Afrykański turkusowy zabójca żyje w efemerycznych stawach w Zimbabwe i Mozambiku. Aby przetrwać coroczną porę suchą, zarodki ryb wchodzą w stan skrajnego zawieszenia ożywienia, czyli „diapauzy”, na około 8 miesięcy. Teraz badacze odkryli mechanizmy, które umożliwiły zabójcom wyewoluowanie tego ekstremalnego stanu przetrwania. W dzienniku podają 30 maja Komórka że chociaż killifish ewoluował w diapauzę niecałe 18 milionów lat temu, zrobił to poprzez dokooptowanie starożytnych genów, które powstały ponad 473 miliony lat temu. Dzięki analizie porównawczej zespół wykazał, że podobne wyspecjalizowane wzorce ekspresji genów wykorzystują także inne zwierzęta – w tym mysz domowa – podczas diapauzy.

„Cały program jest jak dzień i noc — istnieje życie w stanie normalnym i życie w stanie diapauzy, a stało się to poprzez przetasowanie lub ponowne połączenie regionu regulacyjnego całego zestawu genów” – mówi starszy autor i biolog molekularny Anne Brunet (@BrunetLab) z Uniwersytetu Stanforda.

Afrykański turkusowy zabijak dojrzewa szybciej niż jakikolwiek inny gatunek kręgowców, a dorosłe osobniki żyją tylko około 6 miesięcy, nawet w niewoli. Ryby rozmnażają się szybko, zanim znikną ich wodne domy, ale ich zarodki pozostają w suchym błocie, gotowe do wylęgu, gdy nadejdą przyszłoroczne deszcze. Diapauza embrionalna występuje również u innych gatunków kręgowców, w tym ryb, gadów i niektórych ssaków, ale diapauza zabójców jest wyjątkowo ekstremalna, ponieważ trwa przez tak długi okres (średnio 8 miesięcy i do 2 lat w laboratorium) oraz dlatego, że zarodki zabójców wchodzą w zawieszoną animację znacznie później w rozwoju niż inne zwierzęta.

„Jest mniej więcej w połowie rozwoju i na tym etapie wiele narządów jest już ukształtowanych — mają rozwijający się mózg i serce, które przestaje bić w diapauzie, a następnie zaczyna od nowa” – mówi pierwsza autorka Param Priya Singh (@param_p_singh) Uniwersytet Kalifornijski w San Francisco. „Killifish to jedyny znany nam gatunek kręgowców, który może przejść diapauzę na tak późnym etapie rozwoju”.

Aby zrozumieć ewolucję diapauzy, zespół najpierw scharakteryzował ekspresję genów afrykańskiego zabijaka turkusowego (Nothobranchius furzeri) na różnych etapach rozwoju. Skoncentrowali się na zduplikowanych kopiach genów zwanych „paralogami”, ponieważ duplikacja genów jest jednym z głównych mechanizmów powstawania i specjalizacji nowych genów. W sumie badacze zidentyfikowali 6247 par paralogów, które wykazywały wyspecjalizowane wzorce ekspresji genów podczas diapauzy. Co zaskakujące, oszacowali, że większość genów wyspecjalizowanych w diapauzie to „bardzo starożytne” paralogi, które powstały ponad 473 miliony lat temu.

„Mimo że diapauza wyewoluowała stosunkowo niedawno, geny specjalizujące się w diapauzie są naprawdę starożytne” – powiedział Brunet. „Odkryliśmy, że większość genów odpowiedzialnych za diapauzę u zabijaków to bardzo starożytne paralogi, co oznacza, że ​​zostały zduplikowane u wspólnego przodka wszystkich kręgowców”.

Ponieważ diapauza występuje również u niektórych innych gatunków zabijaków, badacze porównali ekspresję genów pomiędzy zarodkami zabijaka afrykańskiego turkusowego i południowoamerykańskiego zabijaka (Austrofundulus limnaeus), który również przechodzi diapauzę, oraz dwa gatunki Killifish, które nie przechodzą diapauzy, Killifish w czerwone paski (Afiosemiona prążkowia) i lyretail killifish (Australijski afiosemion).

Odkryli znaczące nakładanie się wzorców ekspresji genów u turkusu afrykańskiego i zabijaki z Ameryki Południowej, u których diapauza wyewoluowała niezależnie od siebie, ale nie u dwóch gatunków, które nie przeszły diapauzy. Podobnie naukowcy odkryli istotną korelację we wzorcach ekspresji genów myszy domowej (Mus mięśniowy) zarodków podczas diapauzy i wykazało, że geny specjalizujące się w diapauzie u myszy również mają bardzo starożytne pochodzenie.

„To sugeruje, że te same mechanizmy, które umożliwiają diapauzę, były wielokrotnie wykorzystywane do ewolucji diapauzy u odlegle spokrewnionych gatunków” – mówi Singh.

Następnie badacze zbadali, w jaki sposób geny specjalizujące się w diapauzie są regulowane u zabijaków. Zidentyfikowali kilka kluczowych czynników transkrypcyjnych kontrolujących zmienione wzorce ekspresji genów obserwowane podczas diapauzy, w tym REST i FOXO3, o których wiadomo, że ulegają ekspresji podczas hibernacji (inna forma zawieszonej animacji) u ssaków. Warto zauważyć, że kilka z tych genów regulacyjnych bierze udział w metabolizmie lipidów, który ma charakterystyczny profil podczas diapauzy.

„Jednym z kluczowych elementów diapauzy jest specyficzny metabolizm lipidów” – powiedział Brunet. „Wydaje się, że podczas diapauzy mają znacznie wyższy poziom trójglicerydów i bardzo długołańcuchowych kwasów tłuszczowych, które stanowią formę magazynowania i być może pomagają w długoterminowej ochronie błon organizmu”.

Naukowcy planują kontynuować badania, w jaki sposób różne gatunki regulują diapauzę i głębiej poznać rolę metabolizmu lipidów podczas diapauzy i innych rodzajów zawieszonej animacji.

„To tak złożony stan, że myślę, że dopiero zarysowujemy powierzchnię” – powiedział Singh. „Chcemy zgłębić konkretne aspekty regulacji metabolizmu lipidów podczas diapauzy, interesuje nas także zbadanie roli określonych typów komórek podczas diapauzy”.

###

Badania te były wspierane przez Glenn Foundation for Medical Research, nagrodę NOMIS Distinguished Scientist and Scholar, Stanford Center for Computational, Evolutionary and Human Genomics, National Institutes of Health i National Science Foundation

Komórka, Singh i in. „Ewolucja diapauzy u afrykańskiego zabijaka turkusowego poprzez przebudowę starożytnego krajobrazu regulacyjnego genów”

Komórka (@CellCellPress), flagowe czasopismo Cell Press, jest dwumiesięcznikiem publikującym odkrycia o niezwykłym znaczeniu w każdej dziedzinie biologii eksperymentalnej, w tym między innymi w biologii komórki, biologii molekularnej, neurologii, immunologii, wirusologii i mikrobiologii, nowotworach, genetyce człowieka, biologia systemów, sygnalizacja, mechanizmy chorób i terapie. Odwiedzać Aby otrzymywać powiadomienia o mediach Cell Press, skontaktuj się z nami naciśnij@cell.com.