鳉魚(yú)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(guò)每年的旱季，鳉魚(yú)胚胎會(huì)進(jìn)入一種極端的假死狀態(tài)或大約8個(gè)月的滯育期?，F(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了鳉魚(yú)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(yú)在不到1800萬(wàn)年前就進(jìn)化出了滯育，但它們是通過(guò)選擇起源于4.73億年前的古老基因來(lái)做到這一點(diǎn)的。通過(guò)對(duì)比分析，研究小組發(fā)現(xiàn)，家鼠等其他動(dòng)物在滯育期也有類(lèi)似的特殊基因表達(dá)模式。

“整個(gè)過(guò)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(guò)重組或重寫(xiě)一整套基因的調(diào)控區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、美國(guó)斯坦福大學(xué)分子生物學(xué)家Anne Brunet說(shuō)。

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

“鳉魚(yú)滯育大約在胚胎發(fā)育的中期，在這個(gè)階段，許多器官已經(jīng)形成了——它們有一個(gè)發(fā)育中的大腦和一個(gè)在滯育期停止跳動(dòng)然后會(huì)重新開(kāi)始跳動(dòng)的心臟。鳉魚(yú)是我們所知道的唯一一種可以在發(fā)育得如此晚的時(shí)候經(jīng)歷滯育的脊椎動(dòng)物?！闭撐牡谝蛔髡?、美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校的Param Priya Singh說(shuō)。

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。總體而言，研究人員確定了6247對(duì)在滯育期表現(xiàn)出特殊基因表達(dá)模式的平行對(duì)。令人驚訝的是，他們估計(jì)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(duì)較晚，但滯育特異性基因確實(shí)很古老。”Brunet說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)，鳉魚(yú)的大多數(shù)此類(lèi)基因都是非常古老的旁系同源基因，這意味著它們?cè)谒屑棺祫?dòng)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(lèi)的鳉魚(yú)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(yú)各自獨(dú)立地進(jìn)化出了滯育，不過(guò)在兩種非滯育物種中卻沒(méi)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(shuō)：“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。”

接下來(lái)，研究人員探索了這些滯育特異性基因在鳉魚(yú)體內(nèi)是如何被調(diào)節(jié)的。他們確定了REST和FOXO3等幾個(gè)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(dòng)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(gè)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。”Brunet說(shuō)，“在滯育期間，生物體的甘油三酯和長(zhǎng)鏈脂肪酸水平似乎要高得多，這是一種儲(chǔ)存形式，也可能有助于長(zhǎng)期保護(hù)生物體的細(xì)胞膜。”

研究人員計(jì)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(lèi)型的假死狀態(tài)下的脂質(zhì)代謝的作用。

Singh說(shuō)：“這是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)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(lèi)型的作用。”