Functional evolution and regulation of aquaporin trafficking in marine fish oocytes

Abstract

L'èxit i el domini dels teleostis marins en ambients oceànics es veuen facilitats per l'evolució d'ous pelàgics (flotants) altament hidratats, que proporcionen als embrions una reserva vital d'aigua fins que es desenvolupen els sistemes osmorreguladors i en facilita la dispersió a les corrents oceàniques. Estudis anteriors han demostrat que la hidratació d'oòcits intercedit per aquaporines, juga un paper crucial en aquesta adaptació evolutiva. Tot i això, els mecanismes reguladors moleculars que controlen aquest procés vital no es comprenen completament. Mitjançant una anàlisi extensa de més de 400 genomes de peixos, en aquest treball hem identificat un grup d'aquaporina-1 específic per a teleostis (TSA1C) compost per gens aqp1aa-aqp1ab2-aqp1ab1 disposats en tàndem. L'anàlisi evolutiva funcional del TSA1C revela una història d'aproximadament 300 milions d'anys de pèrdua, neofuncionalització i subfuncionalització del gen aqp1ab-like, però amb espècies marines que fresa ous pelàgics altament hidratats retenint gairebé exclusivament almenys un dels paràlegs posteriors. Inesperadament, un terç dels teleostis euacantomorfs marins moderns retenen selectivament canals aqp1ab-like i llocs de fosforilació intervinguts per proteïna quinasa coevolucionats en els subdominis intracel·lulars juntament amb una unió Ywhaz-like (14-3-3ζ-like) específica en la regulació del trànsit en membranes intracel·lulars. També trobem que una derivació de canal regulada per dos passos evita l'ocupació competitiva del mateix espai de la membrana plasmàtica a l'oòcit per part d'Aqp1ab1 i -1ab2, i accelera la hidratació. Altres estudis van demostrar que als teleostis pelàgofils que mantenen TSA1C complets, com la orada (Sparus aurata), l'hormona luteïnitzant secretada per la hipòfisi i l'arginina vasopressina, així com la producció local del nonapèptid en els fol·licles ovàrics, regulen diferencialment el trànsit de Aqp1ab1 i -1ab2 a l'oòcit durant la hidratació. Per tant, aquestes cascades de transducció de senyals endocrines sistèmiques i paracrines regulen cooperativament el trànsit de membrana no competitiu dels canals Aqp1ab-like a l'oòcit i les cèl·lules fol·liculars associades. A més de les cascades de senyalització anteriors que controlen el trànsit d'aquaporines, trobem altres mecanismes reguladors que poden ser més rellevants per als pelagòfils que només retenen un dels gens d'aqp1ab-like, com els peixos soleids. Es va demostrar que diverses variants d'empalmament alternatiu no funcionals dels canals d'Aqp1ab-like causen maneres duals d'inhibició dominant-negativa de les proteïnes canòniques. Una manera implica la probable heterotetramerització de les variants d'Aqp1ab1 amb els canals canònics i la seva retenció en el reticle endoplàsmic (RE) per a la seva degradació final, mentre que el segon permet que Aqp1ab2 escapi parcialment del RE per assolir la membrana plasmàtica de l'oòcit; on flueix l'aigua; que inhibeix de manera dominant-negativa mitjançant l'heterotetramerització amb la isoforma no funcional. Atès que els nivells d'expressió fol·licular ovàrica de les isoformes inhibidores en el desenvolupament són més baixos durant la represa de la meiosi, preval un flux d'aigua desinhibit a través dels canals canònics a les microvellositats de l'oòcit. Finalment, prenent com a exemple la orada, hem proposat un model que integra els diferents mecanismes reguladors del trànsit d'aquaporines durant la hidratació d'oòcits en teleostis marins euacantomorfs. Aquest model proporciona informació valuosa sobre les adaptacions moleculars dels teleostis marins, cosa que no només millora el nostre coneixement de l'evolució dels teleostis, sinó que també té implicacions pràctiques per a l'aqüicultura i els esforços de conservació als ecosistemes marins.

