Геноми тардиградів розкривають секрети екстремального виживання

Тихоходки можуть бути тими, хто виживає в природі. Хоча цих крихітних, майже напівпрозорих тварин легко не помітити, вони представляють різноманітну групу, яка успішно колонізувала прісноводні, морські та наземні середовища на всіх континентах, включаючи Антарктиду. Ці незвичайні істоти, широко відомі як «водяні ведмеді», можуть бути одними з найстійкіших організмів на планеті завдяки своїй неперевершеній здатності виживати в екстремальних умовах, де різні види стійкі до посухи, високих доз радіації, середовищ із низьким вмістом кисню тощо. високих і низьких температур і тисків.

Хоча численні гени, як припускають, сприяють цій екстремотолерантності, всебічне розуміння походження та історії цих унікальних адаптацій залишається невловимим. У новому дослідженні, опублікованому в Genome Biology and Evolution, вчені з Інституту передових біологічних наук Університету Кейо, Музею природної історії Університету Осло та Брістольського університету виявили напрочуд заплутану мережу подвоєння генів і втрат, пов’язаних із тихохідною екстремотолерантністю, підкреслюючи, що складний генетичний ландшафт, який керує сучасною екологією тихохідних.

Розуміння сімейства тихохідних генів

Як одна з форм екстремотолерантності, тихоходки можуть пережити майже повне висихання, входячи в стан спокою, званий ангідробіозом (тобто життя без води), що дозволяє їм оборотно зупинити свій метаболізм. Раніше було встановлено, що численні специфічні для тихоходки родини генів пов’язані з ангідробіозом.

Три з цих сімейств генів називаються цитозольними, ітохондріальними та секреторними розчинними білками (CAHS, MAHS та SAHS відповідно) на основі розташування клітини, в якій експресуються білки. Деякі тихоходки, здається, мають варіант шляху, який включає два сімейства великої кількості теплорозчинних білків, вперше ідентифікованих у тихохідних Echiniscus testudo та зазвичай відомих як EtAHS альфа та бета.

Тардигради також мають гени стійкості до стресу, які можна знайти у тварин більш широко, наприклад, ген мейотичної рекомбінації 11 (MRE11), який був причетний до толерантності до висихання в інших тварин. На жаль, після ідентифікації цих сімейств генів була доступна обмежена інформація про більшість ліній тихоходок, що ускладнювало висновки щодо їхнього походження, історії та екологічних наслідків.

Дослідження еволюції тихоходки

Щоб краще пролити світло на еволюцію екстремотолерантності до тихохідних, автори нового дослідження — Джеймс Флемінг, Давіде Пізані та Казухару Аракава — визначили послідовності цих шести генних сімейств у 13 родах тихохідних, включаючи представників обох основних ліній тихохідних, Eutardigrades і Heterotardgrades. Їхній аналіз виявив 74 послідовності CAHS, 8 MAHS, 29 SAHS, 22 EtAHS альфа, 18 EtAHS бета та 21 MRE11, що дозволило їм побудувати перші тихохідні філогенії для цих сімейств генів.

Оскільки стійкість до висихання, ймовірно, виникла як адаптація до наземного середовища, автори припустили, що вони знайдуть зв’язок між дублюванням генів і втратою в цих сімействах генів і змінами середовища проживання в тихохідних. «Коли ми почали роботу, ми очікували виявити, що кожна клада буде чітко згрупована навколо давніх дублікатів, з невеликою кількістю незалежних втрат. Це допомогло б нам легко прив’язати їх до розуміння сучасних середовищ існування та екології», – каже провідний автор дослідження Джеймс Флемінг. «Це інтуїтивна гіпотеза, — продовжує він, — що еволюція дублікатів цих генів, пов’язаних із висиханням, теоретично повинна містити залишки екологічної історії цих організмів, хоча насправді це виявилося надто спрощеним. .”

Натомість автори були здивовані величезною кількістю незалежних дублікатів теплорозчинних генів, які малювали набагато складнішу картину еволюції генів, пов’язаних з ангідробіозом. Примітно, однак, що не було чіткого зв’язку між сильно ангідробіотичними видами та кількістю пов’язаних з ангідробіозом генів, якими володіє вид. «Те, що ми виявили, було набагато більш захоплюючим, — каже Флемінг, — складна мережа незалежних здобутків і втрат, яка не обов’язково співвідноситься з сучасною екологією наземних видів».

Незалежні адаптації в тихохідних лініях

Незважаючи на відсутність зв’язку між дублюванням генів і екологією тихоходок, дослідження дало вирішальне розуміння основних переходів, які призвели до придбання ангідробіозу. Різні розподіли сімейств генів між двома основними групами тихохідних — CAHS, MAHS і SAHS в Eutardigrades і EtAHS альфа і бета у Heterotardgrades — припускають, що два незалежні переходи від морського до лімно-наземного середовища відбулися в тихохідних, колись у предок Eutardigrade і колись у межах Heterotardigrades.

Це дослідження знаменує значний крок вперед у нашому розумінні еволюції ангідробіозу у тихоходок. Це також забезпечує основу для майбутніх досліджень екстремотолерантності до тихохідних, що вимагатиме постійного розвитку геномних ресурсів із більш різноманітних ліній тихохідних.

«На жаль, у нас немає представників кількох важливих родин, таких як Isohypsibiidae, і це обмежує те, наскільки твердо ми можемо відстоювати свої висновки», — зазначає Флемінг. «З більшою кількістю зразків прісноводних і морських тихоходок ми зможемо краще оцінити адаптацію наземних членів групи». На жаль, деякі тихохідні можуть бути особливо невловимими, що є основною перешкодою для таких досліджень. Наприклад, Tanarctus bubulubus, одна з улюблених тихоходок Флемінга, занадто мала, щоб побачити її неозброєним оком, і зустрічається лише в осадових відкладеннях у Північній Атлантиці на глибині близько 150 м. «Сподіваюся, — каже Флемінг, — що широкомасштабні ініціативи секвенування в рамках Проекту біогенома Землі поступово подолають цю прогалину в нашому розумінні, і я радий, що ці зусилля триватимуть».