Genomy niesporczaków ujawniają sekrety ekstremalnego przetrwania

Niedawne badania niesporczaków ujawniają złożoną podstawę genetyczną ich wyjątkowej elastyczności, podważając wcześniejsze założenia dotyczące ich adaptacji do środowiska i wskazując na niezależne zdarzenia ewolucyjne w zakresie ich zdolności do anhydropatyzacji.

Niesporczaki mogą być ostatecznymi ocalałymi z natury. Chociaż łatwo przeoczyć te małe, prawie przezroczyste zwierzęta, reprezentują one zróżnicowaną grupę, która z powodzeniem skolonizowała środowiska słodkowodne, morskie i lądowe na każdym kontynencie, w tym na Antarktydzie.

Te niezwykłe stworzenia, zwane „niedźwiedziami wodnymi”, mogą należeć do najbardziej odpornych organizmów na planecie dzięki swojej niezrównanej zdolności do przetrwania w ekstremalnych warunkach, w różnych… Klasyfikować Jest odporny na suszę, wysokie dawki promieniowania, środowiska o niskiej zawartości tlenu oraz wysokie i niskie temperatury i ciśnienia.

Chociaż zaproponowano, że wiele genów przyczynia się do tej ekstremalnej tolerancji, kompleksowe zrozumienie pochodzenia i historii tych wyjątkowych adaptacji pozostaje nieuchwytne. W nowym badaniu opublikowanym w Biologia i ewolucja genomunaukowcy z Instytutu Zaawansowanych Nauk Biologicznych Uniwersytetu Keio Uniwersytet w Oslo Muzeum Historii Naturalnej i Uniwersytet w Bristolu Ujawnia zaskakująco złożoną sieć duplikacji i strat genów związanych z ekstremalną wytrzymałością niesporczaków, podkreślając złożony krajobraz genetyczny, który napędza ekologię współczesnych niesporczaków.

Zrozumienie rodzin genów niesporczaków

Jako forma ekstremalnej wytrzymałości, niesporczaki mogą przetrwać prawie całkowite odwodnienie, wchodząc w stan diapauzy zwany anhydrobiozą.każdy, Życie bez wody), pozwalając im na odwracalne zatrzymanie metabolizmu. Wcześniej odkryto, że wiele rodzin genów specyficznych dla niesporczaków jest powiązanych z ahydrobiozą.

Trzy z tych rodzin genów nazywane są CBłagam Cię, MMitochondria i SWydzielone AObszerny HOn je SRozpuszczalne białka (odpowiednio CAHS, MAHS i SAHS) w oparciu o lokalizację komórkową, w której białka ulegają ekspresji. Wydaje się, że niektóre niesporczaki mają inną ścieżkę, obejmującą dwie rodziny obfitych, rozpuszczalnych w cieple białek, które po raz pierwszy zidentyfikowano u niesporczaków. Próba konia Zwykle określa się je jako alfa i beta EtAHS.

Zdjęcie niesporczaka Ramazotius variornatus, znajdujący się w środku linii CAHS, jest największą z sześciu rodzin białek związanych z suszą analizowanych w tym badaniu. Źródło: Kazuharu Arakawa, Instytut Zaawansowanych Nauk Biologicznych Keio

Niesporczaki posiadają również geny odporności na stres, które można znaleźć u szerszych zwierząt, takie jak gen rekombinacji mejotycznej 11 (MRE11), który powiązano z tolerancją na suszę u innych zwierząt. Niestety, od czasu identyfikacji tych rodzin genów, dostępne są ograniczone informacje na temat większości linii niesporczaków, co utrudnia wyciąganie wniosków na temat ich pochodzenia, historii i implikacji ekologicznych.

Badanie ewolucji niesporczaków

Aby lepiej rzucić światło na ewolucję skrajnej tolerancji niesporczaków, autorzy nowego badania — James Fleming, David Pisani i Kazuharu Arakawa — zidentyfikowali sekwencje z tych sześciu rodzin genów w 13 rodzajach niesporczaków, w tym przedstawicieli każdego z głównych rodowody niesporczaków. Eutardigrady i heterotardigrady. Ich analiza ujawniła sekwencje 74 CAHS, 8 MAHS, 29 SAHS, 22 EtAHS alfa, 18 EtAHS beta i 21 MRE11, co pozwoliło im skonstruować pierwsze filogenezy niesporczaków dla tych rodzin genów.

