Abstract Changes in cis-regulatory elements play important roles in adaptation and phenotypic evolution. However, their contribution to metabolic adaptation of organisms is less understood. Here we have utilized a unique vertebrate model, Astyanax mexicanus, different morphotypes of which survive in nutrient-rich surface and nutrient-deprived cave water to uncover gene regulatory networks in metabolic adaptation. We performed genome-wide epigenetic profiling in the liver tissue of one surface and two independently derived cave populations. We find that many cis-regulatory elements differ in their epigenetic status/chromatin accessibility between surface fish and cavefish, while the two independently derived cave populations have evolved remarkably similar regulatory signatures. These differentially accessible regions are associated with genes of key pathways related to lipid metabolism, circadian rhythm and immune system that are known to be altered in cavefish. Using in vitro and in vivo functional testing of the candidate cis-regulatory elements, we find that genetic changes within them cause quantitative expression differences. We characterized one cis-regulatory element in the hpdb gene and found a genomic deletion in cavefish that abolishes binding of the transcriptional repressor IRF2 in vitro and derepresses enhancer activity in reporter assays. Genetic experiments further validated a cis-mediated role of the enhancer and suggest a role of this deletion in the upregulation of hpdb in wild cavefish populations. Selection of this mutation in multiple independent cave populations supports its importance in the adaptation to the cave environment, providing novel molecular insights into the evolutionary trade-off between loss of pigmentation and adaptation to a food-deprived cave environment.

Abstract Nutrient availability varies seasonally and spatially in the wild. The resulting nutrient limitation or restricted access to nutrients pose a major challenge for every organism. While many animals, such as hibernating animals, evolved strategies to overcome periods of nutrient scarcity, the cellular mechanisms of these strategies are poorly understood. Cave environments represent an extreme example of nutrient deprived environments since the lack of sunlight and therefore primary energy production drastically diminishes the nutrient availability. Here, we used Astyanax mexicanus , which includes river-dwelling surface fish and cave adapted cavefish populations to study the genetic adaptation to nutrient limitations. We show that cavefish populations store large amounts of fat in different body regions when fed ad libitum in the lab. We found higher expression of lipogenesis genes in cavefish livers when fed the same amount of food as surface fish, suggesting an improved ability of cavefish to use lipogenesis to convert available energy into triglycerides for storage into adipose tissue. Moreover, the lipid metabolism regulator, Peroxisome proliferator-activated receptor γ (Pparγ), is upregulated at both transcript and protein levels in cavefish livers. Chromatin Immunoprecipitation sequencing (ChIP seq) showed that Pparγ binds cavefish promoter regions of genes to a higher extent than surface fish. Finally, we identified two possible regulatory mechanisms of Pparγ in cavefish: higher amounts of ligands of the nuclear receptor, and nonsense mutations in per2 , a known repressor of Pparγ. Taken together, our study reveals that upregulated Pparγ promotes higher levels of lipogenesis in the liver and contributes to higher body fat accumulation in cavefish populations, an important adaptation to nutrient limited environments.

Abstract Physical inactivity – specifically the lack of moderate-to-vigorous activity – is a scourge to human health, promoting metabolic disease and muscle wasting. Interestingly, multiple ecological niches have relaxed investment into physical activity, providing unique evolutionary insight into adaptive physical inactivity. The Mexican cavefish Astyanax mexicanus lost moderate-to-vigorous activity following cave colonization, reaching basal swim speeds ~3-fold slower than their river-dwelling counterpart. We found that this was accompanied by a marked shift in body composition, decreasing muscle mass by 30% and increasing fat mass by 40%. This shift persisted at the single muscle fiber level via increased lipid and sugar accumulation at the expense of myofibrillar volume. Transcriptomic analysis of laboratory-reared and wild-caught cavefish indicated this shift in investment is driven by increased expression of pparγ – the master regulator of adipogenesis – with a simultaneous decrease in fast myosin heavy chain expression. Ex vivo and in vivo analysis confirmed these investment strategies come with a functional trade-off, decreasing cavefish muscle fiber shortening velocity, time to maximal force, and ultimately maximal swimming velocity. Despite this, cavefish displayed a striking degree of muscular endurance, reaching maximal swim speeds ~3.5-fold faster than their basal swim speeds. Multi-omics analysis indicated metabolic reprogramming, specifically increased phosphoglucomutase-1 abundance, phosphorylation, and activity, as contributing mechanisms enhancing cavefish glycogen utilization under metabolically strenuous conditions. Collectively, we reveal broad skeletal muscle reprogramming following cave colonization, displaying an adaptive skeletal muscle phenotype reminiscent to mammalian disuse and high-fat models while simultaneously maintaining a unique capacity for sustained muscle contraction under fatiguing conditions. Significance The evolutionary consequence of decreased physical activity upon skeletal muscle physiology remains unexplored. Using the Mexican cavefish, we find loss of moderate-to-vigorous swimming following cave colonization has resulted in broad shifts in skeletal muscle investment – away from muscle mass and instead toward fat and sugar accumulation – ultimately decreasing muscle fiber twitch kinetics. Surprisingly though, cavefish possessed marked muscular endurance, reaching maximal swimming speeds rivaling their river-dwelling counterpart. Multi-omics analysis revealed carbohydrate metabolic reprogramming as a contributing component, most notably elevated abundance and phosphorylation of the glycogenolytic enzyme Phosphoglucomutase-1 – a likely adaptation to cave-specific hypoxia. These findings emphasize the impact multiple selective pressures have on skeletal muscle physiology, providing the first evolutionary insight into skeletal muscle adaptation following decreased activity.

