Исследователи изучают черепно-лицевые особенности безглазой пещерной рыбы Astyanax mexicanus, которая миллионы лет обитала в черных как смоль пещерах в регионе Сьерра-де-Эль-Абра в Мексике. Они сравнивают эти особенности с близкородственными зрячими рыбами, живущими на поверхности, которые водятся в Мексике, Техасе и Нью-Мексико.
У этих пещерных рыб нет глаз, но они очень чувствительны к звукам и вибрации. Несмотря на то, что они безглазые, у них есть несколько схожих костных особенностей в области глаз по сравнению с их зрячими, живущими на поверхности собратьями.
Эти сходства позволили исследователям напрямую сравнить черты обитающей на поверхности рыбы и пещерной рыбы. Однако пещерные рыбы выглядят совершенно иначе, поскольку они альбиносы и почти полупрозрачные, по сравнению с более темными пигментированными рыбами, обитающими на поверхности.
Исследователи изучают геномы каждой отдельной рыбы из гибридной родословной, хранящейся в их лаборатории, в поисках генов, которые могут привести к изменениям размера глаз или пигментации. У пещерных рыб они обнаружили генетические маркеры на двух отдельных хромосомах, которые связаны с обширной фрагментацией кости на правой стороне черепа. Хотя фрагментация кости также происходит на левой стороне черепа, при подсчете баллов на левой стороне черепа не было обнаружено генетических ассоциаций. Наблюдаемые рыбы, обитающие на поверхности, никогда не демонстрировали ни одного из этих черепно-лицевых аномалий.
«Понимая, как гены ведут себя по-разному на правой и левой сторонах, мы надеемся выяснить, почему многие черепно-лицевые изменения более серьезны или присутствуют только на одной стороне лица у людей», — говорит Гросс.
В настоящее время исследователи сужаются к точным генам, связанным с этими черепными аномалиями, с указанием того, что два гена, которые ранее были связаны с волчьей пастью у людей, морфогенетический белок номер четыре (BMP4) и член семейства бета-трансформирующего фактора роста 3 (TGFB3) , может также быть вовлечен в естественные формы асимметрии кости.
Предыдущие исследования показали, что ген, вызывающий рыжие волосы и бледность кожи у людей, был тем же геном, который заставлял пещерных рыб-альбиносов иметь меньшую пигментацию, чем виды, обитающие на поверхности.
Финансирование исследования было поддержано федеральным грантом Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований Национального института здоровья.
Формирование семейной родословной
Исследователи скрестили пещерных рыб с рыбами, живущими на поверхности, а затем скрестили гибридное потомство. Некоторые члены этой семейной родословной напоминали качествами альбиносов пещерных рыб, но обладали прекрасно развитым глазом.
Другие демонстрировали темную пигментацию родителя, живущего на поверхности, но имели очень маленький глаз.
«Мы можем добиться прогресса в понимании генетического происхождения нескольких аналогичных заболеваний человека, расширив репертуар модельных систем, представленных лабораторными мышами, рыбками данио и так далее», — объясняет Гросс. "В этих мощных модельных системах было разработано множество методов и технологий, однако они чрезвычайно инбредны. В результате система инбредных моделей не позволит нам понять, как и почему черепно-лицевые аномалии развиваются в природе. Мы можем использовать слепых пещерных рыб пахонов, чтобы задать нерешенные вопросы, например, как и почему у людей возникают асимметричные черепно-лицевые пороки развития."
«Дополнительные исследования с использованием все большего числа появляющихся моделей пещерного обитания открывают захватывающие перспективы прояснения давних проблем современной эволюционной биологии и биологии позвоночных», — говорит Гросс.
О видео: высокотехнологичные изображения, используемые для поддержки исследований
Исследователи Калифорнийского университета используют передовые технологии для создания трехмерных реконструкций гибридов рыб, обитающих на поверхности и в пещерах, Astyanax mexicanus, с высоким разрешением. Исследователи обратились в Ресурсный центр визуализации в Медицинском центре детской больницы Цинциннати, чтобы применить метод визуализации, называемый микрокомпьютерной томографией, или микро-КТ, на более чем 200 родственных рыбах.
Эта технология позволила исследователям получить более 1000 рентгеновских изображений каждой рыбы, которые они объединили и визуализировали в трехмерный череп с высоким разрешением с помощью программного обеспечения Amira.
Докторант и исследователь Аманда Круцлер говорит, что интерактивная программа позволяет исследователям вращать череп рыбы в трехмерном пространстве и проводить точные измерения для любых интересующих характеристик.
Кроме того, микро-КТ позволяет исследователям визуализировать мягкие ткани, такие как мозг или сердечно-сосудистую систему. «Эти сканы создадут огромное количество данных для нашей лаборатории, которая будет предоставлять проекты для студентов и аспирантов, таких как я», — говорит Крутцлер. Грант Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований предоставил финансирование для разработки программного обеспечения.
Кроме того, докторант Брайан Карлсон использовал программное обеспечение Circos для визуализации связей между геномом пещерной рыбы и геномом рыбки данио. "Чем больше маркеров разделяет данная группа сцепления пещерной рыбы и хромосома рыбки данио, тем толще лента, которая их соединяет.
Эти представления помогают выявить сходство между геномами пещерных рыб и рыбок данио и в конечном итоге могут помочь в идентификации генетических локусов, лежащих в основе исследуемых нами признаков, указав, какие части генома рыбок данио могут содержать гены, влияющие на эти признаки », — говорит Карлсон.