Blass, geschrumpft und blind, lebt der somalische Meerrettich ein ruhiges Leben in den Gewässern der Welt mit dem geringsten Hunger. Mit ihrer grauenhaften Blässe und den Augen, über die man nicht sprechen kann, scheinen diese pastösen Fische nicht viel mit Säugetieren zu tun zu haben, aber der bescheidene Meerrettich hat weit mehr zu bieten, als das Auge vermuten lässt.
Wissenschaftler berichteten gestern in der Zeitschrift Current Biology, dass Cavefish ein dringend benötigtes Licht auf ein mysteriöses Kapitel der Säugetierentwicklung werfen könnte: den Verlust der solarbetriebenen DNA-Reparatur. Die meisten Organismen haben Mechanismen, um ihre eigenen DNA-Moleküle zu reparieren, die durch Sonnenlicht aktiviert werden. Aber Säugetiere haben das Merkmal irgendwo auf dem Weg verloren - und der somalische Meerrettich auch.
DNA ist als Gebrauchsanweisung für das Leben ein kostbares Gut. Eine anhaltende Schädigung dieses lebenswichtigen Codes trägt sowohl zum Altern als auch zu einer erhöhten Anfälligkeit für Krebs bei. Unglücklicherweise kann der Prozess des Kopierens und Lesens von DNA mit Fehlern behaftet sein, und die Umgebung ist mit Gefahren behaftet, die von schädlichen Chemikalien bis zu ultravioletten Strahlen reichen, die die genetischen Sequenzen verändern können.
Dank einer Reihe von zellulären Maschinen, die in der Lage sind, kompromittierte DNA zu reparieren, werden die meisten dieser genetischen Pannen ohne Konsequenzen behoben. Zu diesen entscheidenden Reparaturmöglichkeiten gehört das Photoreaktivierungssystem, das ein solarbetriebenes Enzym namens Photolyase verwendet, um Fehler in der DNA zu beheben, die durch die Exposition gegenüber UV-Strahlung verursacht werden. Dieser clevere Abwehrmechanismus führt dazu, dass dieselbe Gefahr, die die DNA schädigt - Sonnenlicht -, auch ein Reparatursystem für den genetischen Code auslöst.
Säugetiere und Cavefish sind ziemlich unterschiedlich, aber beide haben sich an das Leben im Dunkeln gewöhnt. Viele nachtaktive Säugetiere, wie diese Katze, haben eine Gewebeschicht im Auge, die ihre Nachtsicht verbessert und ihre Augen "glänzend" erscheinen lässt. (Thomas Euler / Flickr) Während die Photoreaktivierung über den gesamten Lebensbaum verbreitet ist, fehlt sie bei Säugetieren vollständig. Und wir dachten lange, wir wären allein. Die Wissenschaftler entdeckten jedoch eine Handvoll Pilz- und Nematodenarten (und einige ausgewählte Populationen von in Höhlen gebundenen Krebstieren), die ebenfalls ihre solarbetriebenen DNA-Reparaturfähigkeiten verloren hatten. Der neueste Vertreter der Gruppe der Dunkelbewohner, der somalische Meerrettich, könnte der erste Wirbeltier sein, der einen ähnlichen Evolutionsschritt durchlaufen hat.
„[Photoreaktivierung] ist ein System, das so konserviert ist, von Bakterien bis hin zu Pflanzen und vielen Tieren“, sagt Nicholas Foulkes, Biologe am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland. "Wenn Sie den Verlust der Funktion sehen, ist es tiefgreifend."
Wie könnte ein Cavefish einem Säugetier ähneln? Die Antwort hält uns buchstäblich im Dunkeln. Laut dem Evolutionsbiologen Roi Maor vom University College London lebten unsere Vorfahren von Säugetieren in einem sehr nächtlichen Lebensstil. Vor Hunderten von Millionen von Jahren haben sich unsere warmblütigen Vorfahren möglicherweise tagsüber versteckt, um nicht von sonnenhungrigen Dinosauriern gefressen zu werden.
Diese nächtliche Natur könnte in unserer Evolution ein Prinzip aktiviert haben, das besagt, dass wir es benutzen oder verlieren sollen. Sonnigere Eigenschaften (wie die solarbetriebene Photoreaktivierung) könnten aufgrund einer Nichtnutzung von etwa 100 Millionen Jahren verworfen worden sein, sagt Maor. Diese genetischen Verluste hielten dann bis in die Neuzeit an, selbst nachdem Säugetiere begonnen hatten, sich wieder ins Tageslicht zu wagen.
Foulkes 'Forschungsgruppe, darunter der Hauptautor der neuen Studie Haiyu Zhao, machte sich daran, die DNA-Reparatur bei anderen nachtaktiven Tieren zu untersuchen, um mehr über den Verlust von Photoreaktivierungsmechanismen zu erfahren. Der somalische Meerrettich ( Phreatichthys andruzzii ) mit seiner Abneigung gegen Sonnenlicht war eine perfekte Kreatur, die man untersuchen konnte.
