I genomi tardigradi rivelano i segreti della sopravvivenza estrema

I tardigradi potrebbero essere gli ultimi sopravvissuti della natura. Sebbene sia facile trascurare questi piccoli animali quasi trasparenti, rappresentano un gruppo eterogeneo che ha colonizzato con successo ambienti d’acqua dolce, marini e terrestri in ogni continente, compresa l’Antartide.

Conosciuti come “orsi d'acqua”, queste insolite creature potrebbero essere tra gli organismi più resistenti del pianeta grazie alla loro impareggiabile capacità di sopravvivere in condizioni estreme, con vari… Classificare Essere resistente alla siccità, alle alte dosi di radiazioni, agli ambienti a basso contenuto di ossigeno e alle alte e basse temperature e pressioni.

Sebbene sia stato proposto che molti geni contribuiscano a questa estrema tolleranza, una comprensione completa delle origini e della storia di questi adattamenti unici è rimasta sfuggente. In un nuovo studio pubblicato su Biologia ed evoluzione del genomascienziati dell'Istituto di bioscienze avanzate dell'Università di Keio Università di Oslo Museo di Storia Naturale e Università di Bristol Rivela una rete sorprendentemente complessa di duplicazioni e perdite genetiche associate all’estrema resistenza dei tardigradi, evidenziando il complesso panorama genetico che guida l’ecologia dei moderni tardigradi.

Comprensione delle famiglie di geni tardigradi

Come forma di resistenza estrema, i tardigradi possono sopravvivere alla disidratazione quasi completa entrando in uno stato di diapausa chiamato anidrobiosi.Qualunque, Vita senza acqua), permettendo loro di arrestare reversibilmente il loro metabolismo. In precedenza è stato scoperto che più famiglie di geni specifici dei tardigradi sono associate all'aidrobiosi.

Tre di queste famiglie di geni sono denominate CTi scongiuro, MMitocondri e SSecreto UNAmpio HLui mangia SProteine ​​solubili (rispettivamente CAHS, MAHS e SAHS) in base alla posizione cellulare in cui sono espresse. Alcuni tardigradi sembrano avere un percorso diverso che coinvolge due famiglie di abbondanti proteine ​​termosolubili identificate per la prima volta nei tardigradi. Test dell'equineo Di solito sono indicati come alfa e beta EtAHS.

Immagine di un tardigrado Ramazotius variornatus, a metà della linea CAHS, è la più grande delle sei famiglie di proteine ​​associate alla siccità analizzate in questo studio. Crediti: Kazuharu Arakawa, Istituto Keio per le bioscienze avanzate

I tardigradi possiedono anche geni di resistenza allo stress che possono essere trovati in animali più ampi, come il gene della ricombinazione meiotica 11 (MRE11), che è stato implicato nella tolleranza alla siccità in altri animali. Sfortunatamente, dopo l’identificazione di queste famiglie di geni, sono state disponibili informazioni limitate sulla maggior parte dei lignaggi dei tardigradi, rendendo difficile trarre conclusioni sulle loro origini, storia e implicazioni ecologiche.

Studio dell'evoluzione dei tardigradi

Per meglio far luce sull'evoluzione dell'estrema tolleranza dei tardigradi, gli autori del nuovo studio – James Fleming, David Pisani e Kazuharu Arakawa – hanno identificato sequenze di queste sei famiglie di geni in 13 generi di tardigradi, inclusi rappresentanti di ciascuno dei principali lignaggi tardigradi. Eutardigradi ed eterotardgradi. La loro analisi ha rivelato 74 sequenze CAHS, 8 MAHS, 29 SAHS, 22 EtAHS alfa, 18 EtAHS beta e 21 MRE11, consentendo loro di costruire le prime filogenesi dei tardigradi per queste famiglie di geni.

Poiché la resistenza alla siccità probabilmente è emersa come adattamento agli ambienti terrestri, i ricercatori hanno ipotizzato di trovare un collegamento tra la duplicazione e la perdita dei geni in queste famiglie di geni e i cambiamenti dell’habitat all’interno dei tardigradi. “Quando abbiamo iniziato il lavoro, ci aspettavamo di scoprire che ciascun clade sarebbe stato chiaramente raggruppato attorno a versioni antiche, con poche perdite indipendenti. Ciò ci avrebbe aiutato a collegarli facilmente alla comprensione degli habitat e dell'ecologia moderni”, afferma l'autore principale dello studio, James Fleming. “È un'ipotesi intuitiva che l'evoluzione della trascrizione di questi geni legati alla siccità dovrebbe, in teoria, contenere resti della storia ambientale di questi organismi, anche se in realtà questa risulta essere una semplificazione eccessiva.”

Invece, i ricercatori sono rimasti sorpresi dall’enorme numero di copie indipendenti di geni termosolubili, che hanno dipinto un quadro più complesso dell’evoluzione dei geni legati all’anidrobiosi. Tuttavia, vale la pena notare che non esisteva un chiaro legame tra le specie anidrobiologiche forti e il numero di geni anidrobiologicamente correlati che una specie possiede. “Ciò che abbiamo scoperto è stato molto più entusiasmante”, afferma Fleming, “una complessa rete di guadagni e perdite indipendenti che non sono necessariamente legati agli ambienti delle moderne specie terrestri”.

Adattamenti autonomi nei lignaggi dei tardigradi

Sebbene non vi fosse alcuna relazione tra la duplicazione genetica e l’ambiente dei tardigradi, lo studio ha fornito informazioni cruciali sulle trasformazioni chiave che hanno portato all’acquisizione dell’aidrobiosi. Le distinte distribuzioni delle famiglie di geni nei due principali gruppi di tardigradi – CAHS, MAHS e SAHS negli Eutardigradi e EtAHS alfa e beta negli Eterotardigradi – suggeriscono che due transizioni indipendenti dall'ambiente limpido marino a quello terrestre si sono verificate all'interno dei tardigradi, una volta nell'antenato Eutardigrado. e una volta in Within Heterotardgrades.

Questa ricerca rappresenta un importante passo avanti nella nostra comprensione dell'evoluzione dell'aidrobiosi nei tardigradi. Fornisce inoltre una base per studi futuri sulla tolleranza estrema ai tardigradi, che richiederanno lo sviluppo continuo di risorse genomiche da lignaggi tardigradi più diversi.

“Purtroppo non abbiamo rappresentanti di diverse famiglie importanti, come gli Isohypsibiidae, e questo limita la misura in cui possiamo attenerci alle nostre conclusioni”, dice Fleming. “Con più campioni di tardigradi d’acqua dolce e marini, saremo in grado di stimare meglio gli adattamenti dei membri del gruppo terrestre”. Sfortunatamente, alcuni tardigradi possono essere particolarmente elusivi, rappresentando un grosso ostacolo a tali studi. Per esempio, Tanarctus populus, uno dei tardigradi preferiti di Fleming, è così piccolo che non può essere visto ad occhio nudo e si trova solo nei sedimenti dell'Oceano Atlantico settentrionale a una profondità di circa 150 metri. “Speriamo che le iniziative di sequenziamento su larga scala attraverso il progetto Earth Biogenome colmeranno costantemente questa lacuna nella nostra comprensione, e sono entusiasta di vederlo continuare”, afferma Fleming.

Riferimento: “L'evoluzione delle famiglie di proteine ​​legate alla temperatura e alla siccità nei tardigradi rivela l'acquisizione complessa di un'estrema tolleranza” di James F. Fleming, David Pisani e Kazuharu Arakawa, 29 novembre 2023, Biologia ed evoluzione del genoma.
doi: 10.1093/jpe/evad217