Abstract Astyanax mexicanus , a species with both surface-dwelling and multiple cave-dwelling populations, offers a unique opportunity to study repeated adaptation to dark and resource-scarce environments. While previous work has identified large-scale changes in gene expression between morphs even under identical laboratory conditions, the regulatory basis of these expression differences remains largely unexplored. In this study, we focus on microRNAs (miRNAs) as key regulators of gene expression to understand cavefish adaptation nuances. Our analysis identified 683 miRNAs, which not only surpasses the number documented in related species but also provides the first comprehensive catalog of miRNAs for this species. We identified a unique subset of differentially expressed miRNAs common to all studied cave-dwelling populations, potentially orchestrating the nuanced gene expression patterns required for survival in the challenging cave milieu. Gene Ontology analysis of the predicted miRNA targets revealed involvement in developmental and metabolic pathways that are pivotal for thriving in nutrient-limited environments, such as the regulation of neuromast migration. Moreover, our study provides evidence for miRNA influence on circadian rhythm and oxidative stress response, both essential adaptations for the cave-dwelling lifestyle. The comprehensive miRNA catalog generated will guide future investigations into the intricate world of miRNA-mediated evolution of complex traits.

Abstract Insights from extreme-adapted organisms, which have evolved natural strategies for promoting survivability under severe environmental pressures, may help guide future research into novel approaches for enhancing human longevity. The cave-adapted Mexican tetra, Astyanax mexicanus , has attracted interest as a model system for metabolic resilience , a term we use to denote the property of maintaining robust health and longevity under conditions that would have highly deleterious effects in other organisms (Fig 1). Cave-dwelling populations of Mexi-can tetra exhibit elevated blood glucose and possess a mutation in the insulin receptor that in humans has been linked to Rabson-Mendenhall syndrome, a condition characterized by severe insulin resistance that causes numerous developmental abnormalities, is highly associated with debilitating progression, and drastically reduces lifespan. In addition, cavefish develop large numbers of hypertrophic visceral adipocytes and possess vastly enriched stores of body fat compared to surface-dwelling counterparts. However, cavefish appear to avoid the progression of the respective pathologies typically associated with these conditions, such as accumulation of advanced glycation end products (AGEs), chronic tissue inflammation, impaired growth due to insulin dysregulation, and low survivability due to arterial disease. The metabolic strategies underlying the resilience properties of A. mexicanus cavefish, and how they relate to environmental challenges of the cave environment, are poorly understood. Here, we provide an untargeted metabolomics study of long- and short-term fasting in two A. mexicanus cave populations and one surface population. We find that, although cave-fish share many similarities with metabolic syndrome normally associated with the human state of obesity, important differences emerge, including a reduction in cholesteryl esters and intermediates of protein glycation, and an increase in antioxidants and metabolites associated with hypoxia and longevity. We find important overlaps between metabolic alterations in cave-dwelling Mexican tetra and other models of resilience and extreme longevity, such as naked mole-rats, including enhanced reliance on sugars as an energy source and a trend toward more potent antioxidant activity. This work suggests that certain metabolic features associated with human pathologies are not intrinsically harmful, but are rather consequences of suboptimal adaptation of humans to survival under adverse metabolic conditions, and suggests promising avenues for future investigation into the role of metabolic strategies in evolutionary adaptation and health. We provide a transparent pipeline for reproducing our analysis and a Shiny app for other researchers to explore and visualize our dataset.

In vitro assays are crucial tools for gaining detailed insights into various biological processes, including metabolism. Cave morphs of the river-dwelling fish species, Astyanax mexicanus, have adapted their metabolism allowing them to thrive in the biodiversity-deprived and nutrient-limited environment of caves. Liver-derived cells from the cave and river morphs of Astyanax mexicanus have proven to be excellent in vitro resources to better understand the unique metabolism of these fish. However, the current 2D cultures have not fully captured the complex metabolic profile of the Astyanax liver. It is known that 3D culturing can modulate the transcriptomic state of cells when compared to its 2D monolayer culture. Therefore, in order to broaden the possibilities of the in vitro system by modeling a wider gamut of metabolic pathways, we cultured the liver-derived Astyanax cells of both surface and cavefish into 3D spheroids. We successfully established 3D cultures at various cell seeding densities for several weeks and characterized the resultant transcriptomic and metabolic variations. We found that the 3D cultured Astyanax cells represent a wider range of metabolic pathways, including cell cycle changes and antioxidant activities, associated with liver functioning as compared to its monolayer culture. Additionally, the spheroids also exhibited surface and cave-specific metabolic signatures, making it a suitable system for evolutionary studies associated with cave adaptation. Taken together, the liver-derived spheroids prove to be a promising in vitro model for widening our understanding of metabolism in Astyanax mexicanus and of vertebrates in general.