Tại sao cá killifish phát triển mạnh trong môi trường ô nhiễm

Trong bốn thập kỷ, chất thải từ các nhà máy sản xuất lân cận đã chảy vào vùng biển New Bedford Harbor - một khu vực rộng 18.000 mẫu Anh và là một cảng biển sầm uất. Bến cảng bị nhiễm hóa chất polychlorinated biphenyls (PCBs) và kim loại nặng, là một trong những vị trí dọn dẹp lớn nhất thuộc chương trình Superfund của Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (Environmental Protection Agency – EPA). Superfund là một chương trình môi trường được thành lập vào năm 1980 để xử lý những vùng có hóa chất độc hại bị bỏ hoang.

Vùng cảng biển New Bedford Harbor cũng là vị trí của một câu đố về tiến hóa mà các nhà nghiên cứu tại viện nghiên cứu Hole Oceanographic Institution (WHOI) các đồng nghiệp của họ đang tìm cách trả lời.

Cá killifish Đại Tây Dương – những con cá sống ở cửa sông dài khoảng 3 inch – không chỉ chịu đựng được môi trường độc hại ở bến cảng, dường như chúng còn phát triển mạnh ở đó. Bằng cách nào mà những con cá này có thể thích nghi và sống trong môi trường bị ô nhiễm nặng như vậy? Trong một bài báo mới được công bố trên tạp chí Evolutionary Biology, các nhà nghiên cứu công bố phát hiện về những thay đổi trong mộtprotein thụ thể, có tên gọi là aryl hydrocarbon thụ thể 2 (AHR2), có thể giải thích cách thức mà cá killifish ở cảng New Bedford Harbor đã phát triển sức đề kháng di truyền đối với hóa chất PCBs.

Killifish là cá săn mồi không di cư. Chúng sống toàn bộ cuộc đời trong cùng một khu vực, thường là trong vòng vài trăm mét xung quanh nơi chúng đã nở ra. Không giống như các loài cá khác có thể bơi vào và ra khỏi cảng một cách không thường xuyên trong suốt những tháng mùa hè để kiếm ăn, những con cá killifish sống ở khu vực của nó trong suốt năm và mùa đông đào hang trú ẩn trong lớp trầm tích bị ô nhiễm.

Thông thường khi cá bị tiếp xúc với các chất hóa học nguy hại, cơ thể sẽ thúc đẩy sản sinh ra các enzyme phá hủy các chất ô nhiễm, một quá trình được kiểm soát bởi protein AHR2. Một số hóa chất PCBs không bị phá hủy theo cách này, và kích thích tiếp tục điều khiển AHR2 phá vỡ các chức năng của tế bào, dẫn tới ngộ độc. Trong cá killifish khu cảng New Bedford Harbor, hệ thống AHR2 trở thành bền đối với tác động này.

“Cá killifish phải quản lý nhằm tắt lối vào”, Mark Hahn, một nhà sinh học tại viện nghiên cứu WHOI và là đồng tác giả của bài báo nói trên cho biết. “Đây là một ví dụ về cách mà một số các chất ô nhiễm có thể được thích nghi để biến đổi trong môi trường của chúng”.

Nhóm nghiên cứu gồm các đồng nghiệp đến từ Khoa Sinh Thái Đại Tây Dương thuộc Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ, trường Sức Khỏe cộng đồng thuộc Đại học Boston, và trường Đại học Bắc Carolia tại Charloote, đã sử dụng một tiếp cận “gene chỉ thị” giải trình tự phần mã hóa protein của ba gene kháng thể (AHR1, AHR2, AHRR) trong các mẫu cá thu thập từ khu vực cảng biển này và tại 6 vị trí khác, cả tại khu vực còn sạch và khu vực đã bị ô nhiễm, nằm dọc bờ biển phía Đông Bắc.Để tìm kiếm đa hình 1 nucleotit (single nucleotide polymorphisms hay viết tắt là SNPs) hoặc các biến thể phụ trong chuỗi ADN, họ đã phát hiện thấy các khác biệt trong AHR2, thể hiện một vai trò quan trọng trong việc làm trung gian hóa giải độc tính trong giai đoạn đầu đời.

“Chức năng của thụ thể này là trung gian hóa giải các tác động của độc chất”, Sibel Karchner, một đồng tác giả và nhà sinh vật học tại phòng thí nghiệm của Hahn nói. “Nếu bạn không có một thụ thể chức năng, bạn sẽ không gặp phải các tác động độc chất nhiều như loài cá đã gặp phải”.

AHR2 trong cá killifish có 951 axit amin và 9 trong số đó khác nhau giữa các cá thể. Các kết hợp khác nhau của các biến thể axit amin dẫn tới 26 loại protein khác nhau.

