Rumo a uma abordagem integrada para compreender Mexicano cavefish evolução

Introdução

Mexicano tetras em rios da América Central e em cavernas do México central são as mesmas espécies de Astyanax mexicanus. Os primeiros são peixes de água doce de tipo “selvagem” multicoloridos. Estes últimos são “mutantes naturais” que vivem na escuridão total e permanente, e não têm olhos e pigmentação (Figura 1). Pode ser encontrada nos seguintes países: México e México . Os dois tipos de Morfes podem se Reproduzir e dar uma descendência fértil, e cavefish de diferentes cavernas também são inter-férteis . Assim, após uma drástica e súbita mudança ambiental, a sua evolução fenotípica ocorreu rapidamente em cerca de 20 000 anos e está provavelmente ainda em curso. De notar, com base em distinções morfológicas, as Morfes de superfície e Caverna foram originalmente propostas como espécies diferentes e até mesmo gênero, e o peixe sem olhos foi dado o nome Anoptichthys jordani . Especiação entre as duas Morfes pode estar em seu caminho , mas ainda não aconteceu, com base em critérios de inter-fertilidade.

O A. o sistema mexicano apresenta muitas características vantajosas e parece um excelente sistema modelo para estudar as forças evolucionárias (mecanismos distais) e mecanismos evolucionários (mecanismos proximais) subjacentes às adaptações morfológicas, comportamentais e fisiológicas em resposta à mudança ambiental. Em comparação com outros peixes como os sticklebacks, cichlids ou whitefish que também sofreram radiações recentes e contribuíram significativamente para a biologia evolutiva , A. mexicanus cavefish sofreu uma pressão seletiva considerável e uma evolução morfológica extrema. Vantagens óbvias do tetras são os insights que podem ser adquiridos na compreensão de como os ritmos circadianos influenciam a fisiologia e como outros sentidos podem compensar a perda de visão. As bases comportamentais e genéticas de sua colonização aparentemente fácil de cavernas—quando comparadas com outras espécies endêmicas de peixes que vivem em rios mexicanos—às vezes chamadas de “pré-adaptações”, podem ser estudadas. Além disso, o modelo cavefish, tal como outros modelos evolutivos dos peixes, preenche os requisitos para qualquer investigação: ele entrou na era do genoma , pode ser criado e manipulado relativamente facilmente e sua biologia populacional tem sido estudada por décadas .

várias revisões, incluindo um livro sobre a biologia da cavefish mexicana por colaboradores de toda a comunidade científica Astyanax, foram publicadas recentemente, lidando com todas as muitas facetas da biologia evolucionária cavefish. Em vez de rever especificamente um aspecto, aqui vamos nos concentrar em combinar abordagens para entender melhor a evolução cavefish e para iluminar os mecanismos evolucionários em geral.

Towards an integrated approach

Researchers of Mexican cavefish have various discipline backgrounds: genetics, developmental biology, neuroscience, physiology, metabolism, genomics, population biology, ecology, cave biology or speleology. Uma abordagem integrada é, essencialmente, um método multidisciplinar de análise, através do qual um fenómeno é analisado sob vários ângulos (Figura 2). Em sticklebacks, por exemplo, a combinação da biologia populacional, genética quantitativa e de biologia do desenvolvimento tem revelado surpreendentemente convergente processos que ocorrem na não-codificação de sequências reguladoras de desenvolvimento, fator de transcrição (Pitx1) e subjacente a evolução morfológica (perda de pélvica coluna) de várias populações de água doce da marinha antepassados . Aqui, apresentamos exemplos de questões que beneficiam fortemente de uma abordagem integrada no sistema cavefish.

