L’animazione sospesa di Killifish

Come gli embrioni di Killifish utilizzano l’animazione sospesa per sopravvivere a più di 8 mesi di siccità

Il killifish turchese africano utilizza una strategia unica per sopravvivere alla diapausa, sfruttando antichi geni per resistere alle stagioni secche. Questo meccanismo comporta una pausa temporanea nello sviluppo embrionale, che poi riprende. La ricerca suggerisce anche modelli genetici simili in altre condizioni Classificaresuggerendo una caratteristica evolutiva comune dell’animazione sospesa.

Animazione appesa turchese africano

Gli stagni effimeri dello Zimbabwe e del Mozambico ospitano i killifish turchesi africani. Per sopravvivere alla stagione secca annuale, gli embrioni dei pesci entrano in uno stato di estrema motilità, o “diapausa”, per circa 8 mesi.

Un nuovo studio ha rivelato gli adattamenti evolutivi che consentono ai killifish di mantenere questa straordinaria tattica di sopravvivenza. Pubblicato il 30 maggio sulla rivista celluleI risultati suggeriscono che i killifish hanno sviluppato la capacità di diapausa meno di 18 milioni di anni fa attraverso la selezione di geni antichi apparsi più di 473 milioni di anni fa. Analisi comparative mostrano anche che modelli simili di espressione genetica durante la diapausa si trovano in altri animali, compreso il topo domestico.

“L’intero programma è come il giorno e la notte: c’è la vita nello stato normale e la vita nello stato dormiente, e ciò è avvenuto modificando o ricablando la regione regolatrice di ciascun insieme di geni”, spiega l’autore principale. e la biologa molecolare Anne Brunet dell’Università di Stanford.

Maturazione e riproduzione rapida dei killifish

I killifish turchesi africani maturano più rapidamente di qualsiasi altra specie di vertebrati e gli adulti vivono solo circa 6 mesi, anche in cattività. I pesci si riproducono rapidamente prima che il loro habitat acquatico scompaia, ma i loro embrioni rimangono nel fango secco, pronti a schiudersi quando arrivano le piogge dell’anno successivo. La diapausa embrionale si verifica anche in altre specie di vertebrati, inclusi pesci, rettili e alcuni mammiferi, ma la diapausa letale è notevolmente grave perché dura per un tempo molto lungo (8 mesi in media e fino a 2 anni in vitro) e perché entra in sospensione animazione degli embrioni di killifish in molto ritardo nel loro sviluppo rispetto ad altri animali.

“Siamo circa a metà dell’evoluzione e molti organi sono già formati a questo punto: hanno un cervello in via di sviluppo e un cuore che smette di battere in uno stato di latenza e poi ricomincia”, afferma il primo autore Param Priya Singh di l’Università della California, California. San Francisco. “I capretti sono le uniche specie di vertebrati di cui siamo a conoscenza che possono subire la diapausa così tardi nello sviluppo.”

Killifish maschio. Crediti: Rogelio Barajas e Xiaowei Zhao

Analisi genetica dettagliata durante il periodo di latenza

Per comprendere lo sviluppo della diapausa, il gruppo di ricerca ha prima caratterizzato l’espressione genetica del killifish turchese africano (Nothopranchius forzerii) durante le diverse fasi dello sviluppo. Si sono concentrati su copie duplicate di geni chiamati “paraloghi” perché la duplicazione genetica è uno dei principali meccanismi attraverso i quali nascono e si specializzano nuovi geni. Nel complesso, i ricercatori hanno identificato 6.247 coppie paralog che mostrano modelli specializzati di espressione genetica durante la diapausa. Sorprendentemente, hanno stimato che la maggior parte dei geni specializzati nel cumino fossero geni quasi “molto antichi”, apparsi più di 473 milioni di anni fa.

“Sebbene la diapausa si sia evoluta relativamente di recente, i geni specializzati nella diapausa sono molto antichi”, ha detto Brunet. “Abbiamo scoperto che la maggior parte dei geni specifici del cumino nei killifish sono omologhi molto antichi, nel senso che sono stati duplicati nell’antenato comune di tutti loro. Vertebrati»

Analisi comparativa tra specie

Poiché la diapausa si verifica anche in alcune altre specie di killifish, i ricercatori hanno confrontato l’espressione genetica tra embrioni di killifish turchesi africani ed embrioni di killifish sudamericani (Austrofundulus limnaeus), che subisce anch’esso un periodo di diapausa, e ci sono due tipi di killifish che non subiscono un periodo di diapausa, che sono i killifish a strisce rosse (Grafico dell’aphyosemion) e il Killifish lyretail (Aphyosemion Australia).

Hanno trovato una significativa sovrapposizione nei modelli di espressione genetica tra il pesce turchese africano e il killifish sudamericano, che hanno evoluto la diapausa indipendentemente l’uno dall’altro, ma non nelle due specie non ibernate. Allo stesso modo, i ricercatori hanno trovato una correlazione significativa nei modelli di espressione genetica del topo domestico (Muscolo del topo) di embrioni durante la diapausa e hanno dimostrato che anche i geni specializzati per la diapausa nei topi hanno origini molto antiche.

“Ciò suggerisce che gli stessi meccanismi che consentono la diapausa sono stati ripetutamente selezionati per l’evoluzione della diapausa in specie lontanamente imparentate”, afferma Singh.

Successivamente, i ricercatori hanno esplorato il modo in cui questi geni specifici della latenza sono regolati nei killifish. Hanno identificato diversi fattori chiave di trascrizione che controllano i modelli alterati di espressione genetica osservati durante la diapausa, tra cui REST e FOXO3, che sono noti per essere espressi durante la diapausa (una variazione dell’animazione sospesa) nei mammiferi. In particolare, molti di questi geni regolatori sono coinvolti nel metabolismo dei lipidi, che mostra un profilo distinto durante il periodo di latenza.

“Uno degli elementi chiave della latenza è il metabolismo dei grassi”, ha detto Brunet. “Durante la latenza, sembrano avere livelli molto più elevati di trigliceridi e di acidi grassi a catena molto lunga, che sono forme di deposito e possono anche contribuire alla protezione a lungo termine delle membrane del corpo”.

Direzioni future nella ricerca quantitativa

Il team intende studiare ulteriormente come vengono regolati i diversi tipi di diapausa e approfondire il ruolo del metabolismo dei grassi durante la diapausa e altri tipi di animazione sospesa.

“È un caso molto complesso e penso che stiamo solo grattando la superficie”, ha detto Singh. “Vogliamo approfondire aspetti specifici della regolazione del metabolismo dei lipidi durante la diapausa e vogliamo anche esaminare il ruolo di specifici tipi di cellule durante la diapausa”.

Questa ricerca è stata sostenuta dalla Glenn Medical Research Foundation, dal NOMIS Distinguished Scientist and Researcher Award, dallo Stanford Center for Computational, Evolutionary and Human Genomics e dalla NOMIS Foundation. Istituto Nazionale della Saluteet al National Science Foundation