Comment les embryons de killifish utilisent l'animation suspendue pour survivre pendant 8 mois de sécheresse

Le killifish turquoise africain vit dans des étangs éphémères au Zimbabwe et au Mozambique. Pour survivre à la saison sèche annuelle, les embryons de poisson entrent dans un état d'animation suspendue extrême ou « diapause » pendant environ 8 mois.

Aujourd’hui, les chercheurs ont découvert les mécanismes qui ont permis au killifish d’évoluer vers cet état de survie extrême. Ils rapportent dans le journal Cellule que, bien que les killifish aient évolué en diapause il y a moins de 18 millions d'années, ils l'ont fait en cooptant d'anciens gènes apparus il y a plus de 473 millions d'années. Grâce à une analyse comparative, l'équipe a montré que des modèles d'expression génétique spécialisés similaires sont également utilisés par d'autres animaux, y compris la souris domestique, pendant la diapause.

“L'ensemble du programme est comme le jour et la nuit : il y a la vie à l'état normal et la vie à l'état de diapause, et cela s'est produit en remaniant ou en recâblant la région régulatrice de tout un ensemble de gènes”, explique l'auteur principal. et la biologiste moléculaire Anne Brunet de l'Université de Stanford.

Le killifish turquoise africain mûrit plus rapidement que toute autre espèce de vertébré, et les adultes ne vivent qu'environ 6 mois, même en captivité. Les poissons se reproduisent rapidement avant que leurs habitats aquatiques ne disparaissent, mais leurs embryons restent dans la boue sèche, prêts à éclore lorsque les pluies de l'année suivante arriveront.

La diapause embryonnaire se produit également chez d'autres espèces de vertébrés, notamment les poissons, les reptiles et certains mammifères, mais la diapause des killifish est remarquablement extrême car elle dure pendant une période très longue (8 mois en moyenne et jusqu'à 2 ans en laboratoire) et parce que les embryons de killifish entrent dans l’animation suspendue beaucoup plus tard dans leur développement que les autres animaux.

“Nous sommes à peu près au milieu du développement, et de nombreux organes sont déjà formés à ce stade : ils ont un cerveau en développement et un cœur qui arrête de battre en diapause puis recommence”, explique le premier auteur Param Priya Singh de l'Université de Californie. San Francisco.

“Les fondules sont les seules espèces de vertébrés que nous connaissons qui peuvent subir une diapause si tard dans leur développement.”

Pour comprendre l'évolution de la diapause, l'équipe a d'abord caractérisé l'expression génique du killifish turquoise africain (Nothobranchius furzeri) au cours de différents stades de développement. Ils se sont concentrés sur des copies dupliquées de gènes appelées « paralogues », car la duplication des gènes est l'un des principaux mécanismes par lesquels les nouveaux gènes naissent et se spécialisent.

Dans l’ensemble, les chercheurs ont identifié 6 247 paires de paralogues présentant des modèles d’expression génique spécialisés pendant la diapause. Étonnamment, ils ont estimé que la plupart des gènes spécialisés dans la diapause étaient des paralogues « très anciens », apparus il y a plus de 473 millions d’années.

“Même si la diapause a évolué relativement récemment, les gènes spécialisés dans la diapause sont très anciens”, a déclaré Brunet. “Nous avons découvert que la plupart des gènes spécialisés dans la diapause chez le killifish sont des paralogues très anciens, ce qui signifie qu'ils ont été dupliqués chez l'ancêtre commun de tous les vertébrés.”

Étant donné que la diapause se produit également chez certaines autres espèces de killifish, les chercheurs ont comparé l'expression génétique entre les embryons du killifish turquoise africain, le killifish sud-américain (Austrofundulus limnaeus), qui subit également une diapause, et deux espèces de killifish qui ne subissent pas de diapause, le poisson rouge. -le killifish rayé (Aphyosemion striatum) et le killifish lyretail (Aphyosemion austral).

Ils ont trouvé un chevauchement significatif dans les modèles d'expression génétique entre le poisson turquoise africain et le killifish sud-américain, qui ont évolué en diapause indépendamment l'un de l'autre, mais pas chez les deux espèces non diapausées. De même, les chercheurs ont trouvé une corrélation significative dans les modèles d’expression génique des embryons de souris domestique (Mus musculus) pendant la diapause et ont montré que les gènes spécialisés dans la diapause chez la souris ont également des origines très anciennes.

“Cela suggère que les mêmes mécanismes qui permettent la diapause ont été récupérés à plusieurs reprises pour l'évolution de la diapause chez des espèces éloignées”, explique Singh.

Ensuite, les chercheurs ont exploré comment ces gènes spécialisés en diapause sont régulés chez le killifish. Ils ont identifié plusieurs facteurs de transcription clés qui contrôlent les modèles d'expression génique modifiés observés pendant la diapause, notamment REST et FOXO3, connus pour être exprimés pendant l'hibernation (une forme différente d'animation suspendue) chez les mammifères. Notamment, plusieurs de ces gènes régulateurs sont impliqués dans le métabolisme des lipides, qui présente un profil distinctif lors de la diapause.

“L'un des éléments clés de la diapause est ce métabolisme lipidique particulier”, a déclaré Brunet. “Pendant la diapause, ils semblent avoir des niveaux beaucoup plus élevés de triglycérides et d'acides gras à très longue chaîne, qui sont des formes de stockage et peuvent aussi contribuer à la protection à long terme des membranes de l'organisme.”

Les chercheurs prévoient de continuer à étudier comment différentes espèces régulent la diapause et d’approfondir le rôle du métabolisme lipidique pendant la diapause et d’autres types d’animation suspendue.

“C'est un État tellement complexe que je pense que nous ne faisons qu'effleurer la surface”, a déclaré Singh. “Nous souhaitons approfondir des aspects spécifiques de la façon dont le métabolisme des lipides est régulé pendant la diapause, et nous souhaitons également examiner le rôle de types de cellules spécifiques pendant la diapause.”