Vissen overleven in de extreme kou geholpen door genoom-aanpassingen

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 namelijk dalen 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 aanpassingen 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 geneticus en werkt samen met Naturalis Biodiversity Centre in Nederland en het Wellcome Sanger Institute in het VK. Ze is hoofdauteur van het artikel dat onlangs is gepubliceerd in Nature Communications dat de genoom-evolutie van de notothenioïde vis helpt te verklaren.

Afsplitsen

Het internationale team van onderzoekers uit het VK, Nederland, Noorwegen, Zwitserland en de VS heeft het genoom 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 – recenter dan eerder werd gedacht – en dat veel nieuwe soorten zich ongeveer vijf miljoen jaar geleden snel begonnen 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 bij de familie van de Channichthyidae oftewel 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.

Wit bloed

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. Hun bloed ziet er daardoor wit uit. Dit is opmerkelijk omdat hemoglobines nodig zijn om zuurstof door het lichaam te transporteren. Het verlies ervan 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 sequencen 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.”

Meer informatie

• 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 ondersteunt.
• Het Wellcome Sanger Institute is een wereldwijd toonaangevend onderzoekscentrum op het gebied van genomics. Lees meer op Sanger.ac.uk.
• Wellcome ondersteunt de wetenschap bij het oplossen van de urgente gezondheidsuitdagingen waarmee iedereen wordt geconfronteerd. Kijk voor meer info op: Wellcome.org.

Tekst: Naturalis Biodiversity Center
Afbeeldingen: Doug Allan (leadfoto: IJsvis, Chaenocephalus aceratus); Chris Gilbert