El éxito y el dominio de los teleósteos marinos en ambientes oceánicos se ven facilitados por la evolución de huevos pelágicos (flotantes) altamente hidratados, que proporcionan a los embriones una reserva vital de agua hasta que se desarrollan los sistemas osmorreguladores y facilita su dispersión en las corrientes oceánicas. Estudios anteriores han demostrado que la hidratación de ovocitos mediada por acuaporinas juega un papel crucial en esta adaptación evolutiva. Sin embargo, los mecanismos reguladores moleculares que controlan este proceso vital no se comprenden completamente. A través de un análisis extenso de más de 400 genomas de peces, en este trabajo hemos identificado un grupo de acuaporina-1 específico para teleósteos (TSA1C) compuesto por genes aqp1aa-aqp1ab2-aqp1ab1 dispuestos en tándem. El análisis evolutivo funcional del TSA1C revela una historia de aproximadamente 300 millones de años de pérdida, neofuncionalización y subfuncionalización del gen tipo aqp1ab, pero con especies marinas que desova huevos pelágicos altamente hidratados reteniendo casi exclusivamente al menos uno de los parálogos posteriores. Inesperadamente, un tercio de los teleósteos euacantomorfos marinos modernos retienen selectivamente canales de tipo aqp1ab y sitios de fosforilación mediados por proteína quinasa coevolucionados en los subdominios intracelulares junto con una unión Ywhaz-like (14-3-3ζ-like) específica de teleósteos, cooperando en la regulación del tráfico en membranas intracelulares. También encontramos que una derivación de canal regulada de dos pasos evita la ocupación competitiva del mismo espacio de la membrana plasmática en el ovocito por parte de Aqp1ab1 y -1ab2 y acelera la hidratación. Otros estudios demostraron que en los teleósteos pelágofilos que mantienen TSA1C completos, como la dorada (Sparus aurata), la hormona luteinizante secretada por la hipófisis y la arginina vasopresina, así como la producción local del nonapéptido en los folículos ováricos, regulan diferencialmente el tráfico de Aqp1ab1 y -1ab2 en el ovocito durante la hidratación. Por lo tanto, estas cascadas de transducción de señales endocrinas sistémicas y paracrinas regulan cooperativamente el tráfico de membrana no competitivo de los canales de tipo Aqp1ab en el ovocito y las células foliculares asociadas. Además de las cascadas de señalización anteriores que controlan el tráfico de acuaporinas, encontramos otros mecanismos reguladores que pueden ser más relevantes para los pelagofilos que solo retienen uno de los genes de aqp1ab-like, como los peces soleidos. Se demostró que varias variantes de empalme alternativo no funcionales de los canales de Aqp1ab-like causan modos duales de inhibición dominante-negativa de las proteínas canónicas. Un modo implica la probable heterotetramerización de las variantes de Aqp1ab1 con los canales canónicos y su retención en el retículo endoplásmico (RE) para su degradación final, mientras que el segundo permite que Aqp1ab2 escape parcialmente del RE para alcanzar la membrana plasmática del ovocito; donde fluye el agua; que inhibe de forma dominante-negativa mediante la heterotetramerización con la isoforma no funcional. Dado que los niveles de expresión folicular ovárica de las isoformas inhibidoras en el desarrollo son más bajos durante la reanudación de la meiosis, prevalece un flujo de agua desinhibido a través de los canales canónicos en las microvellosidades del ovocito. Finalmente, tomando como ejemplo la dorada, hemos propuesto un modelo que integra los diferentes mecanismos reguladores del tráfico de acuaporinas durante la hidratación de ovocitos en teleósteos marinos euacantomorfos. Este modelo proporciona información valiosa sobre las adaptaciones moleculares de los teleósteos marinos, lo que no sólo mejora nuestro conocimiento de la evolución de los teleósteos, sino que también tiene implicaciones prácticas para la acuicultura y los esfuerzos de conservación en los ecosistemas marinos.

The success and dominance of marine teleosts in oceanic environments are facilitated by the evolution of highly hydrated pelagic (buoyant) eggs, which provides the embryos with a vital pool of water until osmoregulatory systems develop and facilitates their dispersal in the oceanic currents. Previous studies have shown that aquaporin-mediated oocyte hydration plays a crucial role in this evolutionary adaptation. However, the molecular regulatory mechanisms controlling this vital process are not fully understood. Through an extensive analysis of over 400 fish genomes, in this work we have identified a teleost-specific aquaporin-1 cluster (TSA1C) comprised of tandemly arranged aqp1aa-aqp1ab2-aqp1ab1 genes. Functional evolutionary analysis of the TSA1C reveals a ~300-million-year history of downstream aqp1ab-type gene loss, neofunctionalization, and subfunctionalization, but with marine species that spawn highly hydrated pelagic eggs almost exclusively retaining at least one of the downstream paralogs. Unexpectedly, one-third of the modern marine euacanthomorph teleosts selectively retain both aqp1ab-type channels and co-evolved protein kinase-mediated phosphorylation sites in the intracellular subdomains together with teleost-specific Ywhaz-like (14-3-3ζ-like) binding proteins for co-operative intracellular membrane trafficking regulation. We also found that a two-step regulated channel shunt avoids competitive occupancy of the same plasma membrane space in the oocyte by Aqp1ab1 and -1ab2 and accelerates hydration. Further studies showed that in pelagophil teleosts that maintain complete TSA1Cs, such as the gilthead seabream (Sparus aurata), pituitary-secreted luteinizing hormone and arginine vasopressin, as well as local production of the nonapeptide in the ovarian follicles, differentially regulate Aqp1ab1 and -1ab2 trafficking in the oocyte during hydration. Thus, these endocrine systemic and paracrine signal transduction cascades co-operatively regulate the non-competitive membrane trafficking of Aqp1ab-type channels in the oocyte and associated follicle cells. In addition to the above signaling cascades controlling aquaporin trafficking, we found other regulatory mechanisms which may be more relevant to pelagophils that only retain one of the aqp1ab-type genes, such as soleid fishes. Several non-functional splice variants of the Aqp1ab-type channels were shown to cause dual modes of dominant-negative inhibition of the canonical proteins. One mode involves the likely hetero-tetramerization of Aqp1ab1 variants with the canonical channels and their retention in the endoplasmic reticulum (ER) for ultimate degradation, while the second allows Aqp1ab2 to partially escape from the ER to reach the oocyte plasma membrane, where water flux is dominantly-negatively inhibited through hetero-tetramerization with the non-functional isoform. Since developmental ovarian follicular expression levels of the inhibitory isoforms are lowest during meiosis resumption, an uninhibited water flux via the canonical channels in the oocyte microvilli prevails. Finally, based on the gilthead seabream as an example, we have proposed a model that integrates the different regulatory mechanisms of aquaporin trafficking during oocyte hydration in euacanthomorph marine teleosts. This model provides a valuable insight into the molecular adaptations of marine teleosts, which not only enhances our knowledge of teleost evolution, but also has practical implications for aquaculture and conservation efforts in marine ecosystems.