(a) Developmental biology and genetics: eye development and loss

A typical question at the frontiers of these two disciplines is that of eye development and loss, i.e. the mechanisms of morphological evolution. O problema foi primeiramente examinado através de cruzamentos entre superfície e cavefish ou entre cavefish originários de diferentes cavernas . Híbridos F1 de pais da superfície da caverna × têm olhos ligeiramente reduzidos, mas funcionais, indicando que alelos das cavernas são principalmente recessivos. Às vezes, híbridos F1 gerados a partir de pais originários de cavernas diferentes desenvolvem olhos pequenos, e tal complementação parcial sugere que diferentes genes são afetados em cavernas diferentes, destacando a evolução convergente . Análises de traços quantitativos loci (QTL) mostram que o controle do tamanho do olho em famílias F2 é um traço complexo, envolvendo 12-15 loci . Como alelos de caverna em cada olho ou lente QTL causa reduções de tamanho, os autores sugeriram que a perda ocular evoluiu por seleção natural, ao invés de por deriva. Um estudo recente examinando a degeneração da retina cavefish no contexto do mapeamento QTL identificou quatro regiões, cada uma envolvida no controle da espessura de uma camada retiniana distinta, e em que vários genes candidatos, principalmente correspondendo a fatores de transcrição do desenvolvimento e reguladores, foram identificados .

do ponto de vista da biologia do desenvolvimento, a degeneração do olho cavefish é desencadeada pela lente embrionária defeituosa, que rapidamente se torna apoptótica e causa o colapso de todo o olho . A apoptose do cristalino é indiretamente devida a um aumento na sinalização do ouriço sônico a partir da linha média embrionária . Importante, o aumento Shh de sinalização também afeta pleiotropically outros tecidos do futuro da cabeça e do prosencéfalo: tamanho da mandíbula e broto gosto números são o aumento , o olfativo placode é ampliada à custa da lente placode , o preoptic região e do hipotálamo, no prosencéfalo basal são ampliados, em parte às custas dos ventral da retina , e o desenvolvimento é significativamente alterado . Estes achados sugeriram que a seleção indireta poderia estar no trabalho durante a evolução do desenvolvimento da perda ocular em cavefish, ou seja, que os olhos seriam perdidos como dano colateral secundário resultante da evolução construtiva de outros traços benéficos. Portanto, a abordagem evo-devo e a abordagem genética convergem na proposta de seleção atuando como um dos mecanismos distais subjacentes à perda ocular. De notar, outras evidências de estudos da Evolução molecular do transcriptoma de desenvolvimento sugerem deriva genética como um mecanismo para a perda ocular: em cavefish, mutações radicais (i.e. dando origem a aminoácidos com propriedades físico-químicas distintas nas duas Morfes) estão sobre-representados em “genes oculares”, o que pode ser explicado por uma seleção relaxada para a visão durante a evolução na ausência de luz . Portanto, há provavelmente dois componentes subjacentes à perda ocular em cavefish: seleção (direta ou indireta) para melhorar a sobrevivência no escuro e deriva por acumulação aleatória de mutações em “genes oculares” que não são contra-selecionados .B) biologia e comportamento do desenvolvimento: olfacto, detecção e sono

a embriogénese processa-se através de uma cascata hierárquica de acontecimentos que se iniciam antes da fecundação. Mudanças na forma do cérebro e, consequentemente, na função, podem surgir da seleção natural atuando em diferentes níveis durante a embriogênese: produtos genéticos maternos no oócito, expressão de morfógenos e genes padronizados e cronometragem da proliferação/diferenciação celular. A emergência de novos comportamentos através de variações de desenvolvimento é essencial para a radiação evolucionária . Avanços recentes na sequenciação, edição do genoma e transgênese estão ajudando a desvendar os mecanismos moleculares desta evolução. Estudar as variações do genoma regulador e do epigenoma num futuro próximo irá lançar luz sobre os mecanismos que ligam a função genética à evolução do desenvolvimento.

performances comportamentais diferenciais podem resultar de especializações sensoriais que têm uma base de desenvolvimento. Em paralelo à regressão ocular, cavefish evoluiu epitélio olfativo maior, órgãos sensoriais especializados na detecção de moléculas relacionadas à alimentação e reprodução. A ampliação do tecido embrionário como epitélio olfativo resulta de mudanças sutis na expressão das moléculas de sinalização Bmp4 e Shh no mesoderme pré-cordal embrionário. Paralelamente, os ensaios comportamentais demonstraram as notáveis capacidades olfactivas da cavefish . O aumento da sensibilidade olfactiva provavelmente não é determinado apenas pelo tamanho do órgão sensorial e da plasticidade do desenvolvimento e as alterações no processamento central também devem contribuir para esta adaptação .

