Den afrikanska turkosa köldfisken lever i tillfälliga dammar i Zimbabwe och Moçambique. För att överleva den årliga torrperioden går fiskens embryon in i ett tillstånd av extrem svävande animation eller "diapaus" i cirka 8 månader.
Nu har forskare avslöjat mekanismerna som gjorde det möjligt för killifishen att utveckla detta extrema överlevnadstillstånd. De rapporterar i tidskriften Cell att även om killifish utvecklade diapause för mindre än 18 miljoner år sedan, gjorde de det genom att samarbeta med forntida gener som uppstod för mer än 473 miljoner år sedan. Genom jämförande analys visade teamet att liknande specialiserade genuttrycksmönster också används av andra djur – inklusive husmusen – under diapaus.
"Hela programmet är som dag och natt - det finns liv i det normala tillståndet och liv i diapaustillståndet, och sättet detta hände var genom att blanda om eller koppla om den reglerande regionen för en hel uppsättning gener", säger senior författare och molekylärbiolog Anne Brunet från Stanford University.
Afrikansk turkos killifish mognar snabbare än någon annan ryggradsdjursart, och vuxna lever bara i cirka 6 månader, även i fångenskap. Fiskarna förökar sig snabbt innan deras vattniga hem försvinner, men deras embryon ligger kvar i den torra leran, redo att kläckas när nästa års regn kommer.
Embryonal diapause förekommer även hos andra ryggradsdjur, inklusive fiskar, reptiler och vissa däggdjur, men killifish diapause är anmärkningsvärt extrem eftersom den varar under en så lång period (8 månader i genomsnitt och upp till 2 år i labbet) och eftersom killifish embryon ange suspenderad animation mycket senare i utvecklingen än andra djur.
"Det är ungefär mitt i utvecklingen, och många organ bildas redan i det stadiet - de har en hjärna under utveckling och ett hjärta som slutar slå i diapaus och sedan börjar igen", säger första författaren Param Priya Singh vid University of California, San Francisco.
"Killifish är den enda ryggradsdjursart som vi känner till som kan genomgå diapause så sent i utvecklingen."
För att förstå diapause-evolutionen karakteriserade teamet först genuttrycket för den afrikanska turkosa killifishen (Nothobranchius furzeri) under olika utvecklingsstadier. De fokuserade på duplicerade kopior av gener som kallas "paraloger", eftersom genduplicering är en av de primära mekanismerna genom vilka nya gener uppstår och specialiserar sig.
Sammantaget identifierade forskarna 6 247 paralogpar som uppvisade specialiserade genuttrycksmönster under diapaus. Överraskande nog uppskattade de att de flesta av de diapause-specialiserade generna var "mycket uråldriga" paraloger, som har sitt ursprung för mer än 473 miljoner år sedan.
"Även om diapaus har utvecklats relativt nyligen, är generna som är specialiserade på diapause verkligen uråldriga," sa Brunet. "Vi fann att de flesta gener som är specialiserade på diapause hos killifish är mycket gamla paraloger, vilket betyder att de duplicerades i den gemensamma förfadern till alla ryggradsdjur."
Eftersom diapaus även förekommer hos några andra arter av köldfiskar, jämförde forskarna genuttryck mellan embryon av den afrikanska turkosa köldfisken, den sydamerikanska köldfisken (Austrofundulus limnaeus), som också genomgår diapaus, och två köldfiskarter som inte genomgår diapaus, den röda -randig killifish (Aphyosemion striatum) och lyretail killifish (Aphyosemion austral).
De fann betydande överlappning i genuttrycksmönster mellan den afrikanska turkosa och den sydamerikanska killifishen, som utvecklades diapaus oberoende av varandra, men inte i de två icke-diapausing arterna. Likaså fann forskarna signifikant korrelation i genuttrycksmönstren för husmus (Mus musculus) embryon under diapause och visade att diapause-specialiserade gener i möss också har mycket gamla ursprung.
"Detta tyder på att samma mekanismer som möjliggör diapaus upprepade gånger har samordnats för utvecklingen av diapaus över avlägset besläktade arter", säger Singh.
Därefter undersökte forskarna hur dessa diapause-specialiserade gener regleras i killifishen. De identifierade flera viktiga transkriptionsfaktorer som styr de förändrade genuttrycksmönstren som ses under diapaus, inklusive REST och FOXO3, som är kända för att uttryckas under viloläge (en annan form av suspenderad animation) hos däggdjur. Noterbart är att flera av dessa reglerande gener är involverade i lipidmetabolism, som har en distinkt profil under diapaus.
"En av nyckelelementen i diapaus är denna speciella lipidmetabolism," sa Brunet. "Under diapaus verkar de ha mycket högre nivåer av triglycerider och mycket långkedjiga fettsyror, vilket är former av lagring och kanske också hjälper till med långsiktigt skydd av organismens membran."
Forskarna planerar att fortsätta undersöka hur olika arter reglerar diapaus och att gräva djupare in i lipidmetabolismens roll under diapaus och andra typer av suspenderad animation.
"Det är ett så komplext tillstånd att jag tror att vi bara skrapar på ytan," sa Singh. "Vi vill gå djupare in på specifika aspekter av hur lipidmetabolismen regleras under diapaus, och vi är också intresserade av att undersöka vilken roll specifika celltyper har under diapaus."
Mer information: Utveckling av diapause hos den afrikanska turkosa killifishen genom att omforma det gamla genreglerande landskapet, Cell (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.04.048. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00474-4
Journalinformation: Cell
Tillhandahålls av Cell Press
