Как эмбрионы киллифиш используют анабиоз для выживания в засухе более 8 месяцев
Африканская бирюзовая киллифиш обитает во временных водоёмах Зимбабве и Мозамбика. Чтобы пережить ежегодный сухой сезон, эмбрионы рыбы впадают в состояние крайнего анабиоза или «диапаузы» примерно на 8 месяцев.
Исследователи выяснили механизмы, позволившие киллифиш эволюционировать это экстремальное состояние выживания. В журнале Cell они сообщают, что хотя диапауза у киллифиш развилась менее 18 миллионов лет назад, это произошло за счёт использования древних генов, возникших более 473 миллионов лет назад. Сравнительный анализ показал, что сходные паттерны специализированной экспрессии генов используются и другими животными, включая домовую мышь, во время диапаузы.
«Вся программа — как день и ночь: есть жизнь в нормальном состоянии и жизнь в состоянии диапаузы, и это произошло путём перетасовки или перепрограммирования регуляторных областей целого набора генов», — говорит старший автор, молекулярный биолог Энн Брюне из Стэнфордского университета.
Африканская бирюзовая киллифиш созревает быстрее любого другого вида позвоночных, а взрослые особи живут всего около 6 месяцев даже в неволе. Рыбы быстро размножаются, прежде чем их водные дома исчезнут, но их эмбрионы остаются в сухой грязи, готовые вылупиться с приходом дождей следующего года.
Эмбриональная диапауза встречается и у других видов позвоночных, включая рыб, рептилий и некоторых млекопитающих. Однако диапауза киллифиш исключительно экстремальна из-за своей продолжительности (в среднем 8 месяцев и до 2 лет в лаборатории) и потому, что эмбрионы киллифиш впадают в анабиоз на гораздо более поздней стадии развития.
«Это примерно середина развития, и к этому этапу уже сформировано множество органов — у них есть развивающийся мозг и сердце, которое перестаёт биться в диапаузе, а затем снова запускается», — говорит первый автор Парам Прия Сингх из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. «Киллифиш — единственный известный нам вид позвоночных, способный впадать в диапаузу на столь поздней стадии развития».
Чтобы понять эволюцию диапаузы, команда сначала охарактеризовала экспрессию генов у африканской бирюзовой киллифиш (Nothobranchius furzeri) на разных стадиях развития. Они сосредоточились на дублированных копиях генов — «паралогах», поскольку дупликация генов является одним из основных механизмов возникновения и специализации новых генов.
В целом исследователи идентифицировали 6247 пар паралогов, которые демонстрировали специализированные паттерны экспрессии во время диапаузы. Неожиданно они установили, что большинство генов, специализированных для диапаузы, были «очень древними» паралогами, возникшими более 473 миллионов лет назад.
«Хотя диапауза эволюционировала относительно недавно, гены, специализированные для неё, действительно древние», — сказала Брюне. «Мы обнаружили, что большинство генов, специализирующихся на диапаузе у киллифиш, — это очень древние паралоги, что означает, что они были дублированы у общего предка всех позвоночных».
Поскольку диапауза встречается и у некоторых других видов киллифиш, исследователи сравнили экспрессию генов у эмбрионов африканской бирюзовой киллифиш, южноамериканской киллифиш (Austrofundulus limnaeus), которая также впадает в диапаузу, и двух видов, не впадающих в диапаузу: краснополосой (Aphyosemion striatum) и лирохвостой (Aphyosemion austral) киллифиш.
Они обнаружили значительное совпадение паттернов экспрессии генов у африканской и южноамериканской киллифиш, которые развили диапаузу независимо друг от друга, но не у двух видов без диапаузы. Аналогично, исследователи обнаружили значительную корреляцию в паттернах экспрессии генов у эмбрионов домовой мыши (Mus musculus) во время диапаузы и показали, что гены, специализированные для диапаузы у мышей, также имеют очень древнее происхождение.
«Это говорит о том, что одни и те же механизмы, обеспечивающие диапаузу, неоднократно использовались для её эволюции у далёких друг от друга видов», — говорит Сингх.
Далее исследователи изучили, как регулируются эти гены, специализированные для диапаузы, у киллифиш. Они идентифицировали несколько ключевых транскрипционных факторов, контролирующих изменённые паттерны экспрессии генов во время диапаузы, включая REST и FOXO3, которые, как известно, экспрессируются во время гибернации (другой формы анабиоза) у млекопитающих. Примечательно, что несколько из этих регуляторных генов вовлечены в липидный метаболизм, который имеет отличительный профиль во время диапаузы.
«Один из ключевых элементов диапаузы — это особый липидный метаболизм», — сказала Брюне. «Во время диапаузы у них, по-видимому, гораздо выше уровень триглицеридов и жирных кислот с очень длинной цепью, которые являются формами хранения и, возможно, также способствуют долгосрочной защите мембран организма».
Исследователи планируют продолжить изучение того, как разные виды регулируют диапаузу, и глубже изучить роль липидного метаболизма во время диапаузы и других типов анабиоза.
«Это настолько сложное состояние, что, думаю, мы лишь царапаем поверхность», — сказал Сингх. «Мы хотим глубже изучить конкретные аспекты регуляции липидного метаболизма во время диапаузы, а также нас интересует роль специфических типов клеток во время диапаузы».