Hvordan killifish-embryoner bruger suspenderet animation til at overleve over 8 måneders tørke
Den afrikanske turkise killifish lever i flygtige damme i Zimbabwe og Mozambique. For at overleve den årlige tørre sæson går fiskens embryoner ind i en tilstand af ekstrem suspenderet animation eller "diapause" i cirka 8 måneder.
Nu har forskere afsløret de mekanismer, der gjorde det muligt for killifish at udvikle denne ekstreme overlevelsestilstand. De rapporterer i journalen Cell at selvom killifish udviklede diapause for mindre end 18 millioner år siden, gjorde de det ved at optage gamle gener, der opstod for mere end 473 millioner år siden. Gennem sammenlignende analyse viste holdet, at lignende specialiserede genekspressionsmønstre også anvendes af andre dyr – inklusive husmusen – under diapause.
"Hele programmet er som dag og nat - der er liv i normal tilstand og liv i diapause-tilstand, og måden det skete på var ved at omrokere eller omkoble den regulatoriske region af et helt sæt gener," siger seniorforfatter og molekylærbiolog Anne Brunet fra Stanford University.
Afrikanske turkise killifish modnes hurtigere end nogen anden hvirveldyr, og voksne lever kun omkring 6 måneder, selv i fangenskab. Fiskene formerer sig hurtigt, før deres vandige hjem forsvinder, men deres embryoner bliver tilbage i det tørre mudder, klar til at klækkes, når det næste års regn kommer.
Embryonal diapause forekommer også hos andre hvirveldyrarter, herunder fisk, krybdyr og nogle pattedyr, men killifish diapause er bemærkelsesværdigt ekstrem, fordi den varer i så lang en periode (8 måneder i gennemsnit og op til 2 år i laboratoriet), og fordi killifish embryoner indtaste suspenderet animation meget senere i udviklingen end andre dyr.
"Det er nogenlunde midt i udviklingen, og mange organer er allerede dannet på det stadie - de har en hjerne i udvikling og et hjerte, som holder op med at slå i diapause og derefter starter igen," siger førsteforfatter Param Priya Singh fra University of California, San Francisco.
"Killifish er den eneste hvirveldyrsart, vi kender til, som kan gennemgå diapause så sent i udviklingen."
For at forstå diapause-evolutionen karakteriserede holdet først genekspressionen af den afrikanske turkise killifish (Nothobranchius furzeri) under forskellige udviklingsstadier. De fokuserede på duplikerede kopier af gener kaldet "paraloger", fordi genduplikation er en af de primære mekanismer, hvorved nye gener opstår og specialiserer sig.
Samlet set identificerede forskerne 6.247 paralog-par, der udviste specialiserede genekspressionsmønstre under diapause. Overraskende nok vurderede de, at de fleste af de diapause-specialiserede gener var "meget ældgamle" paraloger, der opstod for mere end 473 millioner år siden.
"Selvom diapause udviklede sig relativt for nylig, er de gener, der er specialiserede i diapause, virkelig gamle," sagde Brunet. "Vi fandt ud af, at de fleste af generne, der specialiserer sig i diapause hos killifish, er meget ældgamle paraloger, hvilket betyder, at de blev duplikeret i den fælles forfader til alle hvirveldyr."
Da diapause også forekommer hos nogle andre arter af killifish, sammenlignede forskerne genekspression mellem embryoner af den afrikanske turkise killifish, den sydamerikanske killifish (Austrofundulus limnaeus), som også gennemgår diapause, og to killifish-arter, der ikke gennemgår diapause, den røde -stribet killifish (Aphyosemion striatum) og lyretail killifish (Aphyosemion austral).
De fandt betydelig overlapning i genekspressionsmønstre mellem den afrikanske turkise og sydamerikanske killifish, som udviklede diapause uafhængigt af hinanden, men ikke i de to ikke-diapause arter. Ligeledes fandt forskerne signifikant sammenhæng i genekspressionsmønstrene for husmus (Mus musculus) embryoner under diapause og viste, at diapause-specialiserede gener i mus også har en meget gammel oprindelse.
"Dette tyder på, at de samme mekanismer, der muliggør diapause, gentagne gange er blevet valgt til udviklingen af diapause på tværs af fjernt beslægtede arter," siger Singh.
Dernæst undersøgte forskerne, hvordan disse diapause-specialiserede gener reguleres i killifishen. De identificerede flere centrale transkriptionsfaktorer, der styrer de ændrede genekspressionsmønstre, der ses under diapause, inklusive REST og FOXO3, som vides at blive udtrykt under dvale (en anden form for suspenderet animation) hos pattedyr. Navnlig er flere af disse regulatoriske gener involveret i lipidmetabolisme, som har en karakteristisk profil under diapause.
"Et af nøgleelementerne i diapause er denne særlige lipidmetabolisme," sagde Brunet. "Under diapause ser de ud til at have meget højere niveauer af triglycerider og meget langkædede fedtsyrer, som er former for opbevaring og måske også hjælper med langsigtet beskyttelse af organismens membraner."
Forskerne planlægger at fortsætte med at undersøge, hvordan forskellige arter regulerer diapause og at grave dybere ned i lipidmetabolismens rolle under diapause og andre typer af suspenderet animation.
"Det er så kompleks en tilstand, at jeg tror, vi bare ridser i overfladen," sagde Singh. "Vi ønsker at gå dybere ind i specifikke aspekter af, hvordan lipidmetabolisme reguleres under diapause, og vi er også interesserede i at undersøge, hvilken rolle specifikke celletyper spiller under diapause."
Flere oplysninger: Udvikling af diapause i den afrikanske turkise killifish ved at ombygge det gamle genregulerende landskab, Cell (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.04.048. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00474-4
Journaloplysninger: Celle
Leveret af celletryk
Varme artikler
-
Når hanbier ikke er heldige:En sammenhæng mellem fenbuconazol og parringsadfærdKredit:Pixabay/CC0 Public Domain Bier er blandt de vigtigste bestøvere på jorden. De bestøver ikke kun planter med smukke blomster, men også mange afgrøder. Men på trods af insekternes store betydn -
Hvordan græsser som hvede kan vokse i kuldenNy undersøgelse af forholdet mellem medlemmer af den største underfamilie af græs afslører gen-duplikationsbegivenheder (repræsenteret ved farvede kasser), der bidrog til planternes tilpasning til køl -
Restaurering af ikoniske indfødte fugle forårsager problemer i byområderKredit:Victoria University Efter et århundrede langt fravær, kākā blev med succes genindført i Wellington i 2002 - men restaureringen af den ikoniske indfødte fugl har pjusket et par fjer. Kākā -
Hvordan bakterier undslipper bakteriofager in vivoGrafisk abstrakt. Kredit:Cell Host &Microbe (2022). DOI:10.1016/j.chom.2022.03.014 Fagterapi, som bruger vira kendt som bakteriofager til at behandle bakterielle infektioner, er en langvarig medici