鳉魚胚胎“假死”求生

非洲藍(lán)綠鳉生活在津巴布韋和莫桑比克的小水洼里。為了度過每年的旱季，鳉魚胚胎會進(jìn)入一種極端的假死狀態(tài)或大約8個月的滯育期?，F(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了鳉魚進(jìn)化出這種極端生存狀態(tài)的機(jī)制。相關(guān)研究近日發(fā)表于《細(xì)胞》。

盡管鳉魚在不到1800萬年前就進(jìn)化出了滯育，但它們是通過選擇起源于4.73億年前的古老基因來做到這一點(diǎn)的。通過對比分析，研究小組發(fā)現(xiàn)，家鼠等其他動物在滯育期也有類似的特殊基因表達(dá)模式。

“整個過程就像白天和黑夜一樣——生命既可以處于正常狀態(tài)，也能處于滯育狀態(tài)，這是通過重組或重寫一整套基因的調(diào)控區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、美國斯坦福大學(xué)分子生物學(xué)家Anne Brunet說。

非洲藍(lán)綠鳉的成熟速度比其他任何脊椎動物都要快，即使在圈養(yǎng)環(huán)境下，成年鳉也只能活6個月左右。在它們的水棲家園消失之前，這種魚會迅速繁殖，但胚胎會被留在干燥的泥土里，并準(zhǔn)備在明年雨季到來時孵化。胚胎滯育也發(fā)生在其他脊椎動物物種中，包括魚類、爬行動物和一些哺乳動物，但鳉魚的滯育非常極端，因?yàn)樗掷m(xù)時間很長——平均8個月，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中最長可達(dá)2年，而且胚胎在發(fā)育過程中進(jìn)入假死狀態(tài)的時間比其他動物晚得多。

“鳉魚滯育大約在胚胎發(fā)育的中期，在這個階段，許多器官已經(jīng)形成了——它們有一個發(fā)育中的大腦和一個在滯育期停止跳動然后會重新開始跳動的心臟。鳉魚是我們所知道的唯一一種可以在發(fā)育得如此晚的時候經(jīng)歷滯育的脊椎動物。”論文第一作者、美國加州大學(xué)舊金山分校的Param Priya Singh說。

為了解滯育的進(jìn)化，該團(tuán)隊(duì)首先表征了非洲藍(lán)綠鳉不同發(fā)育階段的基因表達(dá)。他們關(guān)注了旁系同源基因的復(fù)制基因，因?yàn)榛驈?fù)制是新基因產(chǎn)生和特化的主要機(jī)制之一?？傮w而言，研究人員確定了6247對在滯育期表現(xiàn)出特殊基因表達(dá)模式的平行對。令人驚訝的是，他們估計大多數(shù)滯育特異性基因都是“非常古老的”旁系同源基因，起源于4.73億多年前。

“盡管滯育的進(jìn)化相對較晚，但滯育特異性基因確實(shí)很古老。”Brunet說，“我們發(fā)現(xiàn)，鳉魚的大多數(shù)此類基因都是非常古老的旁系同源基因，這意味著它們在所有脊椎動物的共同祖先中都有復(fù)制?！?/p>

由于滯育也發(fā)生在其他種類的鳉魚中，研究人員比較了非洲藍(lán)綠鳉、同樣經(jīng)歷滯育的南美鳉和兩種不經(jīng)歷滯育的紅紋鳉和琴尾旗鳉胚胎的基因表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)非洲藍(lán)綠鳉和南美鳉的基因表達(dá)模式有明顯的重疊，雖然這兩種鳉魚各自獨(dú)立地進(jìn)化出了滯育，不過在兩種非滯育物種中卻沒有。此外，研究人員還在家鼠胚胎滯育期的基因表達(dá)模式中發(fā)現(xiàn)了顯著的相關(guān)性，并發(fā)現(xiàn)家鼠的滯育特異性基因也有非常古老的起源。

Singh說：“這表明，在遠(yuǎn)親物種的滯育進(jìn)化中，使滯育成為可能的相同機(jī)制曾被反復(fù)采用?！?/p>

接下來，研究人員探索了這些滯育特異性基因在鳉魚體內(nèi)是如何被調(diào)節(jié)的。他們確定了REST和FOXO3等幾個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，這些轉(zhuǎn)錄因子控制著滯育期基因表達(dá)模式的改變。而且，REST和FOXO3已知在哺乳動物的冬眠（一種不同形式的假死）期間表達(dá)。值得注意的是，這些調(diào)節(jié)基因中有幾個參與脂質(zhì)代謝，后者在滯育期具有獨(dú)特的特征。

“滯育的關(guān)鍵因素之一是這種特殊的脂質(zhì)代謝?！盉runet說，“在滯育期間，生物體的甘油三酯和長鏈脂肪酸水平似乎要高得多，這是一種儲存形式，也可能有助于長期保護(hù)生物體的細(xì)胞膜?！?/p>

研究人員計劃繼續(xù)研究不同物種如何調(diào)節(jié)滯育，并深入研究滯育和其他類型的假死狀態(tài)下的脂質(zhì)代謝的作用。

Singh說：“這是一個復(fù)雜的問題，我認(rèn)為我們只是觸及了表面。我們希望更深入地了解滯育期間脂質(zhì)代謝是如何調(diào)節(jié)的，我們也希望研究滯育期間特定細(xì)胞類型的作用。”