Ген, вызывающий дегенерацию глаз у пещерных рыб

Мексиканские пещерные рыбы (Astyanax mexicanus) всю жизнь проводят в темноте. Без необходимости в зрении у многих из них перестали функционировать глаза. У более чем 30 разновидностей мексиканских пещерных рыб развитие глаз останавливается на стадии эмбриона, когда он превращается в личинку. Хотя они остаются тем же видом, что и зрячая рыба, обитающая на поверхности, пещерные разновидности несут генетические мутации, которые ученые еще не до конца изучили.

В новом исследовании под руководством ученых из Университета Мэриленда было обнаружено, что мутация в гене цистатионин-β-синтазы "a" (cbsa) препятствует кровотоку к глазам пещерной рыбы в критическую фазу развития. Недостаток крови приводит к дегенерации, недоразвитию глаз, покрытых кожей и соединительной тканью, у всех слепых разновидностей. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications 2 июня 2020 года.

Профессор биологии Уильям Джеффери отметил, что гены, контролирующие дегенерацию глаз, разбросаны по всему геному мексиканской пещерной рыбы, и их может быть от 10 до 20. Это первый случай, когда удалось точно определить конкретный ген и показать механизм его работы.

Ген cbsa известен как причина человеческого заболевания — гомоцистинурии, которая вызывает дефекты зрения и может приводить к кровоизлияниям, инсультам, инфарктам и преждевременной смерти. Понимание того, как слепые пещерные рыбы процветают с мутировавшим cbsa, может помочь в разработке методов лечения гомоцистинурии в будущем.

Предыдущие исследования выявили несколько областей в геноме пещерной рыбы, вероятно содержащих гены, ответственные за дегенерацию глаз. Каждая область содержит до сотни генов. Исследователи сузили круг кандидатов, выбрав самую маленькую из перспективных областей и найдя гены, экспрессия которых меняется в критический период развития рыбы — когда происходит дегенерация глаз.

Из четырех идентифицированных генов-кандидатов ген cbsa оказался мутировавшим у всех слепых пещерных разновидностей по сравнению со зрячей поверхностной. Более того, исследователи увидели параллели между слепыми пещерными рыбами и людьми с гомоцистинурией, у которых также наблюдаются проблемы со зрением и кровообращением.

Для проверки гипотезы ученые использовали инструмент редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы мутировать нормальный ген cbsa в икринках зрячей поверхностной рыбы. Многие из этих икринок развились во взрослых особей с уменьшенными или отсутствующими глазами. Затем исследователи смогли обратить дегенерацию глаз у пещерной рыбы, введя нормальный генетический материал cbsa в эмбрионы.

Ученые полагают, что повреждение сосудистой системы вокруг глаз, вызванное мутировавшим cbsa, лишает развивающиеся глаза кислорода и приводит к их гибели. Однако процесс требует дальнейшего изучения.

Ведущий автор исследования Ли Ма подчеркнул, что это лишь один из множества генов, ответственных за дегенерацию глаз, но теперь, когда найден первый, процедуру можно повторить для поиска других.

Понимание того, как мутации в cbsa влияют на дегенерацию глаз у в остальном здоровых рыб, может привести к лучшему пониманию функции этого гена в сосудистой системе. Уильям Джеффери отметил, что мексиканские пещерные рыбы не просто выживают с гомоцистинурией, а процветают, и изучение их способности восстанавливаться после кровоизлияний в глазу может дать представление о методах лечения этой болезни у людей.