Como embriões de killifish usam animação suspensa para sobreviver a mais de 8 meses de seca
Killifish macho. Crédito:Rogelio Barajas e Xiaoai Zhao O killifish turquesa africano vive em lagoas efêmeras no Zimbábue e em Moçambique. Para sobreviver à estação seca anual, os embriões dos peixes entram num estado de extrema animação suspensa ou “diapausa” durante aproximadamente 8 meses.
Agora, os investigadores descobriram os mecanismos que permitiram ao killifish evoluir para este estado extremo de sobrevivência. Eles reportam na revista Cell que embora os killifish tenham evoluído para a diapausa há menos de 18 milhões de anos, eles o fizeram cooptando genes antigos que se originaram há mais de 473 milhões de anos. Através de análises comparativas, a equipa mostrou que padrões semelhantes de expressão genética especializada também são utilizados por outros animais – incluindo o rato doméstico – durante a diapausa.
“Todo o programa é como o dia e a noite – há vida no estado normal e vida no estado de diapausa, e a forma como isso aconteceu foi reorganizando ou religando a região reguladora de todo um conjunto de genes”, diz o autor sênior. e a bióloga molecular Anne Brunet, da Universidade de Stanford.
O killifish turquesa africano amadurece mais rápido do que qualquer outra espécie de vertebrado, e os adultos vivem apenas cerca de 6 meses, mesmo em cativeiro. Os peixes reproduzem-se rapidamente antes que as suas casas aquáticas desapareçam, mas os seus embriões permanecem na lama seca, prontos para eclodir quando chegarem as chuvas do ano seguinte.
A diapausa embrionária também ocorre em outras espécies de vertebrados, incluindo peixes, répteis e alguns mamíferos, mas a diapausa do killifish é notavelmente extrema porque dura um período muito extenso (8 meses em média e até 2 anos no laboratório) e porque os embriões do killifish entram em animação suspensa muito mais tarde no desenvolvimento do que outros animais.
“Está aproximadamente no meio do desenvolvimento, e muitos órgãos já estão formados nessa fase – eles têm um cérebro em desenvolvimento e um coração que para de bater na diapausa e depois começa novamente”, diz o primeiro autor Param Priya Singh, da Universidade da Califórnia, São Francisco.
"Killifish são as únicas espécies de vertebrados que conhecemos que podem sofrer diapausa tão tarde no desenvolvimento."
Para compreender a evolução da diapausa, a equipe primeiro caracterizou a expressão genética do killifish turquesa africano (Nothobranchius furzeri) durante diferentes estágios de desenvolvimento. Eles se concentraram em cópias duplicadas de genes chamados “parálogos”, porque a duplicação genética é um dos principais mecanismos pelos quais novos genes se originam e se especializam.
Par de killifish. Crédito:Rogelio Barajas e Xiaoai Zhao
No geral, os pesquisadores identificaram 6.247 pares parálogos que exibiam padrões especializados de expressão genética durante a diapausa. Surpreendentemente, estimaram que a maioria dos genes especializados em diapausa eram parálogos “muito antigos”, tendo-se originado há mais de 473 milhões de anos.
“Embora a diapausa tenha evoluído há relativamente pouco tempo, os genes especializados na diapausa são realmente antigos”, disse Brunet. “Descobrimos que a maioria dos genes especializados em diapausa em killifish são parálogos muito antigos, o que significa que foram duplicados no ancestral comum de todos os vertebrados”.
Como a diapausa também ocorre em algumas outras espécies de killifish, os pesquisadores compararam a expressão genética entre embriões do killifish turquesa africano, o killifish sul-americano (Austrofundulus limnaeus), que também sofre diapausa, e duas espécies de killifish que não sofrem diapausa, o vermelho -killifish listrado (Aphyosemion striatum) e killifish de cauda de lira (Aphyosemion austral).
Eles encontraram uma sobreposição significativa nos padrões de expressão genética entre o peixe turquesa africano e o killifish sul-americano, que desenvolveram diapausa independentemente um do outro, mas não nas duas espécies não-diapausas. Da mesma forma, os investigadores encontraram uma correlação significativa nos padrões de expressão genética de embriões de ratos domésticos (Mus musculus) durante a diapausa e mostraram que os genes especializados em diapausa em ratos também têm origens muito antigas.
“Isto sugere que os mesmos mecanismos que permitem a diapausa foram repetidamente cooptados para a evolução da diapausa em espécies distantemente relacionadas”, diz Singh.
Em seguida, os pesquisadores exploraram como esses genes especializados em diapausa são regulados nos killifish. Eles identificaram vários fatores-chave de transcrição que controlam os padrões alterados de expressão genética observados durante a diapausa, incluindo REST e FOXO3, que são conhecidos por serem expressos durante a hibernação (uma forma diferente de animação suspensa) em mamíferos. Notavelmente, vários destes genes reguladores estão envolvidos no metabolismo lipídico, que tem um perfil distinto durante a diapausa.
“Um dos elementos-chave da diapausa é este metabolismo lipídico especial”, disse Brunet. “Durante a diapausa, eles parecem ter níveis muito mais elevados de triglicerídeos e ácidos graxos de cadeia muito longa, que são formas de armazenamento e talvez também ajudem na proteção a longo prazo das membranas do organismo”.
Os pesquisadores planejam continuar investigando como diferentes espécies regulam a diapausa e aprofundar o papel do metabolismo lipídico durante a diapausa e outros tipos de animação suspensa.
“É um estado tão complexo que penso que estamos apenas a arranhar a superfície”, disse Singh. “Queremos aprofundar aspectos específicos de como o metabolismo lipídico é regulado durante a diapausa, e também estamos interessados em examinar o papel de tipos específicos de células durante a diapausa”.
