Tardigrade-genomen onthullen geheimen van extreme overleving

Recent onderzoek naar tardigrades onthult een complexe genetische basis voor hun extreme flexibiliteit, waarbij eerdere aannames over hun aanpassingen aan de omgeving in twijfel worden getrokken en wordt gewezen op onafhankelijke evolutionaire gebeurtenissen in hun vermogen om te anhydropathiseren.

Beerbeertjes kunnen de ultieme overlevenden van de natuur zijn. Hoewel het gemakkelijk is om deze kleine, bijna transparante dieren over het hoofd te zien, vertegenwoordigen ze een diverse groep die met succes zoetwater-, zee- en landmilieus op elk continent heeft gekoloniseerd, inclusief Antarctica.

Deze ongewone wezens staan ​​bekend als ‘waterberen’ en behoren mogelijk tot de meest veerkrachtige organismen op aarde dankzij hun ongeëvenaarde vermogen om te overleven in extreme omstandigheden, met verschillende… Classificeren Bestand zijn tegen droogte, hoge stralingsdoses, zuurstofarme omgevingen en hoge en lage temperaturen en druk.

Hoewel is voorgesteld dat veel genen bijdragen aan deze extreme tolerantie, is een alomvattend begrip van de oorsprong en geschiedenis van deze unieke aanpassingen ongrijpbaar gebleven. Uit een nieuwe studie gepubliceerd in Genoombiologie en evolutiewetenschappers van het Institute for Advanced Biosciences van Keio University Universiteit van Oslo Natuurhistorisch Museum, en Universiteit van Bristol Het onthult een verrassend complex netwerk van genduplicaties en verliezen die verband houden met het extreme uithoudingsvermogen van beerdiertjes, en benadrukt het complexe genetische landschap dat de ecologie van moderne beerdiertjes aandrijft.

Tardigrade-genfamilies begrijpen

Als een vorm van extreem uithoudingsvermogen kunnen beerdiertjes een bijna volledige uitdroging overleven door in een staat van diapauze te komen die anhydrobiose wordt genoemd.elk, Leven zonder water), waardoor ze hun metabolisme omkeerbaar kunnen stoppen. Er is eerder gevonden dat meerdere tardigrade-specifieke genfamilies geassocieerd zijn met ahydrobiose.

Drie van deze genfamilies worden aangeduid als CIk smeek u, MMitochondriën, en SGeheim AUitgebreid HHij eet SOplosbare eiwitten (respectievelijk CAHS, MAHS en SAHS) gebaseerd op de cellulaire locatie waarin de eiwitten tot expressie worden gebracht. Sommige beerdiertjes lijken een andere route te hebben waarbij twee families van overvloedige, door warmte oplosbare eiwitten betrokken zijn die voor het eerst werden geïdentificeerd in beerdiertjes. Equinesus-test Ze worden meestal alfa- en bèta-EtAHS genoemd.

Afbeelding van een tardigrade Ramazotius variornatus, in het midden van de CAHS-lijn, is de grootste van de zes met droogte geassocieerde eiwitfamilies die in deze studie zijn geanalyseerd. Krediet: Kazuharu Arakawa, Keio Instituut voor Geavanceerde Biowetenschappen

Beerdiertjes bezitten ook stressresistentiegenen die bij bredere dieren kunnen worden aangetroffen, zoals het meiotische recombinatie 11 (MRE11) gen, dat betrokken is bij droogtetolerantie bij andere dieren. Helaas is er sinds de identificatie van deze genfamilies beperkte informatie beschikbaar over de meeste tardigrade-lijnen, waardoor het moeilijk wordt om conclusies te trekken over hun oorsprong, geschiedenis en ecologische implicaties.

Onderzoek naar de evolutie van tardigrades

Om beter licht te werpen op de evolutie van de extreme tolerantie van beerdiertjes, identificeerden de auteurs van de nieuwe studie – James Fleming, David Pisani en Kazuharu Arakawa – sequenties van deze zes genfamilies in 13 geslachten van beerdiertjes, inclusief vertegenwoordigers van elk van de belangrijkste tardigrade geslachten. Eutardigrades en Heterotardigrades. Hun analyse onthulde 74 CAHS-, 8 MAHS-, 29 SAHS-, 22 EtAHS alpha-, 18 EtAHS beta- en 21 MRE11-sequenties, waardoor ze de eerste tardigrade-fylogenieën voor deze genfamilies konden construeren.

