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 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 Cell lines have become an integral resource and tool for conducting biological experiments ever since the Hela cell line was first developed (1). They not only allow detailed investigation of molecular pathways but are faster and more cost-effective than most in vivo approaches. The last decade saw many emerging model systems strengthening basic science research. However, lack of genetic and molecular tools in these newer systems pose many obstacles. Astyanax mexicanus is proving to be an interesting new model system for understanding metabolic adaptation. To further enhance the utility of this system, we developed liver-derived cell lines from both surface-dwelling and cave-dwelling morphotypes. In this study, we provide detailed methodology of the derivation process along with a comprehensive biochemical and molecular characterization of the cell lines, which reflects key metabolic traits of cavefish adaptation. We anticipate these cell lines to become a useful resource for the Astyanax community as well as researchers investigating fish biology, comparative physiology, and metabolism.

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.

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.

Summary Circadian control of physiology and metabolism is pervasive throughout nature, with circadian disruption contributing to premature aging, neurodegenerative disease, and type 2 diabetes (Musiek et al. 2016; Panda, 2016). It has become increasingly clear that peripheral tissues, such as skeletal muscle, possess cell-autonomous clocks crucial for metabolic homeostasis (Gabriel et al. 2021). In fact, disruption of the skeletal muscle circadian rhythm results in insulin resistance, sarcomere disorganization, and muscle weakness in both vertebrates and non-vertebrates – indicating that maintenance of a functional muscle circadian rhythm provides an adaptive advantage. We and others have found that cavefish possess a disrupted central circadian rhythm and, interestingly, a skeletal muscle phenotype strikingly similar to circadian knock-out mutants; namely, muscle loss, muscle weakness, and insulin resistance (Olsen et al. 2022; Riddle et al. 2018; Mack et al. 2021). However, whether the cavefish muscle phenotype results from muscle-specific circadian disruption remains untested. To this point, we investigated genome-wide, circadian-regulated gene expression within the skeletal muscle of the Astyanax mexicanus – comprised of the river-dwelling surface fish and troglobitic cavefish – providing novel insights into the evolutionary consequence of circadian disruption on skeletal muscle physiology.