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Metabolomics-Analyse von annuellen Killifish-Embryonen (Austrofundulus limnaeus) bei Dehydrationsstress aus der Luft
Metabolomics analysis of annual killifish (Austrofundulus limnaeus) embryos during aerial dehydration stress
Metabolomics-Analyse von annuellen Killifish-Embryonen (Austrofundulus limnaeus) bei Dehydrationsstress aus der Luft
Autoren
Daniel E. Zajic1,2 * und Jason E. Podrabsky1
1 Institut für Biologie, Portland State University, Postfach 751, Portland, OR 97207 2 Gesundheit, menschliche Leistung, und Leichtathletik-Abteilung, Linfield University, 900 SE Baker, McMinnville, OR 97128
Zusammenfassung
Der jährliche Killifisch Austrofundulus limnaeus überlebt in kurzlebigen Teichen in den Küstenwüsten Venezuelas. Die Persistenz während der Trockenzeit hängt von dürreresistenten Eiern ab, die während der Regenzeit in die Teichsedimente eingebettet sind. Die Fähigkeit dieser Embryonen, während der normalen Entwicklung in eine drastische Stoffwechselruhe (Diapause) einzutreten, ermöglicht es A. limnaeus, Bedingungen zu überleben, die für die meisten anderen aquatischen Wirbeltiere tödlich sind. Entscheidend für das Überleben der Art ist die Fähigkeit der Embryonen, Monate und vielleicht Jahre ohne Zugang zu flüssigem Wasser zu überleben. Über die molekularen Mechanismen, die das Überleben der Trockenzeit unterstützen, ist wenig bekannt. Diese Studie zielt darauf ab, Einblicke in die Mechanismen zu erhalten, die das Überleben von Dehydrationsstress aufgrund von Exposition aus der Luft erleichtern, indem Metabolitenprofile ruhender und sich entwickelnder Embryonen untersucht werden. Es gibt starke Hinweise auf einzigartige Stoffwechselprofile, die auf dem Entwicklungsstadium und der Dauer der Exposition aus der Luft basieren. Aktiv sich entwickelnde Embryonen zeigen robustere Veränderungen, ruhende Embryonen reagieren jedoch aktiv und verändern ihr Stoffwechselprofil signifikant. Eine Reihe von Metaboliten reichern sich in Embryonen an, die der Luft ausgesetzt sind und eine wichtige Rolle für das Überleben spielen können, einschließlich der Identifizierung bekannter Antioxidantien und Neuroprotektiva. Darüber hinaus werden eine Reihe einzigartiger Metaboliten identifiziert, die in der Dehydratisierungsliteratur noch nicht diskutiert wurden, wie Lanthionin und 2-Hydroxyglutarat. Trotz hoher Sauerstoffverfügbarkeit reichern Embryonen das anaerobe Endprodukt Laktat an. Dieses Papier bietet einen Überblick über die Stoffwechselveränderungen, die das Überleben von Embryonen während Dehydrationsstress aufgrund von Inkubation aus der Luft unterstützen können.
Einleitung
Der jährliche Killifisch Austrofundulus limnaeus bewohnt temporäre Pools im Maracaibo-Becken in Venezuela. Ihr Lebensraum wird durch höchst unvorhersehbare episodische Regenereignisse definiert, was zu Unsicherheiten darüber führt, wie lange ein Pool überschwemmt wird. So können einzelne Pools Monate oder vielleicht Jahre trocken bleiben (44, 50, 52). Während der Regenzeit lagern erwachsene A. limnaeus ihre Embryonen im oft sauerstoffbegrenzten Poolsubstrat ab. Am Ende der Regenzeit sterben die erwachsenen Fische und die Embryonen müssen stark dehydrierende Bedingungen im Schlamm überstehen, die häufig einer Vielzahl anderer Belastungen wie extremen Temperaturen und Sauerstoff ausgesetzt sind, bis die Regenzeit zurückkehrt und sie die Entwicklung abschließen können (44). Infolgedessen hat A. limnaeus extrem stressresistente Embryonen entwickelt, die in einen als Diapause bezeichneten Zustand einer metabolischen Depression eintreten können (48, 49). Es gibt drei einzigartige Stadien der Diapause (I, II und III), in die ein Embryo während der Entwicklung eintreten kann (43, 70, 71). Das stressresistenteste Stadium, die Diapause II (DII), tritt in der Mitte der Entwicklung auf und besteht hauptsächlich aus Herz- und Nervengewebe (48, 51). Die Entwicklungsökologie von A. Limnaeus-Embryonen wurden auf diesem Gebiet nicht charakterisiert. Embryonen anderer Arten von jährlichen Killifischen kommen jedoch hauptsächlich in DII während des Höhepunkts der Trockenzeit und in einer Vielzahl von Post-DII-Stadien während der späten Trockenzeit vor (53). Daher ist DII wahrscheinlich hauptsächlich für das Überleben in der Trockenzeit bei A. limnaeus verantwortlich, aber eine Toleranz gegenüber Dehydratisierungsbedingungen ist während der gesamten Dauer der Post-DII-Entwicklung erforderlich. Bei Wasserorganismen führt die Exposition aus der Luft aufgrund einer erhöhten Verfügbarkeit im Vergleich zu den meisten aquatischen Lebensräumen zu Sauerstoffstress, aber auch zu einem starken Dehydrierungsstress. Ein Hauptgrund für eine Dehydratisierungsverletzung ist die erhöhte Bildung von ROS und die anschließende oxidative Schädigung durch Wasserstress (14). Die Bildung freier Radikale kann zu Lipidperoxidation, Denaturierung von Proteinen und DNA-Schäden führen, die letztendlich den Gesamtstoffwechsel beeinflussen können (18). Der Schutz vor solchen Schäden kann jedoch teilweise durch die Anreicherung von antioxidativen Metaboliten wie Glutathion (GSH) gemindert werden (30). Embryonen von A. limnaeus haben eine bemerkenswerte Toleranz gegenüber oxidativem Stress (65), aber die Rolle von Antioxidantien wurde nicht durch die Linse von Dehydratisierungsstress untersucht.
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