Abstract Reduced parasite infection rates in the developed world are suspected to underlie the rising prevalence of autoimmune disorders. However, the long-term evolutionary consequences of decreased parasite exposure on an immune system are not well understood. We used the Mexican tetra Astyanax mexicanus to understand how loss of parasite diversity influences the evolutionary trajectory of the vertebrate immune system by comparing river with cave morphotypes. Here, we present field data that affirms a strong reduction in parasite diversity in the cave ecosystem and show that cavefish immune cells display a more sensitive proinflammatory response towards bacterial endotoxins. Surprisingly, other innate cellular immune responses, such as phagocytosis, are drastically decreased in cavefish. Using two independent single-cell approaches, we identified a shift in the overall immune cell composition in cavefish as the underlying cellular mechanism, indicating strong differences in the immune investment strategy. While surface fish invest evenly into the innate and adaptive immune system, cavefish shifted immune investment to the adaptive immune system, and here, mainly towards specific T-cell populations that promote homeostasis. Additionally, inflammatory responses and immunopathological phenotypes in visceral adipose tissue are drastically reduced in cavefish. Our data indicate that long term adaptation to low parasite diversity coincides with a more sensitive immune system in cavefish, which is accompanied by a reduction of the immune cells that play a role in mediating the proinflammatory response.

Abstract Identifying the genetic factors that underlie complex traits is central to understanding the mechanistic underpinnings of evolution. In nature, adaptation to severe environmental change, such as encountered following colonization of caves, has dramatically altered genomes of species over varied time spans. Genomic sequencing approaches have identified mutations associated with troglomorphic trait evolution, but the functional impacts of these mutations remain poorly understood. The Mexican Tetra, Astyanax mexicanus , is abundant in the surface waters of northeastern Mexico, and also inhabits at least 30 different caves in the region. Cave-dwelling A. mexicanus morphs are well adapted to subterranean life and many populations appear to have evolved troglomorphic traits independently, while the surface-dwelling populations can be used as a proxy for the ancestral form. Here we present a high-resolution, chromosome-level surface fish genome, enabling the first genome-wide comparison between surface fish and cavefish populations. Using this resource, we performed quantitative trait locus (QTL) mapping analyses for pigmentation and eye size and found new candidate genes for eye loss such as dusp26 . We used CRISPR gene editing in A. mexicanus to confirm the essential role of a gene within an eye size QTL, rx3 , in eye formation. We also generated the first genome-wide evaluation of deletion variability that includes an analysis of the impact on protein-coding genes across cavefish populations to gain insight into this potential source of cave adaptation. The new surface fish genome reference now provides a more complete resource for comparative, functional, developmental and genetic studies of drastic trait differences within a species.

Astyanax mexicanus is a well-established and widely used fish model system for evolutionary and developmental biology research. These fish exist as surface forms that inhabit rivers and 30 different populations of cavefish. The establishment of A. mexicanus as an emergent model organism for understanding the evolutionary basis of development and behavior has been accelerated by an increasing availability of genomic approaches to identify genotype-phenotype associations. Despite important progress in the deployment of new technologies, deep mechanistic insights into A. mexicanus evolution and development have been limited by a lack of transgenic lines commonly used in genetic model systems. Here, we expand the toolkit of transgenesis by characterizing two novel stable transgenic lines that were generated using the highly efficient Tol2 system, commonly used to generate transgenic zebrafish. A stable transgenic line consisting of the zebrafish ubiquitin promoter fused to eGFP expressed eGFP ubiquitously throughout development in a surface population of Astyanax. To define specific cell-types, we injected fish with a Cntnap2-mCherry construct that labels lateral line mechanosensory neurons in zebrafish. Strikingly, both constructs appear to label the predicted cell types, suggesting many genetic tools and defined promoter regions in zebrafish are directly transferrable to cavefish. The lines provide proof-of-principle for the application of Tol2 transgenic technology in A. mexicanus. Expansion on these initial transgenic lines will provide a platform to address broadly important problems in the quest to bridge the genotype to phenotype gap.

