Wetenschap
Hoe killifish-embryo's schijndood gebruiken om acht maanden van droogte te overleven
De Afrikaanse turquoise killifish leeft in kortstondige vijvers in Zimbabwe en Mozambique. Om het jaarlijkse droge seizoen te overleven, komen de embryo's van de vis gedurende ongeveer 8 maanden in een staat van extreme uitgestelde animatie of "diapauze".
Nu hebben onderzoekers de mechanismen blootgelegd die de killivis in staat stelden deze extreme overlevingsstaat te ontwikkelen. Ze rapporteren in het tijdschrift Cell dat hoewel killivissen minder dan 18 miljoen jaar geleden de diapauze ontwikkelden, ze dit deden door oude genen te coöpteren die meer dan 473 miljoen jaar geleden ontstonden. Via vergelijkende analyses heeft het team aangetoond dat vergelijkbare gespecialiseerde genexpressiepatronen ook worden gebruikt door andere dieren, waaronder de huismuis, tijdens de diapauze.
"Het hele programma is als dag en nacht:er is leven in de normale toestand en leven in de diapauze-toestand, en de manier waarop dit gebeurde was door het regulerende gebied van een hele reeks genen te herschikken of opnieuw te bedraden", zegt senior auteur en moleculair bioloog Anne Brunet van Stanford University.
Afrikaanse turquoise killifish rijpen sneller dan welke andere gewervelde soort dan ook, en volwassenen leven slechts ongeveer zes maanden, zelfs in gevangenschap. De vissen planten zich snel voort voordat hun waterige huizen verdwijnen, maar hun embryo's blijven achter in de droge modder, klaar om uit te komen als de regen van volgend jaar komt.
Embryonale diapauze komt ook voor bij andere gewervelde soorten, waaronder vissen, reptielen en sommige zoogdieren, maar de diapauze van killifish is opmerkelijk extreem omdat deze zo lang duurt (gemiddeld 8 maanden en tot 2 jaar in het laboratorium) en omdat embryo's van killifish komen veel later in de ontwikkeling van de schijndood terecht dan andere dieren.
"Het bevindt zich ongeveer midden in de ontwikkeling, en veel organen zijn in dat stadium al gevormd; ze hebben een zich ontwikkelend brein en een hart dat stopt met kloppen tijdens de diapauze en dan opnieuw begint", zegt eerste auteur Param Priya Singh van de Universiteit van Californië. San Francisco.
"Killifish is de enige gewervelde soort die we kennen die zo laat in de ontwikkeling een diapauze kan ondergaan."
Om de evolutie van de diapauze te begrijpen, karakteriseerde het team eerst de genexpressie van de Afrikaanse turquoise killifish (Nothobranchius furzeri) tijdens verschillende ontwikkelingsstadia. Ze concentreerden zich op gedupliceerde kopieën van genen die 'paralogen' worden genoemd, omdat genduplicatie een van de belangrijkste mechanismen is waardoor nieuwe genen ontstaan en zich specialiseren.
In totaal identificeerden de onderzoekers 6.247 paralogparen die gespecialiseerde genexpressiepatronen vertoonden tijdens de diapauze. Verrassend genoeg schatten ze dat de meeste van de in diapauze gespecialiseerde genen "zeer oude" paralogen waren, die meer dan 473 miljoen jaar geleden ontstonden.
"Hoewel de diapauze relatief recent is geëvolueerd, zijn de genen die gespecialiseerd zijn in diapauze heel oud", zegt Brunet. "We ontdekten dat de meeste genen die gespecialiseerd zijn in diapauze bij killivissen zeer oude paralogen zijn, wat betekent dat ze werden gedupliceerd in de gemeenschappelijke voorouder van alle gewervelde dieren."
Omdat diapauze ook voorkomt bij sommige andere soorten killivissen, vergeleken de onderzoekers de genexpressie tussen embryo's van de Afrikaanse turquoise killivis, de Zuid-Amerikaanse killivis (Austrofundulus limnaeus), die ook diapauze ondergaat, en twee soorten killivissen die geen diapauze ondergaan, de rode -gestreepte killivis (Aphyosemion striatum) en lyretail-killifish (Aphyosemion austral).
Ze vonden een significante overlap in genexpressiepatronen tussen de Afrikaanse turkoois en de Zuid-Amerikaanse killifish, die onafhankelijk van elkaar een diapauze ontwikkelden, maar niet bij de twee niet-diapauzerende soorten. Op dezelfde manier vonden de onderzoekers een significante correlatie in de genexpressiepatronen van embryo's van huismuizen (Mus musculus) tijdens diapauze en toonden aan dat diapauze-gespecialiseerde genen bij muizen ook een zeer oude oorsprong hebben.
"Dit suggereert dat dezelfde mechanismen die diapauze mogelijk maken herhaaldelijk zijn gecoöpteerd voor de evolutie van diapauze bij ver verwante soorten", zegt Singh.
Vervolgens onderzochten de onderzoekers hoe deze diapauze-gespecialiseerde genen worden gereguleerd in de killifish. Ze identificeerden verschillende belangrijke transcriptiefactoren die de veranderde genexpressiepatronen controleren die worden waargenomen tijdens de diapauze, waaronder REST en FOXO3, waarvan bekend is dat ze tot expressie komen tijdens de winterslaap (een andere vorm van schijndood) bij zoogdieren. Opvallend is dat verschillende van deze regulerende genen betrokken zijn bij het lipidenmetabolisme, dat een onderscheidend profiel heeft tijdens de diapauze.
"Een van de belangrijkste elementen van diapauze is dit speciale lipidenmetabolisme", zegt Brunet. "Tijdens de diapauze lijken ze veel hogere niveaus van triglyceriden en vetzuren met een zeer lange keten te hebben, wat vormen van opslag zijn en misschien ook helpen bij de langdurige bescherming van de membranen van het organisme."
De onderzoekers zijn van plan verder te onderzoeken hoe verschillende soorten de diapauze reguleren en dieper in te gaan op de rol van het lipidenmetabolisme tijdens diapauze en andere vormen van schijndood.
"Het is zo'n complexe situatie dat ik denk dat we nog maar aan de oppervlakte staan", zei Singh. "We willen dieper ingaan op specifieke aspecten van hoe het lipidenmetabolisme wordt gereguleerd tijdens de diapauze, en we zijn ook geïnteresseerd in het onderzoeken van de rol van specifieke celtypen tijdens de diapauze."