Los tardígrados son pequeños animales pluricelulares reconocidos por su capacidad para sobrevivir a condiciones extremas que son letales para la mayoría de las otras formasde vida. Por ejemplo, estos animales pueden sobrevivir casi 1000 veces la dosis de radiación ionizante que es letal para los humanos 2,3,4,5,6,7,8,9,10, la desecación casi completa 11,12,13,14,15, la congelación en ausencia de adición crioprotectores 16,17,18, y, en su estado disecado, incluso el vacío del espacio 19,20. Debido a su capacidad única de supervivencia en ambientes extremos, estos animales se han convertido en modelos fundamentales para comprender la extrematolerancia en organismos complejos y pluricelulares 1,21,22,23.
La manipulación genética estable de estos notables animales, incluyendo la transgénesis y la modificación de genes de la línea germinal, ha sido difícil de alcanzar hasta hace poco24,25. Como tal, la mayoría de los experimentos para revelar los mecanismos moleculares de la extrematolerancia se realizan a través de perfiles transcripcionales a través de la secuenciación de ARN. Existen muchos conjuntos de datos de secuenciación de ARN valiosos e informativos para tardígrados en diversas condiciones extremas, que van desde la radiación 8,9,26,27,28, el estrés por calor 29, el estrés por congelación12 y la desecación 27,30,31,32,33. Algunos de estos estudios han utilizado métodos de extracción y purificación de ARN a granel para iluminar nuestra comprensión molecular de la extrematolerancia. Sin embargo, la extracción masiva de transcripciones de ARN de muchos animales impide el análisis de la variación en la expresión génica entre individuos, por lo que se pierde la riqueza potencial de conjuntos de datos más refinados. Es importante destacar que estos estudios a menudo analizan poblaciones heterogéneas de animales que incluyen tanto animales que sobreviven a los factores de estrés ambiental como aquellos que no lo hacen. Como tal, estos estudios se confunden al promediar los datos de expresión de múltiples estados de respuesta potencialmente drásticamente diferentes. Para abordar este problema, Arakawa et al., 201634 desarrollaron una elegante tubería de secuenciación de ARN de baja entrada que aplica un kit de extracción de ARN seguido de un paso de amplificación de PCR lineal utilizando un soloanimal 34,35,36 o varios 30,37,38 como entrada. Estos estudios han sido fundamentales para nuestra comprensión de la extrematolerancia a los tardígrados22. Curiosamente, este protocolo también se ha aplicado a la qRT-PCR utilizando siete animales como material de partida24.
En la mayoría de los organismos modelo, una vez identificados los objetivos potenciales a través de RNA-seq, se realiza qRT-PCR para confirmar los cambios transcripcionales identificados por RNA-seq y evaluar el curso del tiempo de expresión de los genes candidatos de una manera de alta resolución. Para probar la función de los genes identificados, estos estudios suelen ir seguidos de la eliminación mediada por ARNi de las dianas moleculares39,40 y el análisis de la capacidad de tolerancia extrema12,41. La eficacia de cada knockdown de ARNi se confirma normalmente mediante qRT-PCR mediante el seguimiento directo de la disminución de la abundancia de transcripciones. Sin embargo, el ARNi es un proceso laborioso en los tardígrados, ya que cada dsRNA debe administrarse mediante microinyección manual de individuos39,40. Debido a la naturaleza de bajo rendimiento de esta estrategia, un método de extracción de ARN rápido y de bajo costo adaptado para qRT-PCR de animales individuales sería muy valioso para la investigación de tardígrados. Aunque se han desarrollado métodos previos para extraer ARN de tardígrados individuales, estos protocolos no han combinado su extracción con qRT-PCR, sino que se han basado en métodos basados en la densidad óptica 12,40,41. Motivados por estos desafíos, buscamos desarrollar un protocolo que produjera de manera confiable ARN en cantidad y calidad que se pueda usar para qRT-PCR a partir de H. exemplaris.
Adaptado de un protocolo de extracción de ARN de un solo animal desarrollado para Caenorhabditis elegans42, STST está optimizado para H. exemplaris. El método de extracción consta de seis pasos rápidos de congelación-descongelación, que alteran físicamente la cutícula, lo que permite la extracción de ARN y la posterior síntesis de ADNc. El método STST disminuye el tiempo de extracción en más de 24 veces en comparación con los métodos de extracción de ARN a granel, como lo describe Boothby, 201843, y en un 30% en comparación con los kits de extracción de ARN de un solo tardígrado, como lo describe Arakawa et al., 201634. Además, el número de interacciones muestra-experimentador se reduce de 5 a solo 1 en comparación con las preparaciones del kit de extracción de ARN, lo que reduce el riesgo de contaminación por ribonucleasas exógenas. Al consultar genes altamente expresados, el método STST produce suficiente ADNc para 25 reacciones cuantitativas de RT-PCR por tardígrado, requiriendo solo 1 μL del volumen total de ADNc de 25 μL por reacción. Sin embargo, las concentraciones de molde deben determinarse empíricamente para transcripciones de menor abundancia.
La eficacia del método STST para analizar los cambios dinámicos en la expresión génica se evaluó mediante la investigación de la expresión diferencial de los genes que codifican la proteína de choque térmico-90α (HSP90α) y la proteína de choque térmico 70β2 (HSP70β2) en respuesta a un choque térmico a corto plazo a 35 °C durante 20 minutos. Tanto HSP70β2 como HSP90α en la mayoría de los organismos eucariotas se regulan rápidamente al alza después de una exposición a corto plazo al choque térmico (20 min)42. El análisis en H. exemplaris reveló que tanto los ARN codificantes de HSP70β2 como los de HSP90α extraídos de tardígrados individuales tratados térmicamente mostraron aumentos estadísticamente significativos en la expresión después de la exposición al calor a corto plazo. Estos hallazgos demuestran que el protocolo STST se puede utilizar para analizar los cambios dinámicos en la expresión génica en animales individuales a lo largo del tiempo.
El método de extracción STST debe complementar los métodos experimentales existentes, como RNA-seq, facilitando la extracción rápida y económica de ARN y la posterior comparación de los niveles de transcripción mediante qRT-PCR. Este método también será valioso para evaluar la eficiencia y la penetrancia del ARNi en individuos inyectados manualmente de manera más cuantitativa que la densidad óptica por sí sola. Finalmente, debido a sus estructuras cuticulares y características físicas similares, es probable que este método también sea efectivo para analizar la expresión génica en otras especies de tardígrados44.