Les tardigrades sont de petits animaux multicellulaires réputés pour leur capacité à survivre à des conditions extrêmes qui sont mortelles pour la plupart des autres formes de vie1. Par exemple, ces animaux peuvent survivre à près de 1000 fois la dose de rayonnement ionisant qui est mortelle pour les humains 2,3,4,5,6,7,8,9,10, une dessiccation presque complète 11,12,13,14,15, la congélation en l’absence d’ajout cryoprotecteurs 16,17,18, et, dans leur état desséché, même le vide de l’espace 19,20. En raison de leur capacité unique de survie dans des environnements extrêmes, ces animaux sont devenus des modèles fondamentaux pour comprendre l’extrémotolérance chez les organismes complexes et multicellulaires 1,21,22,23.
La manipulation génétique stable de ces animaux remarquables, y compris la transgenèse et la modification des gènes germinaux, est restée insaisissable jusqu’à récemment. En tant que tel, la plupart des expériences visant à révéler les mécanismes moléculaires de l’extrémotolérance sont réalisées par profilage transcriptionnel via le séquençage de l’ARN. Il existe de nombreux ensembles de données de séquençage de l’ARN précieux et instructifs pour les tardigrades dans diverses conditions extrêmes, allant du rayonnement 8,9,26,27,28, du stress thermique29, du stress de congélation12 et de la dessiccation 27,30,31,32,33. Certaines de ces études ont utilisé des méthodes d’extraction et de purification de l’ARN en vrac pour éclairer notre compréhension moléculaire de l’extrémotolérance. Cependant, l’extraction en masse des transcrits d’ARN de nombreux animaux empêche l’analyse de la variation de l’expression génique entre les individus, manquant ainsi la richesse potentielle d’ensembles de données plus raffinés. Il est important de noter que ces études analysent souvent des populations hétérogènes d’animaux qui comprennent à la fois des animaux qui survivent aux facteurs de stress environnementaux et ceux qui ne le font pas. En tant que telles, ces études sont faussées par la moyenne des données d’expression provenant d’états de réponse multiples et potentiellement radicalement différents. Pour résoudre ce problème, Arakawa et al., 201634 ont développé un élégant pipeline de séquençage d’ARN à faible entrée qui applique un kit d’extraction d’ARN suivi d’une étape d’amplification PCR linéaire en utilisant un seul34, 35, 36 ou plusieursanimaux 30, 37, 38comme entrée. Ces études ont été fondamentales pour notre compréhension de l’extrémotolérance du tardigrade22. Il est intéressant de noter que ce protocole a également été appliqué à la qRT-PCR en utilisant sept animaux comme matériau de départ24.
Dans la plupart des organismes modèles, après avoir identifié des cibles potentielles via le séquençage de l’ARN, la qRT-PCR est ensuite effectuée pour confirmer les modifications transcriptionnelles identifiées par le séquençage de l’ARN et évaluer l’évolution temporelle de l’expression des gènes candidats de manière à haute résolution. Pour tester la fonction des gènes identifiés, de telles études sont souvent suivies d’une neutralisation de cibles moléculaires par l’ARNi39,40 et d’une analyse de la capacité extremotolérante12,41. L’efficacité de chaque inactivation de l’ARNi est généralement confirmée par qRT-PCR en surveillant directement la diminution de l’abondance des transcrits. Cependant, l’ARNi est un processus à forte intensité de main-d’œuvre chez les tardigrades car chaque ARNdb doit être délivré par micro-injection manuelle d’individus39,40. En raison de la nature à faible débit de cette stratégie, une méthode d’extraction d’ARN rapide et peu coûteuse adaptée à la qRT-PCR à partir d’animaux uniques serait très précieuse pour la recherche sur les tardigrades. Bien que des méthodes antérieures aient été développées pour extraire l’ARN de tardigrades uniques, ces protocoles n’ont pas combiné leur extraction avec la qRT-PCR, s’appuyant plutôt sur des méthodes basées sur la densité optique 12,40,41. Motivés par ces défis, nous avons cherché à développer un protocole qui produit de manière fiable de l’ARN en quantité et en qualité qui peut être utilisé pour la qRT-PCR à partir d’un seul H. exemplaris.
Adapté d’un protocole d’extraction d’ARN sur un seul animal développé pour Caenorhabditis elegans42, STST est optimisé pour H. exemplaris. La méthode d’extraction se compose de six étapes rapides de congélation-décongélation, perturbant physiquement la cuticule, permettant l’extraction de l’ARN et la synthèse ultérieure de l’ADNc. La méthode STST réduit le temps d’extraction de plus de 24 fois par rapport aux méthodes d’extraction d’ARN en vrac, comme décrit par Boothby, 201843, et de 30 % par rapport aux kits d’extraction d’ARN tardigrade unique, comme décrit par Arakawa et al., 201634. De plus, le nombre d’interactions échantillon-expérimentateur est réduit de 5 à seulement 1 par rapport aux préparations de kits d’extraction d’ARN, réduisant ainsi le risque de contamination par des ribonucléases exogènes. Lors de l’interrogation de gènes fortement exprimés, la méthode STST produit suffisamment d’ADNc pour 25 réactions RT-PCR quantitatives par tardigrade, ne nécessitant que 1 μL du volume total de 25 μL d’ADNc par réaction. Cependant, les concentrations de matrice doivent être déterminées empiriquement pour les transcrits de faible abondance.
L’efficacité de la méthode STST pour l’analyse des changements dynamiques dans l’expression génique a été évaluée en étudiant l’expression différentielle des gènes codant pour la protéine de choc thermique 90α (HSP90α) et la protéine de choc thermique 70β2 (HSP70β2) en réponse à un choc thermique à court terme à 35 °C pendant 20 minutes. HSP70β2 et HSP90α chez la plupart des organismes eucaryotes sont rapidement régulés à la hausse après une exposition à court terme à un choc thermique (20 min)42. L’analyse chez H. exemplaris a révélé que les ARN codant pour HSP70β2 et HSP90α extraits de tardigrades uniques traités thermiquement présentaient des augmentations statistiquement significatives de l’expression après une exposition à la chaleur à court terme. Ces résultats démontrent que le protocole STST peut être utilisé pour analyser les changements dynamiques dans l’expression des gènes chez des animaux individuels au fil du temps.
La méthode d’extraction STST devrait compléter les méthodes expérimentales existantes telles que le RNA-seq en facilitant l’extraction rapide et peu coûteuse de l’ARN et la comparaison ultérieure des niveaux de transcrits par qRT-PCR. Cette méthode sera également précieuse pour évaluer l’efficacité et la pénétrance de l’ARNi chez les individus injectés manuellement de manière plus quantitative que la densité optique seule. Enfin, en raison de leurs structures cuticulaires et de leurs caractéristiques physiques similaires, il est probable que cette méthode sera également efficace pour analyser l’expression génique chez d’autres espèces de tardigrades44.