Il killifish turchese africano vive negli stagni effimeri dello Zimbabwe e del Mozambico. Per sopravvivere alla stagione secca annuale, gli embrioni dei pesci entrano in uno stato di animazione sospesa estrema o "diapausa" per circa 8 mesi.
Ora, i ricercatori hanno scoperto i meccanismi che hanno permesso ai killifish di evolvere questo stato di sopravvivenza estremo. Riferiscono nel diario Cell che, sebbene i killifish abbiano sviluppato la diapausa meno di 18 milioni di anni fa, lo hanno fatto cooptando geni antichi che hanno avuto origine più di 473 milioni di anni fa. Attraverso un'analisi comparativa, il team ha dimostrato che modelli di espressione genetica specializzati simili sono impiegati anche da altri animali, incluso il topo domestico, durante la diapausa.
"L'intero programma è come il giorno e la notte:c'è la vita nello stato normale e la vita nello stato di diapausa, e il modo in cui ciò è avvenuto è stato rimescolando o ricablando la regione regolatrice di un intero insieme di geni", afferma l'autore senior e la biologa molecolare Anne Brunet dell'Università di Stanford.
I killifish turchesi africani maturano più velocemente di qualsiasi altra specie di vertebrati e gli adulti vivono solo circa 6 mesi, anche in cattività. I pesci si riproducono rapidamente prima che le loro case acquose scompaiano, 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 dei killifish è straordinariamente estrema perché dura per un periodo molto lungo (8 mesi in media e fino a 2 anni in laboratorio) e perché gli embrioni di killifish entrano nell'animazione sospesa molto più tardi nello sviluppo rispetto ad altri animali.
"È più o meno a metà dello sviluppo e molti organi sono già formati in quello stadio:hanno un cervello in via di sviluppo e un cuore che smette di battere in diapausa e poi ricomincia", afferma il primo autore Param Priya Singh dell'Università della California, San Francisco.
"I killifish sono le uniche specie di vertebrati di cui siamo a conoscenza che possono andare incontro alla diapausa così tardi nello sviluppo."
Per comprendere l'evoluzione della diapausa, il team ha innanzitutto caratterizzato l'espressione genetica del killifish turchese africano (Nothobranchius furzeri) durante diversi stadi di sviluppo. Si sono concentrati su copie duplicate di geni chiamate "paraloghi", perché la duplicazione genetica è uno dei meccanismi principali attraverso i quali i nuovi geni hanno origine e si specializzano.
Nel complesso, i ricercatori hanno identificato 6.247 coppie paralog che mostravano modelli di espressione genetica specializzati durante la diapausa. Sorprendentemente, hanno stimato che la maggior parte dei geni specializzati nella diapausa fossero paraloghi "molto antichi", avendo avuto origine più di 473 milioni di anni fa.
"Anche se la diapausa si è evoluta in tempi relativamente recenti, i geni specializzati nella diapausa sono molto antichi", ha detto Brunet. "Abbiamo scoperto che la maggior parte dei geni specializzati nella diapausa nei killifish sono paraloghi molto antichi, il che significa che sono stati duplicati nell'antenato comune di tutti i vertebrati."
Poiché la diapausa si verifica anche in alcune altre specie di killifish, i ricercatori hanno confrontato l'espressione genetica tra embrioni del killifish turchese africano, del killifish sudamericano (Austrofundulus limnaeus), che va anch'esso in diapausa, e di due specie di killifish che non vanno in diapausa, il killifish rosso -killifish striato (Aphyosemion striatum) e killifish coda a lira (Aphyosemion austral).
Hanno trovato una significativa sovrapposizione nei modelli di espressione genetica tra il turchese africano e il killifish sudamericano, che hanno evoluto la diapausa indipendentemente l’uno dall’altro, ma non nelle due specie non in diapausa. Allo stesso modo, i ricercatori hanno trovato una correlazione significativa nei modelli di espressione genetica degli embrioni di topo domestico (Mus musculus) durante la diapausa e hanno dimostrato che anche i geni specializzati nella diapausa nei topi hanno origini molto antiche.
"Ciò suggerisce che gli stessi meccanismi che consentono la diapausa sono stati ripetutamente cooptati per l'evoluzione della diapausa tra specie lontanamente imparentate", afferma Singh.
Successivamente, i ricercatori hanno esplorato il modo in cui questi geni specializzati nella diapausa sono regolati nei killifish. Hanno identificato diversi fattori chiave di trascrizione che controllano i modelli di espressione genetica alterati osservati durante la diapausa, tra cui REST e FOXO3, che sono noti per essere espressi durante l'ibernazione (una diversa forma di animazione sospesa) nei mammiferi. In particolare, molti di questi geni regolatori sono coinvolti nel metabolismo dei lipidi, che ha un profilo distintivo durante la diapausa.
"Uno degli elementi chiave della diapausa è questo speciale metabolismo dei lipidi", ha detto Brunet. "Durante la diapausa, sembrano avere livelli molto più alti di trigliceridi e di acidi grassi a catena molto lunga, che sono forme di deposito e forse aiutano anche con la protezione a lungo termine delle membrane dell'organismo."
I ricercatori intendono continuare a studiare il modo in cui le diverse specie regolano la diapausa e approfondire il ruolo del metabolismo dei lipidi durante la diapausa e altri tipi di animazione sospesa.
"È uno stato così complesso che penso che stiamo solo grattando la superficie", ha detto Singh. "Vogliamo approfondire aspetti specifici di come viene regolato il metabolismo dei lipidi durante la diapausa e siamo anche interessati a esaminare il ruolo di specifici tipi di cellule durante la diapausa."
Ulteriori informazioni: Evoluzione della diapausa nel killifish turchese africano rimodellando l'antico panorama genetico regolatorio, Cell (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.04.048. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00474-4
Informazioni sul giornale: Cella
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