CpG Methylation of polynucleotides is one of the most studied epigenetic mechanisms that enable organisms to change their phenotype without altering the genotype. More recently CpG methylation occurring on small noncoding RNAs, especially of certain transfer RNAs has come into focus. This modification is established by the most conserved member of the DNA methyltransferase family, Dnmt2. Dnmt2 has been indicated in transferring paternal phenotypes to offspring in mice and its absence leads to an increased sensitivity to a variety of stressors in Drosophila melanogaster. We therefore hypothesise that it also might play a role in paternal transgenerational immune priming, which can be observed in the red flour beetle Tribolium castaneum, where exposure to a non-lethal dose of bacteria in fathers protects their offspring against a potentially lethal dose of the same pathogen. We were able to show that Dnmt2 is expressed throughout the entire life cycle of the beetle and that expression is significantly higher in the testes. We then combined a knockdown of Dnmt2 via pupal RNAi with a bacterial priming treatment in the eclosed adults and monitored the effects on their offspring. We used the entomopathogenic bacterium Bacillus thuringiensis for priming and challenge injections in adult fathers and offspring respectively. In the paternal generation, neither viability nor fertility were affected by either RNAi or priming treatment compared to the respective controls. Dnmt2 RNAi treatment led to a significant downregulation and slowed down the development in the offspring larvae. Although, we could not observe a significant paternal priming effect independent of treatment, paternal knockdown led to increased mortality after bacterial injection with B. thuringiensis. This demonstrates again an increased stress sensitivity caused by a lack of Dnmt2. Furthermore, to the best of our knowledge this is the first instance where this effect was observed in the offspring generation. In conclusion, our results highlight the importance of Dnmt2 and show the need to further investigate this enzyme and its function in tRNA methylation and paternal non-genetic inheritance.

Periodic food shortage is one of the biggest challenges organisms face in natural habitats. How animals cope with nutrient limited conditions is an active area of study, of particular relevance in the context of the current increasing destabilization of global climate. Caves represent an extreme setting where animals have adapted to nutrient-limited conditions, as most cave environments lack a primary energy source. Here we show that cave-adapted populations of the Mexican Tetra, Astyanax mexicanus, have dysregulated blood glucose homeostasis and are insulin resistant compared to the river-adapted population. We found that multiple cave populations carry a mutation in the insulin receptor that leads to decreased insulin binding in vitro. Surface/cave hybrid fish carrying the allele weigh more than non-carriers, and zebrafish genetically engineered to carry the mutation similarly have increased body weight and insulin resistance. Higher bodyweight may be advantageous in the cave as a strategy to cope with infrequent food. In humans, the identical mutation in the insulin receptor leads to a severe form of insulin resistance and dramatically reduced life-span. However, cavefish have a similar lifespan to surface fish (of greater than fourteen years) and do not accumulate advanced glycated end products (AGEs) in the blood that are typically associated with progression of diabetes-associated pathologies. Our findings raise the intriguing hypothesis that cavefish have acquired compensatory mechanisms that allow them to circumvent the typical negative effects associated with failure to regulate blood glucose.

Abstract Sleep is a highly complex and conserved biological process that affects several body functions and behaviors. Recent evidence suggests that there is a reciprocal interaction between sleep and immunity. For instance, fragmented sleep can increase the probability of parasitic infections and reduce the ability of infected hosts to fight infections. It is also known, particularly in humans and other mammals, that viral and bacterial infections alter the sleep patterns of infected individuals. However, the effects of macro-parasitic infections on sleep remain largely unknown. In this study, we investigated whether macro-parasite infections could alter the sleep of their hosts. We experimentally infected three-spined sticklebacks ( Gasterosteus aculeatus ) with the tapeworm Schistocephalus solidus and used a hidden Markov model to characterize sleep-associated behaviors in the sticklebacks. At an early time-point, 1-4 days after parasite exposure, infected fish showed no difference in sleep compared with non-exposed fish, whereas fish that were exposed but could fend off the infection slept less during the daytime. At a later time-point, 29-32 days after exposure, infected fish slept more than uninfected fish, while exposed-but-not-infected fish slept less than non-exposed fish. Using RNA-seq of brain tissue, we identified several immune- and sleep-associated genes that potentially underlie the observed behavioral changes. These results provide the first insight into the complex association between macro-parasite infection, immunity, and sleep in fish and may thus contribute to a better understanding of the reciprocal interaction between sleep and immunity.

A shift in environmental conditions impacts the evolution of complex developmental and behavioral traits. The Mexican cavefish, Astyanax mexicanus, is a powerful model for examining the evolution of development, physiology, and behavior because multiple cavefish populations can be compared to an extant and ancestral-like surface population of the same species. Many behaviors have diverged in cave populations of A. mexicanus, and previous studies have shown that cavefish have a loss of sleep, reduced stress, an absence of social behaviors, and hyperphagia. Despite these findings, surprisingly little is known about the changes in neuroanatomy that underlie these behavioral phenotypes. Here, we use serial sectioning to generate a brain atlas of surface fish and three independent cavefish populations. Volumetric reconstruction of serial-sectioned brains confirms convergent evolution on reduced optic tectum volume in all cavefish populations tested. In addition, we quantified volumes of specific neuroanatomical loci within several brain regions, which have previously been implicated in behavioral regulation, including the hypothalamus, thalamus, and habenula. These analyses reveal an expansion of the hypothalamus across all three cavefish populations relative to surface fish, as well as subnuclei-specific differences within the thalamus and habenulae. Taken together, these analyses support the notion that changes in environmental conditions are accompanied by neuroanatomical changes in brain structures associated with behavior. This atlas provides a resource for comparative neuroanatomy of additional brain regions and the opportunity to associate brain anatomy with evolved changes in behavior.