El killis turquesa africano vive en estanques efímeros en Zimbabwe y Mozambique. Para sobrevivir a la estación seca anual, los embriones de los peces entran en un estado de animación suspendida extrema o "diapausa" durante aproximadamente 8 meses.
Ahora, los investigadores han descubierto los mecanismos que permitieron al killis evolucionar en este estado de supervivencia extremo. Informan en la revista Cell que aunque los killis evolucionaron en diapausa hace menos de 18 millones de años, lo hicieron cooptando genes antiguos que se originaron hace más de 473 millones de años. A través de un análisis comparativo, el equipo demostró que otros animales, incluido el ratón doméstico, también emplean patrones de expresión genética especializados similares durante la diapausa.
"Todo el programa es como el día y la noche:hay vida en estado normal y vida en estado de diapausa, y la forma en que esto sucedió fue reorganizando o reconectando la región reguladora de todo un conjunto de genes", dice el autor principal. y la bióloga molecular Anne Brunet de la Universidad de Stanford.
El killi turquesa africano madura más rápido que cualquier otra especie de vertebrado, y los adultos viven sólo alrededor de 6 meses, incluso en cautiverio. Los peces se reproducen rápidamente antes de que desaparezcan sus hogares acuáticos, pero sus embriones permanecen en el barro seco, listos para nacer cuando lleguen las lluvias del próximo año.
La diapausa embrionaria también ocurre en otras especies de vertebrados, incluidos peces, reptiles y algunos mamíferos, pero la diapausa de los killis es notablemente extrema porque dura un período muy prolongado (8 meses en promedio y hasta 2 años en el laboratorio) y porque los embriones de los killis entran en animación suspendida mucho más tarde en el desarrollo que otros animales.
"Está más o menos en la mitad del desarrollo, y muchos órganos ya están formados en esa etapa:tienen un cerebro en desarrollo y un corazón que deja de latir en diapausa y luego comienza de nuevo", dice el primer autor Param Priya Singh de la Universidad de California. San Francisco.
"Los killis son la única especie de vertebrados que conocemos que puede sufrir una diapausa en una etapa tan tardía de su desarrollo".
Para comprender la evolución de la diapausa, el equipo caracterizó primero la expresión genética del killis turquesa africano (Nothobranchius furzeri) durante diferentes etapas de desarrollo. Se centraron en copias duplicadas de genes llamadas "parálogos", porque la duplicación de genes es uno de los principales mecanismos por los cuales se originan y especializan nuevos genes.
En general, los investigadores identificaron 6.247 pares de parámetros que exhibían patrones de expresión genética especializados durante la diapausa. Sorprendentemente, estimaron que la mayoría de los genes especializados en diapausa eran parálogos "muy antiguos", y se originaron hace más de 473 millones de años.
"Aunque la diapausa evolucionó hace relativamente poco tiempo, los genes especializados en la diapausa son realmente antiguos", afirma Brunet. "Descubrimos que la mayoría de los genes que se especializan en la diapausa en los killis son parálogos muy antiguos, lo que significa que fueron duplicados en el ancestro común de todos los vertebrados".
Dado que la diapausa también ocurre en algunas otras especies de killis, los investigadores compararon la expresión genética entre embriones del killis turquesa africano, el killis sudamericano (Austrofundulus limnaeus), que también sufre diapausa, y dos especies de killis que no sufren diapausa, el rojo. -killis rayados (Aphyosemion striatum) y killis cola de lira (Aphyosemion austral).
Encontraron una superposición significativa en los patrones de expresión genética entre el pez turquesa africano y el killis sudamericano, que evolucionaron en diapausa independientemente uno del otro, pero no en las dos especies que no estaban en diapausa. Asimismo, los investigadores encontraron una correlación significativa en los patrones de expresión genética de embriones de ratón doméstico (Mus musculus) durante la diapausa y demostraron que los genes especializados en diapausa en ratones también tienen orígenes muy antiguos.
"Esto sugiere que los mismos mecanismos que permiten la diapausa han sido cooptados repetidamente para la evolución de la diapausa en especies lejanamente relacionadas", dice Singh.
A continuación, los investigadores exploraron cómo estos genes especializados en diapausa se regulan en los killis. Identificaron varios factores de transcripción clave que controlan los patrones de expresión genética alterados que se observan durante la diapausa, incluidos REST y FOXO3, que se sabe que se expresan durante la hibernación (una forma diferente de animación suspendida) en los mamíferos. En particular, varios de estos genes reguladores están involucrados en el metabolismo de los lípidos, que tiene un perfil distintivo durante la diapausa.
"Uno de los elementos clave de la diapausa es este metabolismo lipídico especial", dijo Brunet. "Durante la diapausa, parecen tener niveles mucho más altos de triglicéridos y ácidos grasos de cadena muy larga, que son formas de almacenamiento y quizás también ayuden a proteger a largo plazo las membranas del organismo".
Los investigadores planean continuar investigando cómo las diferentes especies regulan la diapausa y profundizar en el papel del metabolismo de los lípidos durante la diapausa y otros tipos de animación suspendida.
"Es un estado tan complejo que creo que sólo estamos arañando la superficie", dijo Singh. "Queremos profundizar en aspectos específicos de cómo se regula el metabolismo de los lípidos durante la diapausa, y también estamos interesados en examinar el papel de tipos de células específicos durante la diapausa".
Más información: Evolución de la diapausa en el killis turquesa africano mediante la remodelación del antiguo paisaje regulador de genes, Célula (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.04.048. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00474-4
Información de la revista: Celda
Proporcionado por Cell Press
