I tardigradi sono piccoli animali multicellulari rinomati per la loro capacità di sopravvivere a condizioni estreme che sono letali per la maggior parte delle altre formedi vita. Ad esempio, questi animali possono sopravvivere quasi 1000 volte la dose di radiazioni ionizzanti che è letale per l'uomo 2,3,4,5,6,7,8,9,10, essiccazione quasi completa 11,12,13,14,15, congelamento in assenza di aggiunta crioprotettori 16,17,18 e, nel loro stato essiccato, anche il vuoto dello spazio19,20. Grazie alla loro capacità unica di sopravvivere in ambienti estremi, questi animali sono diventati modelli fondamentali per comprendere l'estrema tolleranza in organismi complessi e multicellulari 1,21,22,23.
La manipolazione genetica stabile di questi straordinari animali, compresa la transgenesi e la modificazione genica germinale, è rimasta sfuggente fino a poco tempo fa24,25. Pertanto, la maggior parte degli esperimenti per rivelare i meccanismi molecolari dell'estremotolleranza vengono eseguiti attraverso la profilazione trascrizionale tramite sequenziamento dell'RNA. Esistono molti set di dati utili e informativi per il sequenziamento dell'RNA per i tardigradi in varie condizioni estreme, che vanno dalla radiazione 8,9,26,27,28, allo stress da calore 29, allo stress da congelamento12 e all'essiccazione 27,30,31,32,33. Alcuni di questi studi hanno utilizzato metodi di estrazione e purificazione dell'RNA di massa per illuminare la nostra comprensione molecolare dell'estremotolleranza. Tuttavia, l'estrazione di massa di trascritti di RNA da molti animali impedisce l'analisi della variazione nell'espressione genica tra gli individui, perdendo così la potenziale ricchezza di set di dati più raffinati. È importante sottolineare che questi studi spesso analizzano popolazioni eterogenee di animali che includono sia animali che sopravvivono a fattori di stress ambientale sia quelli che non lo fanno. Pertanto, questi studi sono confusi dalla media dei dati di espressione provenienti da stati di risposta multipli e potenzialmente drammaticamente diversi. Per affrontare questo problema, Arakawa et al., 201634 hanno sviluppato un'elegante pipeline di RNA-seq a basso input che applica un kit di estrazione dell'RNA seguito da una fase di amplificazione PCR lineare utilizzando 34,35,36 o più animali 30,37,38 come input. Questi studi sono stati fondamentali per la nostra comprensione dell'estrematolleranza tardigrada22. È interessante notare che questo protocollo è stato applicato anche alla qRT-PCR utilizzando sette animali come materiale di partenza24.
Nella maggior parte degli organismi modello, dopo aver identificato potenziali bersagli tramite RNA-seq, la qRT-PCR viene quindi eseguita per confermare i cambiamenti trascrizionali identificati dall'RNA-seq e valutare il decorso temporale dell'espressione dei geni candidati in modo ad alta risoluzione. Per testare la funzione dei geni identificati, tali studi sono spesso seguiti da knockdown mediato da RNAi di bersagli molecolari39,40 e analisi della capacità extremotollerante12,41. L'efficacia di ciascun knockdown dell'RNAi è tipicamente confermata dalla qRT-PCR monitorando direttamente la diminuzione dell'abbondanza dei trascritti. Tuttavia, l'RNAi è un processo ad alta intensità di lavoro nei tardigradi poiché ogni dsRNA deve essere somministrato tramite microiniezione manuale di individui39,40. A causa della natura a basso rendimento di questa strategia, un metodo di estrazione dell'RNA rapido e a basso costo adattato per la qRT-PCR da singoli animali sarebbe molto prezioso per la ricerca sui tardigradi. Sebbene siano stati sviluppati metodi precedenti per estrarre l'RNA da singoli tardigradi, questi protocolli non hanno combinato la loro estrazione con la qRT-PCR, basandosi invece su metodi basati sulla densità ottica 12,40,41. Motivati da queste sfide, abbiamo cercato di sviluppare un protocollo che produca in modo affidabile RNA in quantità e qualità che possa essere utilizzato per la qRT-PCR da un singolo H. exemplaris.
Adattato da un protocollo di estrazione dell'RNA di un singolo animale sviluppato per Caenorhabditis elegans42, STST è ottimizzato per H. exemplaris. Il metodo di estrazione consiste in sei rapide fasi di congelamento-scongelamento, che interrompono fisicamente la cuticola, consentendo l'estrazione dell'RNA e la successiva sintesi del cDNA. Il metodo STST riduce il tempo di estrazione di oltre 24 volte rispetto ai metodi di estrazione dell'RNA di massa, come descritto da Boothby, 201843, e del 30% rispetto ai kit di estrazione di RNA tardigrado singolo, come descritto da Arakawa et al., 201634. Inoltre, il numero di interazioni campione-sperimentatore è diminuito da 5 a solo 1 rispetto alle preparazioni del kit di estrazione dell'RNA, riducendo così il rischio di contaminazione da ribonucleasi esogene. Quando si interrogano geni altamente espressi, il metodo STST produce cDNA sufficiente per 25 reazioni quantitative di RT-PCR per singolo tardigrado, richiedendo solo 1 μL del volume totale di cDNA di 25 μL per reazione. Tuttavia, le concentrazioni del modello devono essere determinate empiricamente per i trascritti di abbondanza inferiore.
L'efficacia del metodo STST per l'analisi dei cambiamenti dinamici nell'espressione genica è stata valutata studiando l'espressione differenziale dei geni che codificano per la proteina da shock termico-90α (HSP90α) e la proteina da shock termico 70β2 (HSP70β2) in risposta a uno shock termico a breve termine a 35°C per 20 minuti. Sia HSP70β2 che HSP90α nella maggior parte degli organismi eucariotici sono rapidamente sovraregolati dopo un'esposizione a breve termine allo shock termico (20 min)42. L'analisi in H. exemplaris ha rivelato che sia gli RNA codificanti HSP70β2 che HSP90α estratti da singoli tardigradi trattati termicamente hanno mostrato aumenti statisticamente significativi dell'espressione in seguito a breve esposizione al calore. Questi risultati dimostrano che il protocollo STST può essere utilizzato per analizzare i cambiamenti dinamici nell'espressione genica nei singoli animali nel tempo.
Il metodo di estrazione STST dovrebbe integrare i metodi sperimentali esistenti come l'RNA-seq, facilitando l'estrazione rapida ed economica dell'RNA e il successivo confronto dei livelli di trascrizione mediante qRT-PCR. Questo metodo sarà utile anche per valutare l'efficienza e la penetranza dell'RNAi in individui iniettati manualmente in modo più quantitativo rispetto alla sola densità ottica. Infine, a causa delle loro strutture cuticolari e caratteristiche fisiche simili, è probabile che questo metodo sarà efficace anche per analizzare l'espressione genica in altre specie di tardigradi44.