algumas populações cavefish desenvolveram um comportamento de atração de vibrações (VAB) em direção a objetos oscilantes na água, mediados por neuromastos da linha lateral, particularmente aqueles localizados na região do olho suborbital . As diferenças numéricas nos neuromastos aparecem em estágios larvares, mas as bases embriológicas e genéticas para tais modificações permanecem desconhecidas. O aumento do número de neuromasts na região óptica pode resultar da degeneração ocular, mas isso é independente da hipersignação pleiotrópica Shh levando à regressão ocular .Outra adaptação comportamental da cavefish é a perda do sono . O sono é um estado reversível de elevação do limiar de excitação e tranquilidade. Sua duração e intensidade diferem muito entre as espécies, dependendo das variáveis ecológicas e da história evolutiva . É regulado pelo ciclo luz–escuro diário (ausente em cavernas), bem como pelo processamento sensorial e equilíbrio metabólico . A hipersensibilidade Neuromast está implicada na perda de sono em cavefish . O sistema hipotalâmico hipocretina/orexinérgico tem um papel conservado na regulação do ciclo de sono / vigília nos vertebrados . Foram notificados níveis de expressão mais elevados de hipocretina e números de neurónios em cavefish adulto comparados com peixes de superfície, e os testes funcionais confirmaram que o aumento da neurotransmissão orexinérgica está associado ao fenótipo de perda de sono . Variações neuroanatómicas no aglomerado neuronal de hipocretina existem a partir da embriogénese precoce, resultante de modulações morfogénicas no final da gastrulação . As manipulações do desenvolvimento que reduzem o número de neurónios hipocretinos nas larvas de uma semana diminuem a actividade nestas larvas, imitando peixes de superfície. Isto demonstra que a evolução do desenvolvimento do aglomerado de hipocretina impacta o comportamento cavefish. Foram também observadas variações no estabelecimento de outros sistemas neuronais hipotalâmicos (neuropeptídeo Y (NPY), proopiomelanocortina), e a sua contribuição para alterações comportamentais deve ser explorada.

c) comportamento, genética e genómica funcional: identificar mutações em cavefish

Cavefish apresentam traços comportamentais múltiplos que são diferentes dos peixes de superfície e que parecem ser vantajosos para a vida no habitat subterrâneo, e que provavelmente foram seleccionados. Isto implica que eles têm uma base genética.As abordagens QTL indicam que a perda de sono , a perda de escolaridade , a postura alimentar especial com um ângulo de 45° em relação ao substrato e o VAB têm um determinismo multi-genico, uma vez que os peixes F2 resultantes de cruzamentos entre dois híbridos F1 apresentam diversos níveis destes comportamentos. Vários intervalos QTL foram identificados, permitindo mapeamento de regiões genômicas associadas a comportamentos particulares. As regiões relacionadas com o controlo da actividade sleep/locomotor e VAB são diferentes . Além disso, a análise QTL sugere genes candidatos, como o gene da proteína indutível TP53 associado à narcolepsia, um regulador potencial do sono localizado no intervalo QTL identificado como regulador da actividade locomotora .Por vezes, o estudo dos fenotipos comportamentais pode sugerir genes candidatos. Por exemplo, Tinaja cavefish hiperfagia sugeriu a investigação da via da leptina, o que levou à identificação de mutações no gene Mc4r (receptor melanocortina 4). Ou, o efeito do desprenil (inibidor da degradação da serotonina) na agressividade, juntamente com análises comparativas neuroanatómicas, implicou o sistema serotoninérgico em diferenças de agressividade entre as duas Morfes, e identificou uma mutação na enzima MAO (monoaminoxidase). Por conseguinte, o estudo dos fenótipos comportamentais, mas também dos estudos neuroquímicos e neuroanatómicos, permite uma melhor orientação dos genes candidatos responsáveis pelas alterações comportamentais entre as duas morfologias.

