a mass of arms and legs that seem to form a star shape. However, recent studies have shown that starfish do indeed have a central nervous system and a small cluster of neurons that act as a rudimentary brain.Por mucho tiempo se creyó que las estrellas de mar no tenían cabeza en absoluto, y que eran una masa de brazos y patas que parecen formar una forma de estrella. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que las estrellas de mar realmente tienen un sistema nervioso central y un pequeño grupo de neuronas que actúan como un cerebro rudimentario.

1 de noviembre de 2023

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por Chan Zuckerberg Biohub

Durante siglos, los naturalistas han estado desconcertados por lo que podría constituir la cabeza de una estrella de mar, comúnmente llamada "estrella de mar". Al mirar un gusano o un pez, está claro cuál es la cabeza y cuál es la cola. Pero con sus cinco brazos idénticos, cualquiera de los cuales puede liderar el impulso de las estrellas de mar a través del lecho marino, ha sido una conjetura cómo determinar el extremo frontal del organismo del extremo trasero. Este plan corporal inusual ha llevado a muchos a concluir que tal vez las estrellas de mar no tienen cabeza en absoluto.

Pero ahora, los laboratorios de la Universidad de Stanford y UC Berkeley, dirigidos por los Investigadores de Chan Zuckerberg Biohub en San Francisco, han publicado un estudio que encuentra que la verdad está más cerca de ser completamente lo contrario. En resumen, mientras el equipo detectó firmas genéticas asociadas con el desarrollo de la cabeza en todas partes de las estrellas de mar jóvenes, la expresión de los genes que codifican las secciones del torso y la cola de un animal faltaban en gran medida.

Los investigadores utilizaron una variedad de técnicas moleculares y genómicas de alta tecnología para comprender dónde se expresaban diferentes genes durante el desarrollo y crecimiento de las estrellas de mar. Un equipo en Southampton utilizó la tecnología de micro-CT para comprender la forma y estructura del animal en detalle sin precedentes.

En otro hallazgo sorprendente, las firmas moleculares típicamente asociadas con la parte frontal más anterior de la cabeza se localizaron en el centro de cada uno de los brazos de la estrella de mar, y estas firmas se volvieron progresivamente más posteriores hacia los bordes de los brazos.

La investigación, publicada el 1 de noviembre en Nature, sugiere que, lejos de carecer de cabeza, las estrellas de mar han perdido sus cuerpos a lo largo de la evolución para convertirse solo en cabezas.

Micro-CT scan de una estrella de mar que muestra el esqueleto (gris), sistema digestivo (amarillo), sistema nervioso (azul), músculos (rojo) y sistema vascular (púrpura). Crédito: University of Southampton

"Es como si la estrella de mar estuviera completamente sin tronco y se describiera mejor como una cabeza que se arrastra por el fondo del mar", dijo Laurent Formery, investigador postdoctoral y autor principal del nuevo estudio. "No es en absoluto lo que los científicos han asumido sobre estos animales".

Marinos y biólogos del desarrollo Christopher Lowe de la Universidad de Stanford, Daniel Rokhsar de UC Berkeley, experto en la evolución molecular de especies animales, han colaborado durante una década como dos de los tres coautores principales del estudio.

Casi todos los animales, incluidos los humanos, tienen simetría bilateral, lo que significa que se pueden dividir en dos mitades reflejadas a lo largo de un eje único que se extiende desde la cabeza hasta la cola. En 1995, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina fue otorgado a tres científicos que demostraron con moscas de la fruta que el plan corporal bilateral, de cabeza a cola, visto en la mayoría de los animales surge de la acción de una serie de interruptores moleculares, codificados por genes, expresados en las regiones definidas de la cabeza y el tronco.

Los investigadores han confirmado desde entonces que esta misma programación genética se comparte en la gran mayoría de las especies animales, incluidos los vertebrados como los humanos y los peces, y en muchos invertebrados como los insectos y los gusanos.

Pero el plan corporal de las estrellas de mar ha desconcertado durante mucho tiempo la comprensión de la evolución de los animales por parte de los científicos. En lugar de mostrar simetría bilateral, las estrellas de mar adultas, y los equinodermos relacionados como los erizos de mar y las pepinos de mar, tienen un eje de simetría de cinco pliegues sin una cabeza ni cola clara. Y nadie ha podido determinar cómo la programación genética impulsa esta simetría de cinco pliegues inusual.