Omdat droogteresistentie waarschijnlijk naar voren kwam als een aanpassing aan de terrestrische omgeving, veronderstelden de onderzoekers dat ze een verband zouden vinden tussen genduplicatie en verlies in deze genfamilies en habitatveranderingen binnen tardigrades. “Toen we met het werk begonnen, verwachtten we dat elke clade duidelijk geclusterd zou zijn rond oude versies, met weinig onafhankelijke verliezen. Dit zou ons helpen ze gemakkelijk te koppelen aan het begrijpen van moderne habitats en ecologie”, zegt de hoofdauteur van het onderzoek, James Fleming. “Het is een intuïtieve hypothese dat de evolutie van de transcriptie van deze aan droogte gerelateerde genen in theorie overblijfselen zou moeten bevatten van de milieugeschiedenis van deze organismen, hoewel dit in werkelijkheid een te grote vereenvoudiging blijkt te zijn.”

In plaats daarvan waren de onderzoekers verrast door het enorme aantal onafhankelijke kopieën van door warmte oplosbare genen, wat een complexer beeld schetste van de evolutie van genen gerelateerd aan anhydrobiose. Het is echter vermeldenswaard dat er geen duidelijk verband bestond tussen sterke anhydrobiologische soorten en het aantal anhydrobiologisch verwante genen dat een soort bezit. ‘Wat we ontdekten was veel spannender’, zegt Fleming, ‘een complex netwerk van onafhankelijke winsten en verliezen die niet noodzakelijkerwijs verband houden met de omgeving van moderne terrestrische soorten.’

Autonome aanpassingen in tardigrade-lijnen

Hoewel er geen verband bestond tussen genduplicatie en de omgeving van tardigrades, verschafte de studie cruciaal inzicht in de belangrijkste transformaties die leidden tot de verwerving van ahydrobiose. De verschillende verdelingen van genfamilies over de twee belangrijkste groepen beerdiertjes – CAHS, MAHS en SAHS bij Eutardigrades en EtAHS alfa en bèta bij Heterotardigrades – suggereren dat twee onafhankelijke overgangen van mariene naar terrestrische heldere omgevingen plaatsvonden binnen beerdiertjes, ooit in de voorouder van Eutardigrade. en een keer in Within Heterotardigrades.

Dit onderzoek vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in ons begrip van de evolutie van ahydrobiose bij beerdiertjes. Het biedt ook een basis voor toekomstige studies naar extreme tolerantie voor beerdiertjes, waarvoor een voortdurende ontwikkeling van genomische hulpbronnen uit meer diverse beerdiersoorten nodig zal zijn.

“Helaas hebben we geen vertegenwoordigers van een aantal belangrijke families, zoals de Isohypsibiidae, en dit beperkt de mate waarin we aan onze conclusies kunnen vasthouden”, zegt Fleming. “Met meer monsters van zoetwater- en mariene tardigrades zullen we de aanpassingen van leden van de terrestrische groep beter kunnen inschatten.” Helaas kunnen sommige tardigrades bijzonder ongrijpbaar zijn, wat een groot obstakel voor dergelijke onderzoeken vormt. Bijvoorbeeld, Tanarctus populus, een van Fleming's favoriete tardigrades, is zo klein dat hij niet met het blote oog kan worden gezien, en wordt alleen aangetroffen in sedimenten in de Noord-Atlantische Oceaan op een diepte van ongeveer 150 meter. “We hopen dat grootschalige sequencing-initiatieven via het Earth Biogenome Project deze leemte in ons begrip gestaag zullen opvullen, en ik ben blij dat dit doorgaat”, zegt Fleming.

Referentie: “De evolutie van temperatuur- en droogtegerelateerde eiwitfamilies in tardigrades onthult de complexe verwerving van extreme tolerantie” door James F. Fleming, David Pisani en Kazuharu Arakawa, 29 november 2023, Genoombiologie en evolutie.
doi: 10.1093/jpe/evad217