Genom Tardigrade mengungkap rahasia kelangsungan hidup ekstrem

Penelitian terbaru tentang tardigrada mengungkapkan dasar genetik yang kompleks atas fleksibilitas ekstrim mereka, menantang asumsi sebelumnya tentang adaptasi lingkungan mereka dan menunjukkan peristiwa evolusi independen dalam kemampuan mereka untuk melakukan anhidropati.

Tardigrada mungkin merupakan penyintas alam yang paling utama. Meskipun mudah untuk mengabaikan hewan-hewan kecil yang hampir transparan ini, mereka mewakili kelompok beragam yang telah berhasil menjajah lingkungan air tawar, laut, dan darat di setiap benua, termasuk Antartika.

Dikenal sebagai “beruang air”, makhluk yang tidak biasa ini mungkin merupakan salah satu organisme paling tangguh di planet ini berkat kemampuannya yang tak tertandingi untuk bertahan hidup dalam kondisi ekstrem, dengan berbagai… Menggolongkan Tahan terhadap kekeringan, radiasi dosis tinggi, lingkungan oksigen rendah, serta suhu dan tekanan tinggi dan rendah.

Meskipun banyak gen telah diusulkan untuk berkontribusi terhadap toleransi ekstrem ini, pemahaman komprehensif tentang asal usul dan sejarah adaptasi unik ini masih sulit dipahami. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di Biologi dan evolusi genomilmuwan di Institut Biosains Tingkat Lanjut Universitas Keio Universitas Oslo Museum Sejarah Alam, dan Universitas Bristol Hal ini mengungkap jaringan duplikasi dan kehilangan gen yang sangat kompleks terkait dengan daya tahan ekstrim tardigrades, menyoroti lanskap genetik kompleks yang mendorong ekologi tardigrades modern.

Memahami Keluarga Gen Tardigrade

Sebagai bentuk daya tahan yang ekstrim, tardigrades dapat bertahan dari dehidrasi hampir sempurna dengan memasuki keadaan diapause yang disebut anhydrobiosis.setiap, Hidup tanpa air), memungkinkan mereka menghentikan metabolisme mereka secara reversibel. Beberapa keluarga gen spesifik tardigrade sebelumnya ditemukan terkait dengan ahidrobiosis.

Tiga dari keluarga gen ini disebut sebagai CSaya mohon padamu, MMitokondria, dan SDisekresikan ACukup HDia makan SProtein larut (masing-masing CAHS, MAHS, dan SAHS) berdasarkan lokasi seluler di mana protein diekspresikan. Beberapa tardigrada tampaknya memiliki jalur berbeda yang melibatkan dua keluarga protein berlimpah yang larut dalam panas yang pertama kali diidentifikasi pada tardigrada. Tes Equinesus Mereka biasanya disebut sebagai EtAHS alfa dan beta.

Gambar tardigrada Ramazotius variornatus, di tengah-tengah garis keturunan CAHS, adalah yang terbesar dari enam keluarga protein terkait kekeringan yang dianalisis dalam penelitian ini. Kredit: Kazuharu Arakawa, Institut Keio untuk Biosains Tingkat Lanjut

Tardigrada juga memiliki gen tahan stres yang dapat ditemukan pada hewan yang lebih luas, seperti gen rekombinasi meiosis 11 (MRE11), yang terlibat dalam toleransi kekeringan pada hewan lain. Sayangnya, sejak keluarga gen ini diidentifikasi, informasi yang tersedia dari sebagian besar garis keturunan tardigrade masih terbatas, sehingga sulit untuk menarik kesimpulan tentang asal usul, sejarah, dan implikasi ekologisnya.

Investigasi evolusi tardigrada

Untuk lebih menjelaskan evolusi toleransi ekstrim tardigrades, penulis studi baru – James Fleming, David Pisani, dan Kazuharu Arakawa – mengidentifikasi urutan dari enam keluarga gen ini di 13 genera tardigrades, termasuk perwakilan dari masing-masing genera utama. garis keturunan tardigrade. Eutardigrades, dan Heterotardigrades. Analisis mereka mengungkapkan 74 urutan CAHS, 8 MAHS, 29 SAHS, 22 EtAHS alpha, 18 EtAHS beta, dan 21 MRE11, memungkinkan mereka untuk membangun filogeni tardigrade pertama untuk keluarga gen ini.

