Elektriska organ hjälper elektriska fiskar, som den elektriska ålen, att göra alla möjliga fantastiska saker:De skickar och tar emot signaler som liknar fågelsång, och hjälper dem att känna igen andra elektriska fiskar efter art, kön och till och med individ. En ny studie i Science Advances förklarar hur små genetiska förändringar gjorde det möjligt för elektriska fiskar att utveckla elektriska organ. Fyndet kan också hjälpa forskare att peka ut de genetiska mutationerna bakom vissa mänskliga sjukdomar.

Evolutionen utnyttjade en egenhet av fiskgenetik för att utveckla elektriska organ. Alla fiskar har dubbla versioner av samma gen som producerar små muskelmotorer, så kallade natriumkanaler. För att utveckla elektriska organ stängde elektrisk fisk av en dubblett av natriumkanalgenen i muskler och slog på den i andra celler. De små motorerna som vanligtvis får musklerna att dra ihop sig användes för att generera elektriska signaler, och voila! En ny orgel med några häpnadsväckande egenskaper föddes.

"Det här är spännande eftersom vi kan se hur en liten förändring i genen helt kan förändras där den uttrycks", säger Harold Zakon, professor i neurovetenskap och integrativ biologi vid University of Texas i Austin och motsvarande författare till studien.

I den nya artikeln beskriver forskare från UT Austin och Michigan State University upptäckten av en kort del av denna natriumkanalgen - cirka 20 bokstäver lång - som styr om genen uttrycks i en given cell. De bekräftade att i elektrisk fisk är denna kontrollregion antingen förändrad eller helt saknad. Och det är därför en av de två natriumkanalgenerna är avstängd i musklerna hos elektriska fiskar. Men konsekvenserna går långt utöver utvecklingen av elektrisk fisk.

"Denna kontrollregion finns hos de flesta ryggradsdjur, inklusive människor," sa Zakon. "Så, nästa steg när det gäller människors hälsa skulle vara att undersöka denna region i databaser med mänskliga gener för att se hur mycket variation det finns hos normala människor och om vissa deletioner eller mutationer i denna region kan leda till ett sänkt uttryck av natriumkanaler , vilket kan leda till sjukdom."

Studiens första författare är Sarah LaPotin, en forskningstekniker i Zakons labb vid tidpunkten för forskningen och för närvarande doktorand vid University of Utah. Förutom Zakon är studiens andra seniorförfattare Johann Eberhart, professor i molekylär biovetenskap vid UT Austin, och Jason Gallant, docent i integrativ biologi vid Michigan State University.

Zakon sa att natriumkanalgenen måste stängas av i muskler innan ett elektriskt organ kunde utvecklas.

"Om de slog på genen i både muskeln och det elektriska organet, så skulle alla nya saker som hände med natriumkanalerna i det elektriska organet också inträffa i muskeln," sa Zakon. "Så, det var viktigt att isolera uttrycket av genen till det elektriska organet, där det kunde utvecklas utan att skada muskler."

Det finns två grupper av elektriska fiskar i världen - en i Afrika och den andra i Sydamerika. Forskarna upptäckte att den elektriska fisken i Afrika hade mutationer i kontrollregionen, medan den elektriska fisken i Sydamerika förlorade den helt. Båda grupperna kom fram till samma lösning för att utveckla ett elektriskt organ – att förlora uttrycket av en natriumkanalgen i muskler – men från två olika vägar.

"Om du spolar om livets band och trycker på play, skulle det spelas upp på samma sätt eller skulle det hitta nya vägar framåt? Skulle evolutionen fungera på samma sätt om och om igen?" sa Gallant, som föder upp den elektriska fisken från Sydamerika som användes i en del av studien. "Elektriska fiskar låt oss försöka svara på den frågan eftersom de upprepade gånger har utvecklat dessa otroliga egenskaper. Vi svängde för staketet i denna tidning och försökte förstå hur dessa natriumkanalgener upprepade gånger har förlorats i elektrisk fisk. Det var verkligen ett samarbete ."

En av nästa frågor som forskarna hoppas kunna svara på är hur kontrollregionen utvecklades för att slå på natriumkanaler i det elektriska organet.