Bärtierchengenome enthüllen Geheimnisse extremen Überlebens

Jüngste Forschungen zu Bärtierchen offenbaren eine komplexe genetische Grundlage für ihre extreme Flexibilität, stellen frühere Annahmen über ihre Umweltanpassungen in Frage und weisen auf unabhängige evolutionäre Ereignisse in ihrer Fähigkeit zur Anhydropathie hin.

Bärtierchen könnten die ultimativen Überlebenskünstler der Natur sein. Obwohl man diese kleinen, fast durchsichtigen Tiere leicht übersehen kann, stellen sie eine vielfältige Gruppe dar, die Süßwasser-, Meeres- und Landgebiete auf allen Kontinenten, einschließlich der Antarktis, erfolgreich besiedelt hat.

Diese ungewöhnlichen Kreaturen, die als „Wasserbären“ bekannt sind, gehören dank ihrer beispiellosen Fähigkeit, unter extremen Bedingungen zu überleben, möglicherweise zu den widerstandsfähigsten Organismen auf dem Planeten. Klassifizieren Widerstandsfähig gegen Trockenheit, hohe Strahlungsdosen, sauerstoffarme Umgebungen sowie hohe und niedrige Temperaturen und Drücke.

Obwohl vermutet wird, dass viele Gene zu dieser extremen Toleranz beitragen, ist ein umfassendes Verständnis der Ursprünge und der Geschichte dieser einzigartigen Anpassungen bislang unklar. In einer neuen Studie veröffentlicht in Genombiologie und EvolutionWissenschaftler am Institute for Advanced Biosciences der Keio University Universität Oslo Naturhistorisches Museum und Universität Bristol Es enthüllt ein überraschend komplexes Netzwerk von Genduplikationen und -verlusten, die mit der extremen Ausdauer von Bärtierchen verbunden sind, und verdeutlicht die komplexe genetische Landschaft, die die Ökologie moderner Bärtierchen bestimmt.

Bärtierchen-Genfamilien verstehen

Als eine Form extremer Ausdauer können Bärtierchen eine fast vollständige Dehydrierung überleben, indem sie in einen Zustand der Diapause eintreten, der als Anhydrobiose bezeichnet wird.beliebig, Leben ohne Wasser), wodurch sie ihren Stoffwechsel reversibel stoppen können. Es wurde bereits festgestellt, dass mehrere Bärtierchen-spezifische Genfamilien mit Ahydrobiose assoziiert sind.

Drei dieser Genfamilien werden als bezeichnet CIch bitte Sie, MMitochondrien und SAbgesondert AReichlich HEr isst SLösliche Proteine ​​(CAHS, MAHS bzw. SAHS) basierend auf dem zellulären Ort, an dem die Proteine ​​exprimiert werden. Einige Bärtierchen scheinen einen anderen Weg zu verfolgen, an dem zwei Familien reichlich vorhandener, hitzelöslicher Proteine ​​beteiligt sind, die erstmals bei Bärtierchen identifiziert wurden. Equinesus-Test Sie werden üblicherweise als Alpha- und Beta-EtAHS bezeichnet.

Bild eines Bärtierchens Ramazotius variornatus, in der Mitte der CAHS-Linie, ist die größte der sechs dürreassoziierten Proteinfamilien, die in dieser Studie analysiert wurden. Bildnachweis: Kazuharu Arakawa, Keio Institute for Advanced Biosciences

Bärtierchen besitzen auch Stressresistenzgene, die bei größeren Tieren zu finden sind, wie zum Beispiel das meiotische Rekombinations-11-Gen (MRE11), das bei anderen Tieren mit der Dürretoleranz in Verbindung gebracht wird. Leider sind seit der Identifizierung dieser Genfamilien nur begrenzte Informationen über die meisten Bärtierchen-Abstammungslinien verfügbar, was es schwierig macht, Rückschlüsse auf deren Herkunft, Geschichte und ökologische Auswirkungen zu ziehen.

Untersuchung der Evolution von Bärtierchen

Um die Entwicklung der extremen Toleranz von Bärtierchen besser zu beleuchten, identifizierten die Autoren der neuen Studie – James Fleming, David Pisani und Kazuharu Arakawa – Sequenzen aus diesen sechs Genfamilien in 13 Bärtierchengattungen, darunter Vertreter aller Hauptgattungen Bärtierchen-Abstammungslinien. Eutardigraden und Heterotardigraden. Ihre Analyse ergab 74 CAHS-, 8 MAHS-, 29 SAHS-, 22 EtAHS-Alpha-, 18 EtAHS-Beta- und 21 MRE11-Sequenzen, was es ihnen ermöglichte, die ersten Bärtierchen-Phylogenien für diese Genfamilien zu konstruieren.

