Tardigrade-genomen onthullen geheimen van extreme overleving

By | February 12, 2024

Recent onderzoek naar tardigrades onthult een complexe genetische basis voor hun extreme veerkracht, daagt eerdere aannames over hun ecologische aanpassingen uit en suggereert onafhankelijke evolutionaire gebeurtenissen in hun vermogen om anhydrobiose te ondergaan.

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

Deze ongewone wezens, algemeen bekend als ‘waterberen’, behoren mogelijk tot de meest veerkrachtige organismen op aarde vanwege hun ongeëvenaarde vermogen om extreme omstandigheden met wisselende omstandigheden te overleven Tardigrades en fylogenie

Een foto van de tardigrade Ramazzottius varieornatus, in het centrum van een fylogenie van CAHS, de grootste van de zes aan uitdroging gerelateerde eiwitfamilies die in deze studie zijn geanalyseerd. Fotocredit: Kazuharu Arakawa, Keio Institute of Advanced Biosciences

Beerdiertjes bezitten ook stressresistentiegenen die dieren in bredere zin gemeen hebben, zoals het meiotische recombinatie 11-gen (MRE11), dat in verband is gebracht met uitdrogingstolerantie bij andere dieren. Helaas is er sinds de identificatie van deze genfamilies slechts beperkte informatie beschikbaar over de meeste beerdierlijnen, waardoor het moeilijk wordt om conclusies te trekken over hun oorsprong, geschiedenis en ecologische impact.

Studie van de ontwikkeling van tardigrades

Om beter licht te werpen op de evolutie van extreme tolerantie van tardigrade, identificeerden de auteurs van de nieuwe studie – James Fleming, Davide Pisani en Kazuharu Arakawa – sequenties van deze zes genfamilies in 13 tardigrade-geslachten, waaronder vertegenwoordigers van beide belangrijke tardigrade-lijnen. de eutardigrades en heterotardigrades. Hun analyse leverde 74 CAHS-, 8 MAHS-, 29 SAHS-, 22 EtAHS-alpha-, 18 EtAHS-beta- en 21 MRE11-sequenties op, waardoor ze de eerste tardigrade-fylogenieën voor deze genfamilies konden creëren.

Omdat de resistentie tegen uitdroging waarschijnlijk is geëvolueerd als een aanpassing aan de terrestrische omgeving, verwachtten de auteurs dat ze een verband zouden vinden tussen genduplicaties en verliezen in deze genfamilies en habitatveranderingen binnen tardigrades. “Toen we met het werk begonnen, gingen we ervan uit dat elke groep duidelijk geclusterd zou zijn rond oude duplicaten en weinig onafhankelijke verliezen zou hebben. Dit zou ons helpen om ze gemakkelijk te koppelen aan een goed begrip van moderne habitats en ecologie”, zegt hoofdauteur van het onderzoek, James Fleming. ‘Het is een intuïtieve hypothese’, vervolgt hij, ‘dat de evolutie van de duplicaties van deze uitdrogingsgerelateerde genen theoretisch overblijfselen zou moeten bevatten van de ecologische geschiedenis van deze organismen, hoewel dit in werkelijkheid te simpel bleek te zijn.’

In plaats daarvan waren de auteurs verrast door het enorme aantal onafhankelijke duplicaties van warmte-oplosbare genen, waardoor een veel complexer beeld werd geschetst van de aan anhydrobiose gerelateerde genevolutie. Er was echter met name geen duidelijk verband tussen sterk anhydrobiotische soorten en het aantal anhydrobiose-gerelateerde genen dat een soort bezat. ‘Wat we ontdekten was veel spannender’, zegt Fleming, ‘een complex netwerk van onafhankelijke winsten en verliezen dat niet noodzakelijkerwijs correleert met de ecologieën van moderne terrestrische soorten.’

Onafhankelijke aanpassingen in tardigrade-lijnen

Hoewel er geen verband bestaat tussen genduplicaties en tardigrade-ecologie, heeft het onderzoek cruciale inzichten opgeleverd in de belangrijkste transities die hebben geleid tot de verwerving van anhydrobiose. De verschillende verdelingen van genfamilies in de twee hoofdgroepen van tardigrades – CAHS, MAHS en SAHS in de eutardigrades en EtAHS alpha en beta in de heterotardigrades – suggereren dat er ooit twee onafhankelijke overgangen van mariene naar limno-terrestrische omgevingen hebben plaatsgevonden binnen de tardigrades zodra de voorouder de eutardigrades en eenmaal binnen de heterotardigrades.

Dit onderzoek vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in ons begrip van de evolutie van anhydrobiose bij beerdiertjes en biedt ook een basis voor toekomstige studies naar extreme tolerantie voor beerdiertjes, waarvoor de voortdurende ontwikkeling van genomische hulpbronnen uit meer diverse geslachten van beerdiertjes nodig zal zijn.

“Helaas hebben we geen vertegenwoordigers van verschillende belangrijke families, zoals de Isohypsibiidae, en dit beperkt hoe sterk we bij onze conclusies kunnen blijven”, merkt Fleming op. “Met meer zoetwater- en mariene beerdiermonsters kunnen we de aanpassingen van de terrestrische leden van de groep beter beoordelen.” Helaas kunnen sommige beerdiertjes bijzonder ongrijpbaar zijn, wat een groot obstakel vormt voor dergelijk onderzoek. Als voorbeeld, Tanarctus bubulubus, een van Fleming’s favoriete beerdiertjes, is te klein om met het blote oog te zien en wordt alleen aangetroffen in sedimenten in de Noord-Atlantische Oceaan op een diepte van ongeveer 150 meter. “Hopelijk”, zegt Fleming, “zullen grootschalige sequencing-initiatieven via het Earth Biogenome Project deze leemte in ons begrip blijven dichten, en ik ben blij om te zien dat deze inspanningen worden voortgezet.”

Referentie: “De evolutie van temperatuur- en uitdrogingsgerelateerde eiwitfamilies in Tardigrada onthult een complexe verwerving van extreme tolerantie” door James F. Fleming, Davide Pisani en Kazuharu Arakawa, 29 november 2023, Genoombiologie en evolutie.
DOI: 10.1093/gbe/evad217