Genom Tardigrade mengungkap rahasia

Penelitian terbaru mengenai tardigrada mengungkap dasar genetik kompleks yang mendasari ketahanan ekstrim mereka, menantang asumsi sebelumnya tentang adaptasi ekologis mereka, dan menunjukkan peristiwa evolusi independen dalam kapasitas mereka untuk anhidrobiosis.

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

Umumnya dikenal sebagai “beruang air”, makhluk yang tidak biasa ini mungkin merupakan salah satu organisme paling tangguh di planet ini berkat kemampuan unik mereka untuk bertahan hidup dalam kondisi ekstrem, dengan spesies berbeda yang tahan terhadap kekeringan, radiasi dosis tinggi, lingkungan rendah oksigen, dan keduanya. . suhu dan tekanan tinggi dan rendah.

Meskipun banyak gen diperkirakan berkontribusi terhadap ekstremotoleransi 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 dari Keio University Institute for Advanced Biosciences, University of Oslo Natural History Museum, dan University of Bristol mengungkap jaringan duplikasi dan kehilangan gen yang sangat rumit terkait dengan ekstremotoleransi tardigrade, menyoroti lanskap genetik kompleks yang mendorong ekologi tardigrade modern.

Memahami Keluarga Gen Tardigrade

Sebagai salah satu bentuk ekstrimotoleransi, tardigrades dapat bertahan hidup dalam kondisi kekeringan total dengan memasuki keadaan diam yang disebut anhydrobiosis (yaitu hidup tanpa air), yang memungkinkan mereka menghentikan metabolisme mereka secara reversibel. Beberapa keluarga gen spesifik tardigrade sebelumnya ditemukan terkait dengan anhidrobiosis.

Tiga dari keluarga gen ini ditunjuk sebagai protein yang larut dalam panas yang berlimpah di sitosol, mitokondria, dan sekretorik (masing-masing CAHS, MAHS, dan SAHS) berdasarkan lokasi seluler di mana protein tersebut diekspresikan. Beberapa tardigrada tampaknya memiliki jalur varian yang melibatkan dua keluarga protein larut panas berlimpah yang pertama kali diidentifikasi pada tardigrades Penyu Echiniskus dan biasanya disebut sebagai EtAHS alpha dan beta.

Foto tardigrade Ramazzottius varieornatus, di tengah filogeni CAHS, yang terbesar dari enam keluarga protein terkait pengeringan yang dianalisis dalam penelitian ini. Kredit: Kazuharu Arakawa, Institut Biosains Tingkat Lanjut Keio

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

Menjelajahi Evolusi Tardigrade

Untuk lebih menjelaskan evolusi ekstremotoleransi tardigrade, penulis studi baru ini—James Fleming, Davide Pisani, dan Kazuharu Arakawa—mengidentifikasi urutan dari enam keluarga gen ini di 13 genera tardigrade, termasuk perwakilan dari kedua garis keturunan tardigrade utama, yaitu 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 resistensi terhadap pengeringan kemungkinan besar muncul sebagai adaptasi terhadap lingkungan terestrial, penulis berhipotesis untuk menemukan hubungan antara duplikasi gen dan hilangnya keluarga gen ini dan perubahan habitat pada tardigrada. “Ketika kami memulai pekerjaan kami, kami berharap untuk menemukan bahwa setiap clade jelas-jelas dikelompokkan di sekitar duplikasi kuno dengan beberapa kehilangan independen. Ini akan membantu kami dengan mudah menghubungkannya dengan pemahaman tentang habitat dan ekologi modern,” kata penulis utama studi James Fleming. hipotesis intuitifnya,” lanjutnya, “bahwa evolusi duplikasi gen-gen yang berhubungan dengan pengeringan ini secara teoritis seharusnya mengandung sisa-sisa sejarah ekologi organisme-organisme ini, meskipun pada kenyataannya hal ini terbukti merupakan penyederhanaan yang berlebihan. . .

Sebaliknya, para penulis terkejut dengan banyaknya duplikasi independen gen yang larut dalam panas, yang memberikan gambaran yang jauh lebih kompleks tentang evolusi gen terkait anhidrobiosis. Namun secara khusus, tidak ada hubungan yang jelas antara spesies yang sangat anhidrobiotik dan jumlah gen terkait anhidrobiosis yang dimiliki spesies tersebut. “Apa yang kami temukan jauh lebih menarik,” kata Fleming, “sebuah jaringan kompleks yang terdiri atas keuntungan dan kerugian yang tidak selalu terkait dengan ekologi spesies darat modern.”

Adaptasi independen dalam garis keturunan Tardigrade

Meskipun kurangnya hubungan antara duplikasi gen dan ekologi tardigrade, penelitian ini memberikan wawasan penting mengenai transisi besar yang mengarah pada perolehan anhydrobiosis. 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 ada dua transisi independen pada tardigrades dari lingkungan laut ke lingkungan limno-terestrial setelah Nenek moyang Eutardigrade dan sekali dalam Heterotardigrades.

Penelitian ini menandai langkah maju yang signifikan dalam pemahaman kita tentang evolusi anhydrobiosis pada tardigrades. Hal ini juga memberikan dasar untuk penelitian di masa depan mengenai ekstremotoleransi tardigrade, 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 seberapa kuat kami dapat mempertahankan kesimpulan kami,” kata Fleming. “Dengan lebih banyak sampel tardigrade air tawar dan laut, kita akan dapat lebih mengapresiasi adaptasi anggota kelompok terestrial.” Sayangnya, beberapa tardigrada sangat sulit ditangkap, sehingga menjadi hambatan besar dalam penelitian semacam ini. Sebagai contoh, Daging sapi Tanarctussalah satu tardigrada favorit Fleming, terlalu kecil untuk dilihat dengan mata telanjang dan hanya ditemukan di sedimen di Atlantik Utara pada kedalaman sekitar 150 m. “Mudah-mudahan,” kata Fleming, “inisiatif pengurutan besar melalui Proyek Biogenom Bumi akan secara permanen menjembatani kesenjangan dalam pemahaman kita, dan saya senang melihatnya terus berlanjut.”

Referensi: “Evolusi keluarga protein terkait suhu dan pengeringan di Tardigrada mengungkap perolehan ekstremotoleransi yang kompleks” oleh James F. Fleming, David Pisani, dan Kazuharu Arakawa, 29 Nov 2023, Biologi dan Evolusi Genom.
DOI: 10.1093/bahasa/evad217