Zunächst benötigten die Forscher jedoch einen Vergleichspunkt. Dafür wählten sie einen anderen Süßwasserfisch als Folie: den Zebrafisch, eine in vielen biologischen Labors gut untersuchte Grundnahrungsmittel. Wie die meisten anderen Tiere codieren Zebrafischgenome das durch Sonnenlicht aktivierte Fotoreaktivierungssystem, sodass sie in gut beleuchteten Umgebungen hohen Dosen von UV-Strahlung ausgesetzt sind. UV-Zebrafische, die in völliger Dunkelheit gefangen sind, reagieren empfindlicher auf die Auswirkungen von DNA-Schäden.
Auf der anderen Seite waren die Fische überempfindlich gegen UV-Strahlen, als die Forscher dieselben Experimente mit somalischem Meerrettich durchführten. In freier Wildbahn lebt die Art völlig isoliert vom Sonnenlicht, und wenn die Fische Bedingungen ausgesetzt werden, die das Sonnenlicht nachahmen, können sie die UV-Strahlung nicht überleben.
Diese blinden somalischen Meerrettiche sind eigentlich ziemlich augenschonend ... auch wenn sie selbst keine haben. (Luca Scapoli / Universität von Ferrara) Bei der Untersuchung des Genoms der Fische stellten die Forscher fest, dass Zebrafische drei wiederherstellende Photolyasen herstellen, die sich bei Sonnenlicht aktivieren, während somalische Höhlenfische nur ein gebrochenes System codieren. Bei weiterer Untersuchung konnten die Forscher Unterschiede in der Steuerung der Photolyase-Expression durch Zebrafische und Cavefische feststellen.
In Gegenwart von Licht wird ein molekularer „Schlüssel“ in Zebrafischzellen zu einer genetischen „Sperre“ geführt, die zur Aktivierung der DNA-Reparaturmechanismen freigegeben wird. Seltsamerweise schien der Cavefish intakte Schlösser zu haben, die bereit waren, die Photolyase-Expression auszulösen - aber die Schlüssel scheinen der Zeit verloren gegangen zu sein. Das Team von Foulkes sucht derzeit nach beschädigten oder fehlenden Schlüsseln im Cavefish-Genom.
"Es ist, als ob die Evolution auf frischer Tat ertappt wird", sagt Foulkes. "Sie können den Prozess sehen, durch den das Reparatursystem verloren geht."
Über 200 Cavefish-Arten bevölkern die Erde, aber dieses somalische Exemplar ist das erste, von dem berichtet wird, dass es das Photoreaktivierungssystem verloren hat. P. andruzzii ist jedoch auch unter Cavefish ein Extremist, der die letzten 3 Millionen Jahre nicht in der Sonne verbracht hat. In der ewigen Dunkelheit von Unterwasserkavernen ist es im besten Interesse dieses Schwimmers, Energie für den langen Weg zu sparen - Foulkes zufolge können diese Fische über fünfzig Jahre alt werden -, was bedeutet, unnötiges genetisches Gepäck loszuwerden.
Säugetiere teilen zwar nicht den Lebensstil von Cavefischen, doch diese genetischen Verluste können die trüben Entwicklungspfade offenbaren, die divergierende Arten gemeinsam haben. Anstatt ein nützliches Merkmal unter Umweltdruck zu entwickeln, scheinen die Kreaturen ein System aufgegeben zu haben, das nicht mehr nützlich war, sagt Silvia Fuselli, eine Cavefish-Expertin an der Universität von Ferrara in Italien.
"Vielleicht reproduzieren diese Fische etwas, was vor Millionen von Jahren bei unseren Vorfahren passiert ist", sagt Foulkes.
Angesichts der Tatsache, dass einige sonnenhungrige Arten der Entdeckung durch den Menschen in den Höhlen und Tiefseegräben der Erde wahrscheinlich immer noch erfolgreich entgehen, haben wir wahrscheinlich nicht die letzte Kreatur gefunden, die sich der Photoreaktivierung entzogen hat. "Es zeigt sich in diesen Fischen, in Pilzen, in [Krustentieren] ... es wird etwas sein, das die Leute regelmäßig finden", sagt David Carlini, ein Biologe an der American University, der Süßwasserkrustentiere in Höhlen untersucht.
Und so weit wir wissen, ist P. andruzzii unter den meisten seiner leicht verabscheuungswürdigen Brüder immer noch ziemlich einzigartig. Bis mehr Arten, die die Dunkelheit bevorzugen, untersucht werden können, kann der somalische Meerrettich das Leitlicht sein, um das Rätsel zu lösen, wie wir Säugetiere unsere Fähigkeit verloren haben, in der Sonne zu heilen.
