Çakırkeyf balıkların evrimi: Alkol sayesinde hayatta kalıyorlar

Oksijen olmaksızın, çoğu omurgalı oksijenli solunum yapamaz ve birkaç dakika içinde ölür. Fakat Japon balığı gibi bazı balık türleri uzun süre oksijensiz ortamda hayatta kalabiliyorlar ve bunu da maya gibi etanol üretme yeteneklerine borçlular. Yeni bir çalışma bu özel yeteneği sağlayan metabolik sistemin ve ilgili genlerin evrimini belgeliyor.
Hayat Nesin - bilimsoL
Cuma, 29 Eylül 2017 22:00

Oksijen kesildiği zaman kaslarınızda laktik asit birikir, enerji üretemezsiniz ve ölürsünüz. Ancak bazı balıklar kışın donmuş göllerde 4-5 aya kadar oksijensiz ortamda hayatta kalabiliyorlar. 

Sazangillere mensup, Japon balığı (kırmızı balık) ile havuz balığının da dahil olduğu bu hayvanların nasıl olup da hayatta kalabildikleri 1980'lerde keşfedilmişti: Alkol sayesinde!

Carassius cinsi bu balıkların iskelet kasları bizim yapamadığımız bir işlemi gerçekleştiriyor, laktik asidi alıyor, etanole çeviriyor. Etanol ise birikmiyor, solungaçlardan serbestçe atılıyor. Böylece balıkların besin stoğu yettiği müddetçe, donmuş göllerin altında oksijensiz solunum yaparak hayatta kalabiliyor.

Tabii her ne kadar alkolün çoğunu atsalar da kanlarındaki alkol oranı da normalden yüksek oluyor. Araştırmacıların tahminine göre donmuş göllerin altında yaşayan balıkların kanlarındaki alkol seviyesi, içtiğimiz 1-2 biranın ardından kanımızdaki alkol seviyesine denk. 

Geçen ay yayımlanan çalışmada ise Norveçli ve İngiltereli araştırmacılar, etanol oluşum mekanizmasını sağlayan genler ve proteinlerin evrimini ve işlevlerini incelenmiş. Araştırmacılar bunun için oksijensizliğe dayanıklı ve dayanıksız balık türlerinde gen etkinliğini karşılaştırmışlar. 

Daha önce bu balıklarda alkol üretimi sürecine dair, piruvat dehidrogenaz enzim kompleksinin (PDH) laktik asidi alıp asetaldehide dönüştürdüğü, asetaldehidin de alkol dehidrogenaz enzimi (ADH) tarafından etanole dönüştürüldüğü zannediliyordu. 

Ancak araştırmacılar alkol üretiminin gerisinde, daha önce bilinmeyen yeni enzimlerin yattığını söylüyorlar.

YENİ GEN, BİRA MAYASIYLA ORTAK

Araştırmacılar, karşılaştırmalı bir yaklaşım kullanmışlar: Hem oksijensizliğe dayanıklı balık türlerini hem de dayanıksız balık türlerini oksijensiz suda tutmuşlar. Bu balıklarda beyin, kalp, karaciğer, iskelet kaslarında mesajcı RNA (mRNA) seviyesini ölçmüşler. mRNA seviyesi, gen aktivitesinin bir göstergesidir. mRNA seviyesi artan gen, oksijensizliğe tepkide ve belki de alkol üretiminde rol oynuyor olabilir.

Bu analiz sonucunda, yalnızca oksijensizliğe dayanıklı balıklarda ve yalnızca bunların iskelet kasında etkin olan iki gen grubu tespit edilmiş. 

En ilginç sonuç, bu genlerden birinin omurgalı hayvanlarda daha önce tarif edilmemiş olması. Ama aynı işi gören enzimler bira mayasında ve alkol üretebilen bazı bitkilerde mevcut.

Bulunan gen, PDH'a alternatif bir enzim olan bir piruvat dekarboksilaz kompleksi (PDC). Bu kompleks, balığın atasında PDH enzimlerinde yaşanan mutasyonlarla evrilmiş; PDH'ye paralel bir PDC oluşmuş.

Yeni enzim PDC, oksijensiz durumlarda aktive oluyor ve laktik asit yerine piruvattan asetaldehit üretimini katalize ediyor.

PDC'nin evrimi 'yakınsak evrim'e güzel bir örnek: bira mayasının, bitkilerin ve Japon balıklarının geçmişlerinde benzer şartlar altında aynı görevi görebilen enzimler evrilmiş. Ancak bu evrim süreçleri birbirinden tamamen bağımsız biçimde gerçekleştiği için bu tip evrime "yakınsak" deniyor.

Oksijensizliğe dayanıklı balıklara has bir diğer grup enzim ise, asetaldehitle etanolü birbirine dönüştürebilen alkol dehidrogenazlar. Günümüzden 8,2 milyon yıl önce, Carrassius cinsine ait türlerin ortak atalarında bu genlerin de yeni kopyaları oluşmuş ve yeni özellikler kazanmışlar. Ancak bu yeni özelliklerin alkol metabolizmasına etkileri daha tam anlaşılamamış.

Balıklarda yeni genlerin ve bunların kodladığı enzimlerin evrilmesini kolaylaştıran önemli bir neden, balık soylarında genom çiftlenmelerinin sık yaşanması. Yani örneğin 10 kromozomları varken, yavrularında 10+10 = 20 kromozomun ortaya çıkması. 

Bir soyda genom çiftlendiği vakit her genden fazladan kopyalar ortaya çıkıyor ve bunlar da görece kolayca yeni işlevler üstelenecek şekilde evrilebiliyorlar. Bir anlamda, üzerilerindeki evrimsel baskı ortadan kalkmış oluyor. Tek çocuklu aileler çocukların üzerine titrerken, çok çocuklu ailelerin yavrularını daha serbest yetiştirmesi gibi.


İlgili makale: Fagernes vd., 2017, "Extreme anoxia tolerance in crucian carp and goldfish through neofunctionalization of duplicated genes creating a new ethanol-producing pyruvate decarboxylase pathway", Scientific Reports, https://www.nature.com/articles/s41598-017-07385-4
https://www.chemistryworld.com/news/how-goldfish-get-drunk-to-cope-with-...