Karena ketahanan terhadap kekeringan kemungkinan besar muncul sebagai adaptasi terhadap lingkungan terestrial, para peneliti berhipotesis bahwa mereka akan menemukan hubungan antara duplikasi dan hilangnya gen dalam keluarga gen ini dan perubahan habitat pada tardigrades. “Ketika kami memulai penelitian ini, kami berharap menemukan bahwa setiap klade akan dengan jelas dikelompokkan di sekitar versi kuno, dengan sedikit kehilangan yang independen. Hal ini akan membantu kami dengan mudah menghubungkannya dengan pemahaman habitat dan ekologi modern,” kata penulis utama studi tersebut, James Fleming. “Ada hipotesis intuitif bahwa evolusi transkripsi gen yang terkait dengan kekeringan ini, secara teori, seharusnya mengandung sisa-sisa sejarah lingkungan organisme ini, meskipun pada kenyataannya, hal ini ternyata merupakan penyederhanaan yang berlebihan.”

Sebaliknya, para peneliti dikejutkan oleh banyaknya salinan independen dari gen yang larut dalam panas, yang memberikan gambaran yang lebih kompleks tentang evolusi gen yang terkait dengan anhidrobiosis. Namun, perlu dicatat bahwa tidak ada hubungan yang jelas antara spesies anhidrobiologis yang kuat dan jumlah gen yang terkait secara anhidrobiologis yang dimiliki suatu spesies. “Apa yang kami temukan jauh lebih menarik,” kata Fleming, “sebuah jaringan kompleks yang terdiri dari untung dan rugi yang tidak selalu terkait dengan lingkungan spesies darat modern.”

Adaptasi otonom dalam garis keturunan tardigrade

Meskipun tidak ada hubungan antara duplikasi gen dan lingkungan tardigrades, penelitian ini memberikan wawasan penting mengenai transformasi utama yang mengarah pada perolehan ahydrobiosis. Distribusi keluarga gen yang berbeda pada dua kelompok besar tardigrades—CAHS, MAHS, dan SAHS pada Eutardigrades serta EtAHS alfa dan beta pada Heterotardigrades—menunjukkan bahwa dua transisi independen dari lingkungan jernih laut ke terestrial terjadi pada tardigrada, yang pernah terjadi pada nenek moyang Eutardigrade. dan sekali dalam Dalam Heterotardigrades.

Penelitian ini merupakan langkah maju yang penting dalam pemahaman kita tentang evolusi ahidrobiosis pada tardigrades. Hal ini juga memberikan dasar untuk penelitian di masa depan mengenai toleransi tardigrade yang ekstrem, yang memerlukan pengembangan berkelanjutan sumber daya genom dari garis keturunan tardigrade yang lebih beragam.

“Sayangnya, kami tidak memiliki perwakilan dari beberapa keluarga penting, seperti Isohypsibiidae, dan ini membatasi sejauh mana kami dapat berpegang pada kesimpulan kami,” kata Fleming. “Dengan lebih banyak sampel tardigrade air tawar dan laut, kami akan lebih mampu memperkirakan adaptasi anggota kelompok terestrial.” Sayangnya, beberapa tardigrada mungkin sangat sulit ditangkap, sehingga menjadi hambatan besar bagi penelitian semacam itu. Misalnya, Populasi Tanarctus, salah satu tardigrada favorit Fleming, berukuran sangat kecil sehingga tidak dapat dilihat dengan mata telanjang, dan hanya ditemukan di sedimen di Samudra Atlantik Utara pada kedalaman sekitar 150 meter. “Kami berharap inisiatif pengurutan skala besar melalui Proyek Biogenom Bumi akan terus mengisi kesenjangan dalam pemahaman kita, dan saya senang melihatnya terus berlanjut,” kata Fleming.

Referensi: “Evolusi keluarga protein terkait suhu dan kekeringan pada tardigrada mengungkap perolehan kompleks toleransi ekstrem” oleh James F. Fleming, David Pisani, dan Kazuharu Arakawa, 29 November 2023, Biologi dan evolusi genom.
doi: 10.1093/jpe/evad217