Da Dürreresistenz wahrscheinlich als Anpassung an terrestrische Umgebungen entstand, stellten die Forscher die Hypothese auf, dass sie einen Zusammenhang zwischen Genduplikation und -verlust in diesen Genfamilien und Lebensraumveränderungen innerhalb von Bärtierchen finden würden. „Als wir mit der Arbeit begannen, gingen wir davon aus, dass sich jede Gruppe klar um antike Versionen gruppieren und nur wenige unabhängige Verluste aufweisen würde. Dies würde uns helfen, sie leicht mit dem Verständnis moderner Lebensräume und der Ökologie zu verknüpfen“, sagt der Hauptautor der Studie, James Fleming „Es ist eine intuitive Hypothese, dass die Entwicklung der Transkription dieser Dürre-bezogenen Gene theoretisch Überreste der Umweltgeschichte dieser Organismen enthalten sollte, obwohl sich dies in Wirklichkeit als übermäßige Vereinfachung herausstellt.“

Stattdessen waren die Forscher von der großen Anzahl unabhängiger Kopien hitzelöslicher Gene überrascht, die ein komplexeres Bild der Entwicklung von Genen im Zusammenhang mit Anhydrobiose zeichneten. Es ist jedoch erwähnenswert, dass es keinen klaren Zusammenhang zwischen stark anhydrobiologischen Arten und der Anzahl an anhydrobiologisch verwandten Genen einer Art gab. „Was wir fanden, war viel aufregender“, sagt Fleming, „ein komplexes Netzwerk unabhängiger Gewinne und Verluste, die nicht unbedingt mit der Umwelt moderner Landarten verbunden sind.“

Autonome Anpassungen in Bärtierchenlinien

Obwohl es keinen Zusammenhang zwischen der Genduplikation und der Umgebung von Bärtierchen gab, lieferte die Studie entscheidende Einblicke in die wichtigsten Transformationen, die zur Entstehung der Ahydrobiose führten. Die unterschiedlichen Verteilungen der Genfamilien in den beiden Hauptgruppen der Bärtierchen – CAHS, MAHS und SAHS bei Eutardigraden und EtAHS alpha und beta bei Heterotardigraden – legen nahe, dass zwei unabhängige Übergänge von marinen zu terrestrischen klaren Umgebungen innerhalb der Bärtierchen stattfanden, einmal beim Eutardigraden-Vorfahren und einmal in Within Heterotigrades.

Diese Forschung stellt einen wichtigen Fortschritt in unserem Verständnis der Entwicklung der Ahydrobiose bei Bärtierchen dar. Es bietet auch eine Grundlage für zukünftige Studien zur extremen Bärtierchentoleranz, die eine kontinuierliche Entwicklung genomischer Ressourcen aus vielfältigeren Bärtierchenlinien erfordern.

„Leider haben wir keine Vertreter mehrerer wichtiger Familien, etwa der Isohypsibiidae, und das schränkt die Möglichkeiten ein, an unseren Schlussfolgerungen festzuhalten“, sagt Fleming. „Mit mehr Proben von Süßwasser- und Meeresbärtierchen können wir die Anpassungen der Mitglieder der terrestrischen Gruppe besser abschätzen.“ Leider sind manche Bärtierchen besonders schwer zu fassen, was ein großes Hindernis für solche Studien darstellt. Zum Beispiel, Tanarctus populus, eines von Flemings Lieblingsbärtierchen, ist so klein, dass man es mit bloßem Auge nicht erkennen kann, und kommt nur in Sedimenten im Nordatlantik in Tiefen von etwa 150 Metern vor. „Wir hoffen, dass groß angelegte Sequenzierungsinitiativen im Rahmen des Earth Biogenome Project diese Lücke in unserem Verständnis stetig schließen werden, und ich freue mich, dass dies so weitergeht“, sagt Fleming.

Referenz: „Die Entwicklung temperatur- und dürrebedingter Proteinfamilien in Bärtierchen zeigt den komplexen Erwerb extremer Toleranz“ von James F. Fleming, David Pisani und Kazuharu Arakawa, 29. November 2023, Genombiologie und Evolution.
doi: 10.1093/jpe/evad217