“Chúng tôi thấy rằng các kiểu biến thể có trong cá killifish cảng New Bedford Harbor khác hơn nhiều so với các kiểu ở các khu vực lân cận, là bất ngờ trong các hoàn cảnh bình thường”, Hahn nói. “Có một vài biến thể protein là phổ biến ở cá killifish cảng New Bedford Harbor, nhưng là không phổ biến ở những nơi khác. Tương tự như vậy, các biến thể protein phổ biến nhất trong các khu vực so sánh lại ít phổ biến hơn trong cá killifish cảng New Bedford Harbor”.

Một bài báo khác đã được trình bày trên tạp chí BMC Evolutionary Biology bởi các đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm EPA tại Narragansett, RI, đã sử dụng một tiếp cận “scan gene chỉ thị” – nghiên cứu SNPs từ 42 gene liên kết với lối vào của AHR – cũng đã xác định được AHR2 là một gene xuất hiện dưới sự lựa chọn và có thể tham gia vào cuộc chiến chống lại độc chất. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, sự tiến hóa của các sức đề kháng trong quần thể độc lập của cá killifish hội tụ trên cùng một gene mục tiêu.

“Các kết quả của những nghiên cứu này và các phương pháp di truyền được phát triển trong tiến trình thực hiện những nghiên cứu này đang giúp phân tích chi tiết về cách mà tiến hóa xảy ra ở một giai đoạn hiện tại (hơn là so với thuộc địa chất) và tại sao một số loài, dường như thích nghi với một thế giới biến đổi một cách nhanh chóng hơn”, Diane Nacci, một nhà sinh học tại EPA và là đồng tác giả của cả hai bài báo trên nói.

AHR2 cũng là cùng một gene đã được xác định trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Science năm 2011, bởi các nhà sinh học của WHOI và các đồng nghiệp từ Đại học New York và NOAA về cá tuyết kháng PCB đến từ sông Hudson. Protein AHR2 trong cá tuyết sông Hudson đang thiếu hai trong số 1.104 axit amin thường được tìm thấy trong protein này.

"Mặc dù những thay đổi phân tử cụ thể được tìm thấy trong kháng thể cá tuyết và cá killifish PCB chịu khác nhau, trong cả hai loài AHR2 có vẻ là một trong những gene - có thể là gene quan trọng - đó là chịu trách nhiệm cho cuộc chiến chống lại độc chất", Hahn cho biết.

Trong khi chính cá killifish miễn dịch với các tác dụng độc hại của PCBs, họ vẫn có thể chuyển các chất gây ô nhiễm vào chuỗi thức ăn. Cá killifish là một nguồn thức ăn quan trọng đối với cá bạc má (bluefish), cá pecca sọc và những loài cá khác bị con người ăn thịt.

Bất chấp vẻ ngoài khỏe mạnh của chúng, có thể có những tổn hại tiêu cực chưa được biết đối với cá killifish liên quan tới việc đề kháng PCBs. Các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục xem xét xem, sự thích nghi này gây ảnh hưởng thế nào tới cách mà cá killifish có khả năng phản ứng đáp trả đối với các nhân tốt gây căng thẳng khác trong môi trường sống của chúng, ví dụ như nồng độ oxy thấp.

"Rõ ràng, sự thật là loài cá này kháng lại PCBs cho phép chúng sống sót trong môi trường thực sự ô nhiễm này, nhưng chuyện gì sẽ xảy ra một khi hải cảng này được làm sạch? Có thể có tổn thất làm nó không còn phù hợp cho những con cá sống ở đó”, Hahn nói.

"Đó là một ví dụ thú vị về cách mà các hoạt động của con người có thể tác động tới tiến hóa", ông nói thêm. “Khả năng thích nghi với các điều kiện biến đổi ngày càng trở nên quan trọng hơn khi con người tác động tới môi trường, bất kể là từ việc axit hóa các đại dương hoặc nhiệt độ gia tăng hay những biến đổi toàn cầu khác đang diễn ra”.

Ngoài Hahn và Karchner, các nhà nghiên cứu WHOI tham gia vào nghiên cứu này bao gồm tác giả Adam Reitzel (hiện tại là một giáo sư trợ lý tại Đại học Bắc Carolina ở Charlotte) và Diana Franks. Công trình nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Viện nghiên cứu quốc gia về Khoa học sức khỏe môi trường (National Insitute of Environmental Health Sciences), thông qua Chương trình Superfund Research Program tại Đại học Boston, Hudson River Foundation, và một khoản trợ cấp từ Cơ quan Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (National Science Foundation).