Hvordan fik zebrafisken sine striber? Forskere er et skridt tættere på at finde ud af det

Selvom zebrafisk er meget mindre og mindre berømte end deres landlige navnebrødre, har de små fisk en unik evne:De kan hurtigt ændre farven på deres karakteristiske striber fra blå til gul, når de er nødstedte.

Ligesom kamæleoner opnår zebrafisk denne farvetransformation gennem strukturelle ændringer. Ved præcist og samtidigt at ændre orienteringen af ​​lysreflekterende krystaller på deres skæl og hud, kan zebrafisk ændre farven på deres striber i hele kroppens længde på få sekunder.

I ny forskning, der vises i Proceedings of the National Academy of Sciences , har videnskabsmænd udpeget det indviklede cellulære maskineri bag denne farveændring. Ved hjælp af avancerede billeddannelsesteknikker har de identificeret de molekyler, strukturer og signalmekanismer inde i cellen, der arbejder sammen om at ændre zebrafiskens striber fra blå til gule, når fisken er under stress.

"Ingen har set disse strukturer før på dette niveau, og ingen har vist, hvordan de reagerer på ændringer i lys og farve," siger Jennifer Lippincott-Schwartz, senior gruppeleder og leder af forskningsområdet 4D Cellular Physiology hos Janelia, som var seniorforfatteren på det nye studie i samarbejde med laboratoriet af John Hammer fra NIH. "Der har været et forslag om, at krystallerne på en eller anden måde ændrer deres arrangement for at ændre deres farve, men vi viser præcis, hvordan det sker."

De nye resultater kan hjælpe forskere med bedre at forstå de molekylære mekanismer, der ligger til grund for farveændringer i andre dyr - fra kamæleoner til copepoder - der bruger lignende strukturelle farveændringer til at kommunikere, regulere kropstemperaturen og skabe camouflage.

"Det giver mening, at de samme komponenter, som er nødvendige til dette, er tilgængelige og til stede i andre systemer, så vi tror, ​​at det her kunne være en robust måde for organismer at ændre deres farve på. Og vi har nogle foreløbige indikationer på, at det rent faktisk finder sted i andre organismer," siger Dvir Gur, en forsker ved Weizmann Institute of Science, der ledede det nye arbejde.

Undersøgelse af zebrafiskstriber

Gur begyndte at undersøge, hvordan zebrafisk fik deres striber som postdoktor i Lippincott-Schwartz laboratoriet. I 2020 identificerede Gur, Lippincott-Schwartz og et team af forskere, hvordan rækkefølgen af ​​små guaninkrystaller i zebrafiskens skæl genererer dens blå og gule striber.

Mens de studerede fiskene, var forskerne fascineret af, hvordan zebrafiskens blå striber ville forsvinde, når en fiskefører kom ind i rummet, eller når den tabte en kamp til en dominerende han.

Hos mange dyr sker farveændringer, når sække af pigment spredes og aggregerer i cellen. Men dette var ikke tilfældet i zebrafisk-iridoforer, hvor en sådan bevægelse af krystallerne inde i disse celler ville have fået iridophorerne til at miste deres strukturelle farve. Der var antydninger om, at fisken kunne ændre orienteringen af ​​krystallerne for at reflektere lys i forskellige vinkler og skabe forskellige farver, men hvordan det skete, blev ikke forstået.

"Dette var virkelig udløseren, der fik os til at se på mekanismen, der lettede farveændringen i disse celler," siger Gur. "Vi vidste, at der måtte være en anden måde."

Et nærbillede

Holdet startede med at se nærmere på krystallerne før og efter farveændringen ved hjælp af højopløsningsbilleddannelse og synkrotronbaseret røntgendiffraktion.

De så, at inde i iridophorer er krystallerne arrangeret i stakke af lange, pladelignende strukturer. Farveændringen opstår som følge af den samtidige og præcise vipning af disse krystaller. Gur sammenligner processen med bevægelsen af ​​en persienne, hvor lamellerne vipper sammen for at kontrollere, hvor meget lys der kommer igennem. Når en zebrafisk er stresset, vipper krystallerne alle i en 20-graders vinkel, hvilket ændrer afstanden mellem dem og lysvinklen, der rammer dem. Dette ændrer de optiske egenskaber af krystallerne i iridophoren, hvilket får fiskens striber til at skifte fra blå til gul.

Dernæst brugte forskerne levende billeddannelse til at forstå, hvad der drev denne proces. Efter kunstigt at inducere en stressreaktion hos fiskene, fandt holdet ud af, at vipningen blev aktiveret af motorproteiner kaldet dynein, der går langs mikrotubuli inde i cellen og forbinder til krystallerne, trækker og vipper dem for at skabe farveændringen.

Processen reguleres af et molekyle kaldet cyklisk AMP, et andet budbringer-molekyle, der aktiveres, når fisken er stresset. Cyklisk AMP sender et signal til mange celler i fisken på samme tid, hvilket udløser vipningen og får alle striberne til at ændre deres farve samtidigt.

Ud over at give en mekanisme til strukturel farveændring, kan de nye fund hjælpe med at kaste lys over, hvorfor nogle dyr danner disse molekylære krystaller, som hos mennesker kan danne nyresten og gigt. De kunne også informere designet af menneskeskabte materialer og enheder, der udnytter disse naturlige egenskaber.

"For mig handler det i virkeligheden om nysgerrighedsdrevet videnskab:Alt, hvad vi gør, er, fordi vi gerne vil forstå naturen bedre," siger Gur og tilføjer, at det er bemærkelsesværdigt at se, hvordan små organismer kan opnå noget, som mennesker, med deres avancerede teknologi. , kan ikke. "Men ud af dette kunne der komme mange forskellige ting, som i sidste ende også kunne være nyttige, fra at bruge naturen som en kilde til at lære principper for biomimik, til optiske enheder, der bruger lignende tilgange, til næste generation af afstembare fotoniske krystaller."

Flere oplysninger: Gur, Dvir et al, Den fysiske og cellulære mekanisme for strukturel farveændring i zebrafisk, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2308531121. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2308531121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Howard Hughes Medical Institute