鳉魚胚胎“假死”求生

非洲藍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，鳉魚胚胎會進入一種極端的假死狀態或大約8個月的滯育期。現在，研究人員發現了鳉魚進化出這種極端生存狀態的機制。相關研究近日發表于《細胞》。

盡管鳉魚在不到1800萬年前就進化出了滯育，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的。通過對比分析，研究小組發現，家鼠等其他動物在滯育期也有類似的特殊基因表達模式。

“整個過程就像白天和黑夜一樣——生命既可以處于正常狀態，也能處于滯育狀態，這是通過重組或重寫一整套基因的調控區域來實現的。”論文通訊作者、美國斯坦福大學分子生物學家Anne Brunet說。

非洲藍綠鳉的成熟速度比其他任何脊椎動物都要快，即使在圈養環境下，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，并準備在明年雨季到來時孵化。胚胎滯育也發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，因為它持續時間很長——平均8個月，實驗室環境中最長可達2年，而且胚胎在發育過程中進入假死狀態的時間比其他動物晚得多。

“鳉魚滯育大約在胚胎發育的中期，在這個階段，許多器官已經形成了——它們有一個發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育得如此晚的時候經歷滯育的脊椎動物。”論文第一作者、美國加州大學舊金山分校的Param Priya Singh說。

為了解滯育的進化，該團隊首先表征了非洲藍綠鳉不同發育階段的基因表達。他們關注了旁系同源基因的復制基因，因為基因復制是新基因產生和特化的主要機制之一。總體而言，研究人員確定了6247對在滯育期表現出特殊基因表達模式的平行對。令人驚訝的是，他們估計大多數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。

“盡管滯育的進化相對較晚，但滯育特異性基因確實很古老。”Brunet說，“我們發現，鳉魚的大多數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制。”

由于滯育也發生在其他種類的鳉魚中，研究人員比較了非洲藍綠鳉、同樣經歷滯育的南美鳉和兩種不經歷滯育的紅紋鳉和琴尾旗鳉胚胎的基因表達。結果發現非洲藍綠鳉和南美鳉的基因表達模式有明顯的重疊，雖然這兩種鳉魚各自獨立地進化出了滯育，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模式中發現了顯著的相關性，并發現家鼠的滯育特異性基因也有非常古老的起源。

Singh說：“這表明，在遠親物種的滯育進化中，使滯育成為可能的相同機制曾被反復采用。”

接下來，研究人員探索了這些滯育特異性基因在鳉魚體內是如何被調節的。他們確定了REST和FOXO3等幾個關鍵的轉錄因子，這些轉錄因子控制著滯育期基因表達模式的改變。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。值得注意的是，這些調節基因中有幾個參與脂質代謝，后者在滯育期具有獨特的特征。

“滯育的關鍵因素之一是這種特殊的脂質代謝。”Brunet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生物體的細胞膜。”

研究人員計劃繼續研究不同物種如何調節滯育，并深入研究滯育和其他類型的假死狀態下的脂質代謝的作用。

Singh說：“這是一個復雜的問題，我認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代謝是如何調節的，我們也希望研究滯育期間特定細胞類型的作用。”

非洲藍綠鳉。作者供圖

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http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.048