Os tardígrados são pequenos animais multicelulares conhecidos por sua capacidade de sobreviver a condições extremas que são letais para a maioria das outras formas de vida1. Por exemplo, esses animais podem sobreviver quase 1000 vezes a dose de radiação ionizante que é letal para os humanos 2,3,4,5,6,7,8,9,10, dessecação quase completa 11,12,13,14,15, congelamento na ausência de adição de crioprotetores 16,17,18 e, em seu estado dessecado, até mesmo o vácuo do espaço 19,20. Devido à sua capacidade única de sobrevivência em ambientes extremos, esses animais tornaram-se modelos fundamentais para a compreensão da extrema tolerância em organismos multicelulares complexos 1,21,22,23.
A manipulação genética estável desses animais notáveis, incluindo transgênese e modificação genética da linha germinativa, permaneceu indescritível até recentemente 24,25. Como tal, a maioria dos experimentos para revelar mecanismos moleculares de extremotolerância são realizados por meio de perfis transcricionais via sequenciamento de RNA. Existem muitos conjuntos de dados de sequenciamento de RNA valiosos e informativos para tardígrados sob várias condições extremas, variando de radiação 8,9,26,27,28, estresse térmico29, estresse de congelamento12 e dessecação 27,30,31,32,33. Alguns desses estudos utilizaram métodos de extração e purificação de RNA em massa para iluminar nossa compreensão molecular da extremotolerância. No entanto, a extração em massa de transcritos de RNA de muitos animais impede a análise da variação na expressão gênica entre indivíduos, perdendo assim a riqueza potencial de conjuntos de dados mais refinados. É importante ressaltar que esses estudos geralmente analisam populações heterogêneas de animais que incluem animais que sobrevivem a estressores ambientais e aqueles que não sobrevivem. Como tal, esses estudos são confundidos pela média de dados de expressão de estados de resposta múltiplos e potencialmente dramaticamente diferentes. Para resolver esse problema, Arakawa et al., 201634 desenvolveram um elegante pipeline de RNA-seq de baixa entrada que aplica um kit de extração de RNA seguido por uma etapa de amplificação de PCR linear usando 34,35,36 ou vários 30,37,38 animais como entrada. Esses estudos foram fundamentais para nossa compreensão da extremotolerância ao tardígrado22. Curiosamente, este protocolo também foi aplicado ao qRT-PCR usando sete animais como material de partida24.
Na maioria dos organismos modelo, tendo identificado alvos potenciais via RNA-seq, o qRT-PCR é então realizado para confirmar as alterações transcricionais identificadas pelo RNA-seq e avaliar o curso do tempo de expressão dos genes candidatos de maneira de alta resolução. Para testar a função dos genes identificados, esses estudos são frequentemente seguidos por knockdown mediado por RNAi de alvos moleculares39,40 e análise da capacidade extremotolerante 12,41. A eficácia de cada knockdown de RNAi é normalmente confirmada por qRT-PCR, monitorando diretamente a diminuição na abundância de transcritos. No entanto, o RNAi é um processo trabalhoso em tardígrados, pois cada dsRNA deve ser administrado por meio de microinjeção manual de indivíduos39,40. Devido à natureza de baixo rendimento dessa estratégia, um método de extração de RNA rápido e de baixo custo adaptado para qRT-PCR de animais únicos seria altamente valioso para a pesquisa de tardígrados. Embora métodos anteriores tenham sido desenvolvidos para extrair RNA de tardígrados únicos, esses protocolos não combinaram sua extração com qRT-PCR, em vez disso, confiaram em métodos baseados em densidade óptica 12,40,41. Motivados por esses desafios, procuramos desenvolver um protocolo que produza RNA de forma confiável em quantidade e qualidade que possa ser usado para qRT-PCR a partir de um único H. exemplaris.
Adaptado de um protocolo de extração de RNA de um único animal desenvolvido para Caenorhabditis elegans42, o STST é otimizado para H. exemplaris. O método de extração consiste em seis etapas rápidas de congelamento e descongelamento, interrompendo fisicamente a cutícula, permitindo a extração de RNA e subsequente síntese de cDNA. O método STST diminui o tempo de extração em mais de 24 vezes em comparação com os métodos de extração de RNA em massa, conforme descrito por Boothby, 201843, e em 30% em comparação com os kits de extração de RNA tardígrado único, conforme descrito por Arakawa et al., 201634. Além disso, o número de interações amostra-experimentador é reduzido de 5 para apenas 1 em comparação com as preparações do kit de extração de RNA, reduzindo assim o risco de contaminação por ribonucleases exógenas. Ao consultar genes altamente expressos, o método STST produz cDNA suficiente para 25 reações quantitativas de RT-PCR por tardígrado único, exigindo apenas 1 μL do volume total de 25 μL de cDNA por reação. No entanto, as concentrações do modelo precisam ser determinadas empiricamente para transcritos de menor abundância.
A eficácia do método STST para analisar mudanças dinâmicas na expressão gênica foi avaliada investigando a expressão diferencial dos genes que codificam a proteína de choque térmico-90α (HSP90α) e a proteína de choque térmico 70β2 (HSP70β2) em resposta ao choque térmico de curto prazo a 35°C por 20 minutos. Tanto o HSP70β2 quanto o HSP90α na maioria dos organismos eucarióticos são rapidamente regulados positivamente após a exposição a choques térmicos de curto prazo (20 min) 42 . A análise em H. exemplaris revelou que os RNAs codificadores de HSP70β2 e HSP90α extraídos de tardígrados tratados termicamente mostraram aumentos estatisticamente significativos na expressão após exposição ao calor de curto prazo. Esses achados demonstram que o protocolo STST pode ser usado para analisar mudanças dinâmicas na expressão gênica em animais individuais ao longo do tempo.
O método de extração STST deve complementar os métodos experimentais existentes, como RNA-seq, facilitando a extração rápida e barata de RNA e a subsequente comparação dos níveis de transcrição por qRT-PCR. Este método também será valioso para avaliar a eficiência e penetrância do RNAi em indivíduos injetados manualmente de forma mais quantitativa do que a densidade óptica sozinha. Finalmente, devido às suas estruturas cuticulares e características físicas semelhantes, é provável que esse método também seja eficaz para analisar a expressão gênica em outras espécies de tardígrados44.