uma vez identificado um gene candidato, a genómica funcional deve testar o papel do gene no controlo comportamental. Quando os peixes de cavefish e de superfície possuem alelos diferentes, cruzes ou edição do genoma por CRISPR/Cas9 podem ser usados para inserir um alelo de superfície em cavefish e vice-versa. Quando o gene difere em termos de nível de expressão entre cavefish e peixes de superfície, a inactivação ou sobre-expressão pode ser alcançada. Por exemplo, o gene da hipocretina é sobre-expresso em cavefish. O derrube de sua expressão por morfolinos demonstrou seu envolvimento na perda de sono em cavefish .Estudos comportamentais, genética e genómica funcional identificam as bases genéticas das alterações comportamentais. Em seguida, contribuições interessantes podem surgir a partir de estudos populacionais e filogeográficos para desenhar hipóteses sobre a história evolutiva do traço. Por exemplo, a distribuição de alelos mutados de Mc4r entre cavernas e rios sugere que o alelo derivado entrou na caverna a partir da variação genética existente em peixes de superfície no momento da colonização de cavernas (ver também §2d). De notar, as bases genéticas são uma das várias possíveis causas proximais para a diferença comportamental entre as duas Morfes. Também precisamos estudar os efeitos do ambiente sozinho (por exemplo, ausência de luz, parâmetros físico-químicos da água ou suporte trófico), correspondendo ao potencial envolvimento de plasticidade fenotípica ou mecanismos epigenéticos.

(d) Genomics and population biology: tracing back evolutionary history

the cavefish caves have a broad distribution and have been grouped into three clusters: the El Abra, The Guatemala and the Micos groups. A história evolucionária e as origens destas populações cavefish ainda são mal compreendidas. Embora uma origem um pouco antiga, há milhões de anos, das populações cavefish foi geralmente citada na literatura, análises recentes e modelagem usando dois conjuntos de dados independentes (microsatélitos e polimorfismos nucleotídicos únicos) sugerem que cavefish invadiu cavernas há menos de 25 000 anos . Tal origem recente deve ser verificável e ter consequências interessantes em termos de abordagens genómicas da população. Os resultados devem ser comparáveis aos obtidos no sistema “threespine stickleback” (por exemplo ). Em primeiro lugar, uma origem recente e rápida evolução do cavefish implica que a evolução fenotípica se baseou principalmente na fixação de variantes genéticas já existentes na população de superfície ancestral (em oposição a novas mutações que surgem, o que leva mais tempo), e muitas delas ainda devem ser encontradas nos peixes de superfície existentes. Varreduras genômicas devem ser realizadas a nível da população para estimar o polimorfismo compartilhado , mas já temos um exemplo de tal caso.: a mutação pontual descrita em Mc4r, e responsável pelo aumento do apetite em algumas populações de cavefish, foi encontrada com baixa frequência (3%) em indivíduos que habitam o rio . Em segundo lugar, uma origem recente também implica que a perda de genes/pseudogenização não deveria ter tido tempo para ocorrer significativamente em “genes oculares”, que não são contra-selecionados no escuro. Também são necessários inquéritos à escala do genoma sobre genomas de alta qualidade para confirmar este facto, mas os dados publicados parecem apoiar esta previsão.: as cristalinas de cavefish e as opsinas não mostram grande perda de mutações de função na sua sequência de codificação, a comparar, por exemplo, com duas cristalinas e duas opsinas que estão inactivadas/ausentes no genoma do rato mole nu . Em terceiro lugar, se as populações de cavefish são jovens, deve ser possível encontrar vestígios de genoma de seleção por meio de análises de varredura seletiva. Varredura seletiva é a fixação de um alelo através da seleção, e a fixação de alelos neutros em loci intimamente ligados através de carona genética, resultando em reduzida diversidade genética em torno da posição em seleção. Tais análises só podem ser realizadas se a seleção for recente; caso contrário, novos polimorfismos surgem com o tempo e mascaram a região varrida . Mais uma vez, abordagens genômicas da população são promissoras, como uma alternativa/complemento às abordagens QTL, para identificar loci sob seleção durante a evolução fenotípica cavefish.

