缓步动物基因组揭示了极端生存的秘密
缓步动物可能是大自然的最终幸存者。虽然这些微小的、近乎半透明的动物很容易被忽视，但它们代表了一个多样化的群体，已成功地在包括南极洲在内的每个大陆的淡水、海洋和陆地环境中定居。这些不寻常的生物通常被称为“水熊虫”，它们可能是地球上最具弹性的生物之一，因为它们具有无与伦比的极端条件生存能力，其中各种物种能够抵抗干旱、高剂量辐射、低氧环境等。高温、低温和压力。尽管许多基因被认为与这种极端耐受性有关，但对这些独特适应的起源和历史的全面了解仍然难以捉摸。在《基因组生物学与进化》杂志上发表的一项新研究中，庆应义塾大学高级生物科学研究所、奥斯陆大学自然历史博物馆和布里斯托尔大学的科学家们揭示了与缓步动物极限运动相关的令人惊讶的复杂基因复制和丢失网络，强调了驱动现代缓步动物生态的复杂遗传景观。
作为极限运动的一种形式，缓步动物可以通过进入称为脱水生物(即没有水的生命)的休眠状态而在几乎完全干燥的情况下生存，这使它们能够可逆地停止新陈代谢。先前发现多个缓步动物特异性基因家族与脱水生物有关。根据蛋白质表达的细胞位置，其中三个基因家族被称为细胞质蛋白、线粒体蛋白和分泌热溶性蛋白(分别为CAHS 、 MAHS和SAHS )。一些缓步动物似乎拥有一种变异途径，涉及两个丰富的热溶性蛋白质家族，这些蛋白质首先在缓步动物睾丸棘蜥中发现，通常称为 EtAHS α 和 β。缓步动物还拥有更广泛存在于动物中的抗逆基因，例如减数分裂重组 11 (MRE11) 基因，该基因与其他动物的干燥耐受性有关。不幸的是，自从这些基因家族被识别以来，大多数缓步动物谱系的信息有限，因此很难就它们的起源、历史和生态影响得出结论。
为了更好地阐明缓步动物极限运动的进化，这项新研究的作者 James Fleming、Davide Pisani 和 Kazuharu Arakawa 确定了来自 13 个缓步动物属的这 6 个基因家族的序列，其中包括缓步动物两个主要谱系的代表。真缓步动物和异缓步动物。他们的分析揭示了 74 个 CAHS、8 个 MAHS、29 个 SAHS、22 个 EtAHS α、18 个 EtAHS β 和 21 个 MRE11 序列，使他们能够为这些基因家族构建第一个缓步动物系统发育。
由于对干燥的抵抗力很可能是作为对陆地环境的适应而出现的，作者假设他们会发现这些基因家族的基因复制和损失与缓步动物的栖息地变化之间的联系。“当我们开始这项工作时，我们期望发现每个进化枝都会清楚地围绕古代复制品分组，几乎没有独立的损失。这将帮助我们轻松地将它们与对现代栖息地和生态的理解联系起来，”该研究的主要作者詹姆斯·弗莱明说。“这是一个直观的假设，”他继续说道，“从理论上讲，这些与干燥相关的基因的重复进化应该包含这些生物体生态历史的残余，尽管事实上，这被证明过于简单化了。” ”。
相反，作者对热溶性基因的独立重复数量之多感到惊讶，这描绘了一幅更为复杂的脱水相关基因进化图景。然而值得注意的是，强脱水物种与物种拥有的脱水相关基因的数量之间没有明确的联系。弗莱明说：“我们发现的结果更令人兴奋，这是一个由独立的收益和损失组成的复杂网络，不一定与现代陆地物种生态相关。”
尽管基因复制和缓步动物生态之间缺乏关系，但这项研究确实为导致获得脱水生物的主要转变提供了重要的见解。缓步类两大主要类群——真缓步类中的 CAHS、MAHS 和 SAHS 以及异缓类中的 EtAHS α 和 β——基因家族的不同分布表明，缓步类中发生了从海洋环境到陆地环境的两次独立转变。真缓步动物的祖先，曾经属于异缓步动物。
这项研究标志着我们对缓步动物脱水进化的理解向前迈出了重要一步。它还为未来对缓步动物极限运动的研究奠定了基础，这将需要不断开发来自更多样化的缓步动物谱系的基因组资源。“不幸的是，我们没有来自几个重要科的代表，例如 Isohypsibiidae，这确实限制了我们对结论的坚定程度，”弗莱明指出。“有了更多的淡水和海洋缓步动物样本，我们将能够更好地了解该群体陆地成员的适应能力。” 不幸的是，一些缓步动物可能特别难以捉摸，给此类研究带来了主要障碍。例如，Tanarctus bubulubus是弗莱明最喜欢的缓步动物之一，它太小而无法用肉眼看到，只能在北大西洋约 150 m 深处的沉积物中发现。弗莱明说：“希望通过地球生物基因组计划进行的大规模测序计划能够稳步弥合我们理解上的这一差距，我很高兴看到这项努力继续下去。”
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