Algunos científicos han propuesto que en las estrellas de mar, el eje de cabeza a cola podría extenderse desde la espalda blindada del animal hasta su vientre, que está cubierto de pies en forma de tubo. Otros han sugerido que cada uno de los cinco brazos de la estrella de mar corresponde a una copia de un eje convencional de cabeza a cola.

Los esfuerzos para confirmar definitivamente tales hipótesis han enfrentado desafíos, sin embargo, principalmente porque los métodos para detectar la expresión génica, desarrollados principalmente en un pequeño número de organismos modelo como ratones y moscas, no funcionan bien en el tejido de las estrellas de mar jóvenes. Durante años, Lowe y sus colegas habían anhelado utilizar información genética para responder la pregunta mapeando la actividad genética en estrellas de mar en desarrollo. Pero sin los complejos juegos de herramientas genéticas desarrollados durante décadas de investigación que existen para los organismos modelo típicos, un análisis tan completo era desalentador.

Lowe encountered a solution for this problem at one of the regular San Francisco meetings of Biohub Investigators, where another researcher suggested he contact PacBio, a Silicon Valley–based company that builds genome-sequencing devices. Over the previous five years, PacBio had been perfecting a technique for sequencing massive quantities of genetic material using postage stamp–sized chips jam-packed with millions of individual chemical reactors, each primed to simultaneously read long stretches of DNA captured within.

Unlike traditional sequencing, which requires chopping genetic material into small pieces to ensure accuracy, PacBio's approach, called HiFi sequencing, can pull highly accurate data from intact, gene-sized DNA strands, making the process much faster and cheaper. It was exactly what Lowe and his team needed to establish a process for studying sea star genetics from the ground up.

'The kind of sequencing that would have taken months can now be done in a matter of hours, and it's hundreds of times cheaper than just five years ago,' said David Rank, also a co–senior author of the new study and a former PacBio Scientific Fellow. 'These advances meant we could start essentially from scratch in an organism that's not typically studied in the lab and put together the kind of detailed study that would have been impossible 10 years ago.'

This technology allowed the researchers to sequence the genomes of the sea stars and employ an approach called spatial transcriptomics, through which they could pinpoint which sea star genes are active at precise locations in the organism. To search for patterns that would indicate a head-to-tail axis, the researchers examined gene expression differences in three different directions across the body: from the sea star's center to its arm tips, from its top to its underbelly, and from one side edge of its arms to the other.

Then, to get a closer look at how certain key genes were behaving, they labeled them one by one with fluorescent dyes to create a detailed map of their distribution in the sea star body.

The researchers found that neither of the prominent hypotheses of sea star body plan structure was correct. Instead, they saw that gene expression corresponding to the forebrain in humans and other bilaterally symmetrical animals was located along the midline of sea stars' arms, with genetic expression corresponding to that of the human midbrain towards the arms' outer edges.

While the genes marking different subregions of the head in humans and other bilaterians were expressed in the sea star, only one of the genes typically associated with the trunk in animals was expressed, at the very edges of the sea stars' arms.

'These results suggest that the echinoderms, and sea stars in particular, have the most dramatic example of decoupling of the head and the trunk regions that we are aware of today,' said Formery, adding that some bizarre-looking sea star ancestors preserved in the fossil record do appear to have had a trunk. 'It just opens a ton of new questions that we can now start to explore.'

Questions that the team hopes to address next involve whether the genetic patterning seen in sea stars also shows up in sea urchins and sea cucumbers. For his part, Formery also wants to look into what the sea star can teach us about the evolution of the nervous system, which, he said, no one quite understands in echinoderms.

Learning more about the sea star and its relatives will not only help solve key mysteries of animal evolution, but could also inspire innovations in medicine, the researchers said. Sea stars walk by moving water through thousands of tube feet and digest their prey by extruding their stomachs outside of their bodies. It only stands to reason that these unusual creatures have also evolved completely unexpected strategies for staying healthy—which, if we took the time to understand them, could expand our approaches to combating human disease.

'It's certainly harder to work in organisms that are less frequently studied,' Rokhsar said. 'But if we take the opportunity to explore unusual animals that are operating in unusual ways, that means we are broadening our perspective of biology, which is eventually going to help us solve both ecological and biomedical problems.'

Journal information: Nature

Provided by Chan Zuckerberg Biohub