(e) da biologia da população ao comportamento e genética: destacando adaptações locais

Existem 30 populações de cavernas descritas de A. mexicanus, nome derivado da caverna onde vivem . Todas as populações são cegas e despigmentadas, mas estes fenótipos marcantes são alcançados, pelo menos parcialmente, através de convergências. O conjunto de genes envolvidos na degeneração ocular não é idêntico em diferentes populações de cavernas (§2a), e as mutações/deleções em Oca2 (albinismo ocular e cutâneo 2) responsáveis pelo fenótipo albino não são as mesmas nas cavernas Molino (Grupo Guatemala), Pachón ou Japonés (ambos do Grupo El Abra). Outros fenótipos menos óbvios também mostram variações significativas entre cavernas. O VAB está presente em Pachón e Sabinos cavefish (ambos do Grupo El Abra), mas não tem o mesmo determinismo genético parental, herança paterna ou materna, nestas duas populações . Além disso, algumas populações de cavernas mostram VAB (Pachón, Sabinos, Piedras), mas alguns não (Molino) . Finalmente, uma pequena proporção de peixes de superfície mostra uma forma fraca de VAB, sugerindo que os ancestrais da superfície se adaptaram às cavernas por seleção positiva para VAB, seguido por seleção contínua para amplificação deste comportamento e seus receptores sensoriais subjacentes, os neuromastos . Variações fenotípicas semelhantes existem para o sono, agressividade ou comportamento alimentar entre as populações das cavernas. Vários graus de redução do sono derivados da evolução são descritos em populações de Pachón, Tinaja, Molino , Sabinos e Chica , mas esta característica é dependente de entradas sensoriais da linha lateral apenas na população de Pachón, indicando que o fenótipo pode ter emergido por diferentes mecanismos. A perda de agressividade territorial e hierárquica—uma marca da superfície do peixe—é descrita em Pachón cavefish, enquanto Molino cavefish conservou algum grau de agressividade , e esta diferença fenotípica pode estar relacionada com a presença ou ausência de uma mutação da MAO nos genomas destas duas populações . O aumento do apetite de Tinaja cavefish não é visto em Pachón cavefish , possivelmente relacionado com a presença ou ausência em seus genomas de alelos MC4R mutantes . Estes exemplos destacam as complexas relações genótipo/fenótipo e as complexas origens das populações de cavefish de Astyanax. Cada caverna parece ser um caso especial em termos de fenótipo e combinações de alelos, e o possível cenário para explicar distribuições alélicas em termos de origens, migrações e fluxos de genes necessitará de mais esforços na biologia populacional e genômica da população. Além disso, o impacto dos ambientes específicos encontrados em cada caverna terá de ser analisado, uma vez que a diversidade subestimada em diferentes cavernas (por exemplo, a presença / ausência de morcegos, predadores ou peixes de superfície, suporte trófico, entrada de água por inundação ou percolação, Figura 1) pode muito bem contribuir para a seleção e fixação de alelos diferentes, dependendo das condições ecológicas locais.

(f) de Volta ao trabalho de campo e ecologia das espécies

Apesar do fato de que 30 cavefish cavernas são descritos e relativamente acessível , alguns achados laboratoriais foram corroborados por suas experiências na natureza. Validar interpretações avaliando o ciclo de vida selvagem e a ecologia das cavernas é importante para evitar interpretações erradas/exageradas e para compreender a diversidade ecológica das cavernas, que pode estar relacionada com diferenças genéticas e comportamentais (Figura 1).

os habitats subterrâneos recebem energia de fontes externas (colónias de morcegos, insectos, correntes e águas percolantes carregadas de microfauna, partículas e carbono orgânico) . Os suprimentos de alimentos variam de acordo com a estação e localidade, daí o teor variável de carbono na lama em diferentes cavernas . No entanto, o exame do conteúdo de tripas de cavefish selvagens contendo guano de morcego, lama, plâncton, insetos e fragmentos de congéneres em diferentes estações sugeriu adultos bem nutridos com regime dietético não especializado nas cavernas de Chica, Sabinos, Subterráneo e Pachón . A taxa de crescimento de Pachón cavefish é comparável aos seus conspecíficos de superfície e juvenis saudáveis com sistemas digestivos contendo grandes números e variedades de micro-artrópodes são encontrados , sugerindo excelentes habilidades de caça em fritos cegos, como em condições laboratoriais . Os cavefish selvagens Subterráneo são mais sensíveis aos estímulos olfativos do que os híbridos oculares que coabitam na caverna , sugerindo que as habilidades olfativas descritas no laboratório também estão trabalhando no ambiente natural. As capacidades VAB ou acústicas devem ser investigadas também em várias cavernas, uma vez que as capacidades de encontrar alimentos podem depender dos ecossistemas das cavernas.

