I en lille pool beliggende mellem to vandfald i Hidalgo, Mexico, lever en bestand af hybridfisk - resultatet af mange generationers krydsning mellem højlands- og fårehovedsværdhaler. Laboratoriet hos Molly Schumer, assisterende professor i biologi ved Stanford University, har indsamlet disse fisk i årevis for at studere udviklingen af hybrider.
"Vi er lige ved at indse, at hybridisering påvirker arter på tværs af livets træ, inklusive vores egen art - mange af os bærer gener fra neandertalere og denisovanere," sagde Schumer med henvisning til to gamle menneskearter, der blandede sig med vores forfædre."Forståelse af hybridisering og de negative og positive virkninger, der kan komme fra gener, der har bevæget sig mellem arter, er vigtig for at forstå vores egne genomer og dem fra andre arter, som vi interagerer med."
I et nyt papir, offentliggjort 14. maj i Science, udpeger forskerne to gener, der er ansvarlige for et melanom, der ofte udvikler sig nær halerne af hanhybrider af højland-fårehoveder. Fundet markerer kun anden gang, at en hybrid dysfunktion er blevet sporet til specifikke gener hos hvirveldyr. (Det eneste andet tilfælde, hvor videnskabsmænd har indsnævret hybriddysfunktion hos hvirveldyr ned til enkeltgenniveauet, er i en langvarig hybridpopulation af mus i Europa og deres slægtninge.)
En særlig befolkning
Folk har længe vidst, at afkom fra to forskellige arter har tendens til at have genetiske fejl. For eksempel er muldyr - som er æsel-heste-hybrider - infertile. Ironisk nok, for at finde generne, der er ansvarlige for sådanne dysfunktioner, har forskere brug for hybrider, der er egnede nok til at avle i flere generationer efter den indledende hybridisering. Ellers er stykkerne af deres genomer, der kommer fra forældrearten, så store, at det er næsten umuligt at spore indflydelsen af et enkelt gen.
Det er det, der gør highland-sheepshead-hybriderne til et exceptionelt casestudie. De har forædlet i omkring 45 generationer, hvilket har resulteret i genomer, der indeholder mindre bidder af forældrenes DNA, som er nemmere at inspicere på et enkelt-gen-niveau.
"Vi har kendt til genetisk inkompatibilitet mellem generne fra to arter siden 1940'erne. På trods af det kender vi ikke mange af de gener, der forårsager disse negative interaktioner," sagde Daniel Powell, en postdoktor i Schumer-laboratoriet og hovedforfatter af papiret. "Vores laboratorium har klart definerede naturlige hybrider, og vi har udviklet de genomiske ressourcer for begge forældrearter. Disse fisk repræsenterer et unikt system til at løse dette spørgsmål."
For at komme ind på generne, der er ansvarlige for melanom i hybrider, vendte forskerne først deres opmærksomhed mod de rene fårehovedsværdhaler og den genetiske oprindelse af en sort plet, som nogle af disse fisk udvikler - som ikke er kræftfremkaldende, men fundet samme sted som hybridernes melanom. Ved at analysere genomerne af næsten 400 individuelle fisk, kædede de den sorte plet sammen med tilstedeværelsen af et gen kaldet xmrk. Efter denne vejledning konkluderede forskerne, at xmrk også var mere udtrykt i hybrider med melanom sammenlignet med dem uden det - alt i alt kunne det forklare 75 procent af al variation i den pletblødning, de undersøgte i både det rene fårehoved og hybridfisk.
Forskerne fandt også ud af, at et andet gen kaldet cd97 - som nogle hybrider arver fra deres højlandssværdhaleforfædre - var mere udtrykt i højlandssværdhalerne og i hybrider end i fårehovedsværdhaler. Yderligere genetiske beviser tyder på, at cd97 og xmrk interagerer på en eller anden måde for at producere melanom i hybriderne.
Interessant nok, selvom ingen af generne er forbundet med melanom hos forældrenes sværdhale-arter, er de begge forbundet med kræft hos andre dyr. I en fjernt beslægtet sværdhalehybrid interagerer for eksempel xmrk med et andet gen - ikke cd97 - for at forårsage melanom, og et gen relateret til cd97 er blevet forbundet med kræft hos mennesker.
Tilsammen giver disse resultater et forvirrende billede. "Vi er endt med konkurrerende, men ikke gensidigt udelukkende ideer om hybrid inkompatibilitet og sygdom," sagde Powell. "Vi har givet troværdighed til ideen om, at nogle gener kan være sårbare over for nedbrydning i forskellige arter - hvilket er overraskende i betragtning af evolutionens tilfældighed. Men vi har også beviser for ideen om, at der er en mangfoldighed af genetiske årsager til lignende dysfunktioner."
Den bedste slags projekt
Schumer siger, at hun satsede lidt, da hun fokuserede sine studier på hybridisering, men hendes indsats giver pote.
"Da jeg startede min ph.d. i 2011, var det virkelig ikke accepteret, at hybridisering var almindeligt hos dyr. De mest kendte eksempler var muldyr og frugtfluer. Det har været sådan et massivt skifte og en sjov tid at arbejde på om dette spørgsmål," sagde Schumer, der er seniorforfatter af avisen og medlem af Stanford Bio-X."Det, vi er nået frem til nu, er den bedste form for projekt inden for videnskab: et, der rejser langt flere spørgsmål end svar og sætter dig i gang i en masse forskellige retninger."
Gennem fremtidigt arbejde ønsker forskerne at finde ud af, hvorfor hybride sværdhaler med melanom er mindre tilbøjelige til at overleve i naturen og i fangenskab. De er også nysgerrige efter at vide, hvorfor så mange af disse fisk har melanomet - det er muligt, at hunner, når det kommer til valg af mage, foretrækker hanner med de store sorte pletter, der genereres af melanom. Allerede nu har de opstillet flere ideer for yderligere at forstå, om gener går g alt på en gentagelig måde i hybrider, eller om det, de har fundet i xmrk og cd97, er tættere på tilfældigheder.