Ponieważ odporność na suszę prawdopodobnie pojawiła się jako adaptacja do środowiska lądowego, badacze postawili hipotezę, że znajdą związek między duplikacją i utratą genów w tych rodzinach genów a zmianami siedlisk niesporczaków. „Kiedy rozpoczynaliśmy prace, spodziewaliśmy się, że każdy klad będzie wyraźnie skupiony wokół starożytnych wersji, z kilkoma niezależnymi stratami. Pomoże nam to łatwo powiązać je ze zrozumieniem współczesnych siedlisk i ekologii” – mówi główny autor badania, James Fleming „Intuicyjną hipotezą jest, że ewolucja transkrypcji genów związanych z suszą powinna teoretycznie zawierać pozostałości historii środowiskowej tych organizmów, choć w rzeczywistości okazuje się to nadmiernym uproszczeniem”.

Zamiast tego badaczy zaskoczyła ogromna liczba niezależnych kopii genów rozpuszczalnych w cieple, co dało bardziej złożony obraz ewolucji genów związanych z anhydrobiozą. Warto jednak zauważyć, że nie było wyraźnego związku między silnym gatunkiem anhydrobiologicznym a liczbą posiadanych przez gatunek genów spokrewnionych anhydrobiologicznie. „To, co odkryliśmy, było znacznie bardziej ekscytujące” – mówi Fleming – „złożona sieć niezależnych zysków i strat, które niekoniecznie są powiązane ze środowiskiem współczesnych gatunków lądowych”.

Autonomiczne adaptacje w liniach niesporczaków

Chociaż nie było związku między duplikacją genów a środowiskiem niesporczaków, badanie dostarczyło kluczowego wglądu w kluczowe transformacje, które doprowadziły do ​​nabycia ahydrobiozy. Odrębne rozmieszczenie rodzin genów w dwóch głównych grupach niesporczaków – CAHS, MAHS i SAHS u Eutardigrade oraz EtAHS alfa i beta u Heterotardigradów – sugeruje, że u niesporczaków wystąpiły dwa niezależne przejścia z przejrzystego środowiska morskiego do lądowego, raz u przodka Eutardigrade i raz w Within Heterotardigrades.

Badania te stanowią ważny krok naprzód w naszym zrozumieniu ewolucji ahydrobiozy u niesporczaków. Stanowi także podstawę do przyszłych badań nad ekstremalną tolerancją niesporczaków, co będzie wymagało ciągłego rozwoju zasobów genomowych z bardziej zróżnicowanych linii niesporczaków.

„Niestety nie mamy przedstawicieli kilku ważnych rodzin, takich jak Isohypsibiidae, co ogranicza zakres, w jakim możemy trzymać się naszych wniosków” – mówi Fleming. „Dzięki większej liczbie próbek niesporczaków słodkowodnych i morskich będziemy w stanie lepiej oszacować adaptacje członków grupy lądowej”. Niestety, niektóre niesporczaki mogą być szczególnie nieuchwytne, co stanowi główną przeszkodę w takich badaniach. Na przykład, Tanarctus populus, jeden z ulubionych niesporczaków Fleminga, jest tak mały, że nie można go zobaczyć gołym okiem i występuje wyłącznie w osadach północnego Oceanu Atlantyckiego na głębokości około 150 metrów. „Mamy nadzieję, że zakrojone na szeroką skalę inicjatywy sekwencjonowania realizowane w ramach projektu Earth Biogenome Project będą stale wypełniać tę lukę w naszym rozumieniu i cieszę się, że będzie to kontynuowane” – mówi Fleming.

Odniesienie: „Ewolucja rodzin białek niesporczaków związanych z temperaturą i suszą ujawnia złożone nabywanie ekstremalnej tolerancji” James F. Fleming, David Pisani i Kazuharu Arakawa, 29 listopada 2023 r., Biologia i ewolucja genomu.
doi: 10.1093/jpe/evad217