as espécies de cavefish de Laboratório e selvagens têm um teor de gordura superior ao dos peixes de superfície (S Rétaux 2004–2018, observações pessoais). O metabolismo da Cavefish também é modificado ao nível circadiano. Em Cavefish selvagem, mas não em animais de laboratório da mesma origem, níveis de expressão baixos do gene oscilatório period1 estão associados com funções rítmicas abolidas, sugerindo que “cavefish experiencia Luz Permanente em vez de escuridão perpétua”. As alterações do ritmo circadiano são uma característica comum nos animais das cavernas e podem contribuir para a poupança de energia através da redução da procura metabólica . Por último, a hipótese de uma limitação genética no tamanho do corpo (os peixes selvagens de Pachón cavefish parecem ter tamanhos máximos menores do que os de Tinaja e Subterráneo) para reduzir as despesas de energia e as necessidades alimentares ainda tem de ser investigada . Estes estudos sobre espécimes selvagens elucidam as muitas modificações em funções complexas que podem ter evoluído em diferentes populações de cavernas.As investigações longitudinais também são necessárias para compreender melhor o estilo de vida cavefish. Cavefish se reproduzem facilmente em laboratórios, mas pouco se sabe de seu ciclo reprodutivo e comportamento de acasalamento na natureza. Na caverna de Chica, Bridges descreveu grandes fêmeas com ovos e pequenos espécimes que ele estimou ter menos de um mês de idade, como relatado em . A estação seca foi sugerida para corresponder ao período de reprodução cavefish, o que é consistente com o relatório de juvenis em Pachón em Março de 2016 . Se confirmado, isso sugere uma estação de reprodução “sincronizada” do Sul ao norte da Serra—diferente da América do Norte Amblyopsid cavefish, que se reproduzem após inundações da primavera que introduzem alimentos em cavernas . Como a desova laboratorial em Astyanax cavefish e peixes de superfície é induzida por variações na temperatura da água , após variações circadianas e climáticas durante todo o ano em cavernas será crucial.

apesar das dificuldades óbvias de realizar experiências de campo, avançar para uma abordagem totalmente integrativa e multidisciplinar para uma melhor compreensão da evolução cavefish requer mais trabalho de campo. Em particular, tendo em conta as características ecológicas específicas das diferentes cavernas, ou das diferentes lagoas numa única caverna, é essencial. Isso permitiria o estabelecimento do mesocosmo para estudar o comportamento e estilo de vida cavefish em condições mais naturais, e também para realizar mais estudos de evolução artificial a longo prazo em peixes de superfície.

Conclusion

This review destaques the importance of considering cavefish evolution from multiple angles. Tal empreendimento pode, por vezes, parecer longo e difícil, mas acreditamos que será gratificante e perspicaz compreender os segredos das adaptações cavefish ao seu ambiente. A enorme diferença nas condições ambientais vividos por superfície e caverna transformações, a existência de vários, rapidamente evoluiu caverna populações, a variedade de fenótipos apresentado pelo cavefish em características morfológicas, fisiológicas e comportamentais níveis, experimental receptividade demonstrada por espécies fazer Mexicano tetras principal peixe modelos para resposta mais ampla evolutiva perguntas. As principais direções de pesquisa incluem decifrar os processos evolutivos genéticos e de desenvolvimento, incluindo o tipo e o número de genes envolvidos, ou se sequências de codificação ou regulação estão em jogo para a evolução morfológica. Fascinante perguntas também incluem os mecanismos de convergência, ou como resultados semelhantes podem resultar de diferentes mecanismos, destacando o poder de ‘genética mexer’ na evolução .

acessibilidade dos dados

este artigo não contém dados adicionais.

contribuições dos autores

todos os quatro autores escreveram a revisão.

interesses Concorrentes

declaramos que não temos interesses concorrentes.

financiamento

trabalho no grupo é apoiado pelo CNRS, FRM, UNADEV-AVIESAN, IDEEV e um programa de Intercâmbio Franco-Mexicano Ecos-Nord.

notas de rodapé