Cell：非洲绿松石鳉鱼通过重塑古老的基因调控实现滞育进化

2024年5月，斯坦福大学的相关研究人员在《Cell》（IF：64.5）上发表了题为“Evolution of diapause in the African turquoise killifish by remodeling the ancient gene regulatory landscape”的研究论文，揭示了非洲绿松石鳉鱼复杂适应性进化的机制，并为通过激活其他物种的滞育程序来促进长期生存提供了策略。

极端生物即生活在极端环境中的物种，已经进化出独特的生存适应能力。了解极端适应是如何进化的，可以揭示对所有生物生存具有重要影响的新途径。非洲绿松石鳉鱼（Nothobranchius furzeri）是一种维持胚胎存活的极端动物，它的滞育胚胎可以存活数月甚至数年，比成年期更长。值得注意的是，它的滞育胚胎已经有了复杂的器官和组织，包括正在发育的大脑和心脏。因此滞育为复杂的生物体提供了长期的保护。

非洲绿松石鳉鱼在持续时间和复杂性方面代表了滞育的极端情况，并为理解脊椎动物这种滞育特征的机制和进化提供了一个模型。然而，这种极端且协调的程序是如何在自然界中进化的尚未可知。利用进化的视角来理解滞育可能揭示新的长期生存保护机制，并为自然界中极端适应的进化提供新的思路。

研究人员首先探究了这些在滞育状态下表达的基因在进化时间上起源于何时。研究人员分析了在非洲绿松石鳉鱼基因组中识别出的20,091个旁系同源基因，并使用非洲绿松石鳉鱼发育期和滞育期的RNA测序(RNA-seq)数据集分析了旁系同源基因在滞育与正常发育状态下的表达模式。结果发现有6,247对旁系同源基因在滞育状态下表现出特异性。为了确定旁系同源基因复制的时间范围，研究人员建立了一个旁系同源基因分类流程，以确定非洲绿松石鳉鱼与其他物种相比起源的进化时间，结果表明在滞育期间表现出基因表达特异性的旁系同源基因在进化上非常古老。为了评估古老的同源基因是否在其他滞育物种中特异性表达，研究人员进一步研究了南美鳉鱼（Austrofundulus limnaeus）及家鼠（Mus musculus），结果表明古老的旁系同源基因在进化过程中的滞育期间被选择性表达。

为了描述在进化过程与滞育相关的旁系同源基因的调控机制，研究人员评估了滞育期和发育期的鳉鱼（非洲绿松石鳉鱼和南美鳉鱼）以及处于相似发育阶段但无滞育现象的鳉鱼（琴尾旗鳉和红纹鳉）胚胎全基因组范围内的染色质开放性。随后研究了在休眠与发育过程中差异表达的旁系同源基因相关的染色质开放区域。结果表明，非洲绿松石鳉鱼古老的旁系同源基因的染色质开放区域在滞育阶段发生重塑。

研究人员进一步对滞育特异性表达旁系同源基因进行了富集分析，探究参与滞育过程中染色质开放区域的转录调控因子，发现抑制元件1-沉默转录因子（REST）、叉头框O（FOXO）和过氧化物酶体增殖激活受体A（PPARA）的转录因子（TF）结合位点在最近的非洲绿松石鳉鱼的染色质开放区域中富集，但在没有滞育期的鱼类在相同的基因组位置上没有富集。结果表明滞育期调控的关键TFs是最近在非洲绿松石鳉鱼中进化出来的。

TFs结合位点的从头合成通过点突变或转位因子（TE）的插入。在非洲绿松石鳉鱼中，大多数与滞育特异性染色质开放区域相关的TF结合位点通过祖先序列的突变从头进化。TEs可以比渐进突变和选择更快地将TF结合位点传递到新的调控区域，并且在非洲绿松石鳉鱼基因组中爆炸式增长，这可能代表了一种将基因纳入滞育表达程序的快速进化机制。在非洲绿松石鳉鱼中，几个TE家族（如DNA转座子和长散在元件[LINEs]）在滞育期染色质开放区域高度富集。因此，滞育期特异表达的旁系同源基因的TF结合位点主要起源于突变和选择，其中一些贡献来源于最近非洲绿松石鳉鱼中转座子介导的重组。

为了探究进化基因组学分析确定的TFs与滞育转录程序的因果关系，研究人员利用CRISPR-cas9敲除鳉鱼胚胎中的相关TFs，并使用单胚胎RNA-seq评估滞育程序。研究人员选择了六个相关TFs：(1)在滞育中作用未知但与寿命相关（REST）；(2)已知在其他物种滞育中发挥作用的TFs（FOXO3a，FOXO3b）；（3）在脂质代谢发挥作用的TFs（PPARAa、PPARAb和PPARG）。结果表明，REST，FOXO3a和FOXO3b在滞育表达程序中具有重要功能，并调节参与滞育功能相关的基因，如脂质代谢。

前面的证据表明脂质代谢是滞育的中心特征，研究人员对滞育前和不同时间（6天和1个月）滞育阶段非洲绿松石鳉鱼胚胎进行了脂质组学分析。作为比较，研究人员还对另一种鳉鱼物种的胚胎进行了脂质组学分析，该物种在非洲绿松石鳉鱼滞育开始之前处于类似的发育状态。结果表明膜脂类的甘油磷脂如磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）和甘油三酯（TGs）在滞育期与发育期中变化最大。与发育期相比，滞育期中含有极长链脂肪酸（链长≥22的脂肪酸）的TG显著富集，其中大多数是具有5和6个双键。滞育胚胎中的脂滴数量比发育中的胚胎有所增加。滞育时极长链脂肪酸和脂滴数量的增加，可能是长期能量储备和使用的关键。此外，醚键连接的甘油磷脂（缩醛磷脂），可以保护大脑和心脏免受氧化应激，在滞育中也比发育更丰富。这些结果表明非洲绿松石鳉鱼已经进化到在其胚胎中包装特定的脂质，包括具有超长链脂肪酸和抗氧化特性的膜脂质。关键TF结合位点（例如FOXO3和REST）的重新布线可以调节脂质代谢，以实现特定脂肪酸的长期保护以及有效储存和使用。

总之，该研究揭示了压力如何导致关键代谢程序的协同作用，以实现极端表型。该研究提出了一种可能性，即由特定TFs调控的脂质代谢基因核心程序调控在不同环境下实现代谢重塑和抗应激。为基于脂质的干预措施提供了可能性，从而促进长期组织保存和抗衰老的相关研究。