Gli embrioni dei killfish sopravvivono senza acqua anche due anni grazie a un genoma speciale

Roma – Scoperti i meccanismi che permettono agli embrioni di killifish, il pesce turchese africano che vive negli stagni di Zimbabwe e Mozambico, di sopravvivere all’ annuale stagione di secca. Lo rivela un nuovo studio pubblicato sulla rivista Cell. Questi embrioni hanno sviluppato una tecnica estrema di sopravvivenza che consente loro di entrare in uno stato di estrema di sospensione della vita, o “diapausa”, per circa 8 mesi. Sebbene i killifish abbiano evoluto la diapausa meno di 18 milioni di anni fa, lo hanno fatto cooptando antichi geni che hanno avuto origine più di 473 milioni di anni fa. Attraverso un’analisi comparativa, la squadra di ricerca ha dimostrato che schemi di espressione genica specializzati simili sono utilizzati anche da altri animali, tra cui il topo domestico, durante la diapausa. “L’intero programma è come il giorno e la notte: c’è la vita nello stato normale e la vita nello stato di diapausa, e il modo in cui ciò è avvenuto è stato rimescolando o ricablando la regione regolatrice di un’intera serie di geni”, ha spiegato Anne Brunet, biologa molecolare della Stanford University e autrice senior dello studio. I killifish turchesi africani maturano più velocemente di qualsiasi altra specie di vertebrato e gli adulti vivono solo per circa 6 mesi, anche in cattività. I pesci si riproducono rapidamente prima che le loro case acquatiche scompaiano, ma i loro embrioni rimangono nel fango secco, pronti a schiudersi quando arrivano le piogge dell’anno successivo. La diapausa embrionale si verifica anche in altre specie di vertebrati, tra cui pesci, rettili e alcuni mammiferi, ma la diapausa dei killifish è straordinariamente estrema perché dura per un periodo particolarmente lungo: 8 mesi in media e fino a 2 anni in laboratorio. Inoltre, questo processo è interessante perché gli embrioni dei killifish entrano in questo sistema di sospensione della vita molto più tardi nello sviluppo rispetto agli altri animali. “È all’incirca a metà dello sviluppo e molti organi sono già formati a quel punto: hanno un cervello in evoluzione e un cuore che smette di battere durante la diapausa e poi ricomincia”, ha dichiarato Param Priya Singh dell’Università della California, San Francisco. “I killifish sono le uniche specie di vertebrati che conosciamo che possono andare in diapausa così tardi nello sviluppo”, ha continuato Singh, che è anche primo autore dello studio. Per comprendere l’evoluzione della diapausa, la squadra di scienziati ha innanzitutto caratterizzato l’espressione genica del pesce azzurro africano, Nothobranchius furzeri, durante le diverse fasi di sviluppo. I ricercatori si sono concentrati sulle copie duplicate dei geni, chiamate “paraloghi”, perché la duplicazione dei geni è uno dei meccanismi principali con cui si originano e si specializzano nuovi geni. Complessivamente, i ricercatori hanno identificato 6.247 coppie di paraloghi che presentavano modelli di espressione genica specializzati durante la diapausa. Sorprendentemente, hanno stimato che la maggior parte dei geni specializzati nella diapausa erano paraloghi “molto antichi”, che avevano avuto origine più di 473 milioni di anni fa. “Anche se la diapausa si è evoluta relativamente di recente, i geni specializzati nella diapausa sono molto antichi”, ha detto Brunet. “Abbiamo scoperto che la maggior parte dei geni specializzati nella diapausa nel pesce solitario sono paraloghi molto antichi, il che significa che sono stati duplicati nell’antenato comune di tutti i vertebrati”, ha aggiunto Brunet. Dal momento che la diapausa si verifica anche in altre specie di pesci, i ricercatori hanno confrontato l’espressione genica tra embrioni di pesciolini turchesi africani, pesciolini sudamericani, Austrofundulus limnaeus, che subiscono anch’essi la diapausa, e due specie di pesciolini che non la subiscono, i pesciolini striati rossi, Aphyosemion striatum, e i pesciolini lirici, Aphyosemion austral. Gli scienziati hanno riscontrato una significativa sovrapposizione nei modelli di espressione genica tra i pesci turchesi africani e quelli sudamericani, che si sono evoluti in diapausa indipendentemente l’uno dall’altro, ma non nelle due specie non in diapausa. Allo stesso modo, i ricercatori hanno trovato una correlazione significativa nei modelli di espressione genica degli embrioni di topo domestico, Mus musculus, durante la diapausa e hanno dimostrato che anche i geni specializzati nella diapausa nei topi hanno origini molto antiche. “Questo suggerisce che gli stessi meccanismi che consentono la diapausa sono stati ripetutamente cooptati per l’evoluzione della diapausa in specie lontanamente imparentate”, ha evidenziato Singh. Successivamente, i ricercatori hanno esplorato il modo in cui questi geni specializzati nella diapausa sono regolati nel killifish e hanno identificato diversi fattori di trascrizione chiave che controllano i modelli di espressione genica alterati osservati durante la diapausa, tra cui REST e FOXO3, noti per essere espressi durante l’ibernazione, una forma diversa di sospensione della vita nei mammiferi. In particolare, molti di questi geni regolatori sono coinvolti nel metabolismo lipidico, che ha un profilo distintivo durante la diapausa. “Uno degli elementi chiave della diapausa è questo speciale metabolismo lipidico”, ha affermato Brunet. “Durante la diapausa, sembrano avere livelli molto più elevati di trigliceridi e di acidi grassi a catena molto lunga, che sono forme di immagazzinamento e forse anche di protezione a lungo termine delle membrane dell’organismo”, ha precisato Brunet. I ricercatori intendono continuare a studiare come le diverse specie regolano la diapausa e approfondire il ruolo del metabolismo lipidico durante la diapausa e altri tipi di sospensione della vita. “È uno stato così complesso che credo stiamo solo grattando la superficie”, ha osservato Singh. “Vogliamo approfondire aspetti specifici di come viene regolato il metabolismo lipidico durante la diapausa e siamo anche interessati a esaminare il ruolo di specifici tipi di cellule durante la diapausa”, ha concluso Singh. (30Science.com)