gezondheid, opwarming van de aarde en infectieziekten. https://wellcome.org/