Les embryons de killifish turquoise africains survivent aux saisons sèches en entrant en diapause, en utilisant des gènes anciens pour arrêter et reprendre le développement embryonnaire. Des expressions génétiques similaires se retrouvent chez d’autres espèces, notamment la souris. (Concept de l'artiste représentant un poisson, plutôt qu'un embryon, en animation suspendue.) Crédit : Issues.fr.com
Comment les embryons de Killifish utilisent l'animation suspendue pour survivre à plus de 8 mois de sécheresse
Le killifish turquoise africain utilise une stratégie de survie unique par diapause, exploitant des gènes anciens pour supporter les saisons sèches. Ce mécanisme implique une pause dans le développement embryonnaire, qui reprend ensuite. La recherche indique également des modèles génétiques similaires dans d'autres espècessuggérant un trait évolutif commun pour l'animation suspendue.
Animation suspendue dans le killifish turquoise africain
Les étangs transitoires du Zimbabwe et du Mozambique abritent des killifish turquoise africains. 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.
Une nouvelle étude a révélé les adaptations évolutives qui permettent au killifish de maintenir cette remarquable technique de survie. Publié le 30 mai dans la revue Cellule, les résultats indiquent que le killifish a développé la capacité de diapause il y a moins de 18 millions d'années en cooptant d'anciens gènes apparus il y a plus de 473 millions d'années. Des analyses comparatives démontrent en outre que des modèles d'expression génique similaires pendant la diapause se retrouvent chez d'autres animaux, y compris la souris domestique.
« L'ensemble du programme est comme le jour et la nuit : il y a la vie dans l'état normal et la vie dans 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.
Paire de killifish. Crédit : Rogelio Barajas et Xiaoai Zhao
Maturation et reproduction rapides du fondule
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 la seule espèce de vertébré que nous connaissons qui puisse subir une diapause si tard dans son développement. »
Killifish mâle. Crédit : Rogelio Barajas et Xiaoai Zhao
Analyse génétique détaillée pendant la diapause
Pour comprendre l'évolution de la diapause, l'équipe de recherche a d'abord caractérisé l'expression génétique du killifish turquoise africain (Nothobranchius furzeri) au cours des différentes étapes de développement. Ils se sont concentrés sur des copies dupliquées de gènes appelées « paralogues », car la duplication de 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. vertébrés.»
Analyse comparative entre espèces
Étant donné que la diapause se produit également chez certaines autres espèces de killifish, les chercheurs ont comparé l'expression des gènes entre les embryons du killifish turquoise africain et du killifish sud-américain (Austrofundulus limnaeus), qui subit également une diapause, et deux espèces de killifish qui ne subissent pas de diapause, le killifish à rayures rouges (Aphyosémion striatum) et le killifish lyretail (Aphyosémion 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 découvert une corrélation significative dans les modèles d’expression génétique de la souris domestique (Mus musculus) d'embryons 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. »
Orientations futures de la recherche sur la diapause
L’équipe prévoit 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 régulation du métabolisme lipidique pendant la diapause, et nous souhaitons également examiner le rôle de types de cellules spécifiques pendant la diapause. »
Cette recherche a été soutenue par la Fondation Glenn pour la recherche médicale, le prix NOMIS Distinguished Scientist and Scholar, le Stanford Center for Computational, Evolutionary, and Human Genomics, le Instituts nationaux de la santéet la National Science Foundation
