Longtemps supposées ne pas avoir de tête du tout, les étoiles de mer pourraient n'être rien d'autre que des.

1er novembre 2023

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par Chan Zuckerberg Biohub

Depuis des siècles, les naturalistes se sont demandé ce qui pourrait constituer la tête d'une étoile de mer, communément appelée "étoile de mer". Lorsqu'on regarde un ver ou un poisson, il est évident quel est l'extrémité de la tête et quelle est l'extrémité de la queue. Mais avec leurs cinq bras identiques, dont n'importe lequel peut prendre la tête pour propulser les étoiles de mer à travers le fond marin, il a été difficile de déterminer quelle extrémité de l'organisme est l'avant et laquelle est l'arrière. Ce plan corporel inhabituel a conduit beaucoup à conclure que les étoiles de mer n'ont peut-être pas de tête du tout.

Mais maintenant, les laboratoires de l'Université Stanford et de l'UC Berkeley, dirigés chacun par des enquêteurs du Chan Zuckerberg Biohub de San Francisco, ont publié une étude qui révèle que la vérité est plus proche de l'inverse absolu. En bref, l'équipe a détecté des signatures génétiques associées au développement de la tête presque partout chez les étoiles de mer juvéniles, tandis que l'expression des gènes codant pour le torse et la queue d'un animal était en grande partie absente.

Les chercheurs ont utilisé diverses techniques moléculaires et génomiques de pointe pour comprendre où les différents gènes étaient exprimés pendant le développement et la croissance des étoiles de mer. Une équipe de Southampton a utilisé la micro-tomographie pour comprendre la forme et la structure de l'animal avec un niveau de détail sans précédent.

Dans une autre découverte surprenante, les signatures moléculaires généralement associées à la partie antérieure de la tête étaient localisées au milieu de chacun des bras de l'étoile de mer, ces signatures devenant de plus en plus postérieures vers les extrémités des bras.

La recherche, publiée le 1er novembre dans Nature, suggère que, loin d'être sans tête, les étoiles de mer ont perdu leur corps au fil de l'évolution pour ne devenir que des têtes.

Scan micro-CT d'une étoile de mer montrant le squelette (gris), le système digestif (jaune), le système nerveux (bleu), les muscles (rouge) et le système vasculaire hydraulique (violet). Crédit : Université de Southampton

"C'est comme si l'étoile de mer était complètement dépourvue de tronc et qu'elle était mieux décrite comme une tête qui se déplace le long du fond marin", a déclaré Laurent Formery, chercheur postdoctoral et premier auteur de la nouvelle étude. "Ce n'est pas du tout ce que les scientifiques ont supposé sur ces animaux."

Deux des trois co-auteurs principaux de l'étude, le biologiste marin et du développement Christopher Lowe de l'Université Stanford et Daniel Rokhsar de l'UC Berkeley, expert en évolution moléculaire des espèces animales, collaborent depuis une dizaine d'années.

Presque tous les animaux, y compris les humains, sont symétriques bilatéralement, c'est-à-dire qu'ils peuvent être divisés en deux moitiés en miroir le long d'un axe unique s'étendant de leur tête à leur queue. En 1995, le prix Nobel de physiologie ou médecine a été décerné à trois scientifiques qui avaient utilisé des drosophiles pour démontrer que le plan corporel bilatéral, de la tête à la queue, observé chez la plupart des animaux, résulte de l'action d'une série de commutateurs moléculaires, codés par des gènes, exprimés dans des régions définies de la tête et du tronc.

Des chercheurs ont depuis confirmé que cette même programmation génétique est partagée par la grande majorité des espèces animales, y compris les vertébrés comme les humains et les poissons, ainsi que de nombreux invertébrés tels que les insectes et les vers.

Mais le plan corporel des étoiles de mer a depuis longtemps déconcerté la compréhension de l'évolution animale par les scientifiques. Au lieu de présenter une symétrie bilatérale, les étoiles de mer adultes - et les échinodermes apparentés, tels que les oursins et les concombres de mer - ont une symétrie à cinq axes sans tête ni queue clairement définies. Et personne n'a pu déterminer comment la programmation génétique dirige cette symétrie inhabituelle à cinq axes.

Certains scientifiques ont proposé que chez les étoiles de mer, l'axe de la tête à la queue pourrait s'étendre du dos blindé de l'animal à son ventre, qui est recouvert de pieds en tube. D'autres ont suggéré que chacun des cinq bras de l'étoile de mer correspond à une copie d'un axe de la tête à la queue conventionnelle.

Cependant, les efforts pour confirmer de telles hypothèses ont été confrontés à des défis, principalement parce que les méthodes de détection de l'expression génique, développées principalement chez un petit nombre d'organismes modèles tels que les souris et les drosophiles, ne fonctionnent pas bien dans les tissus des jeunes étoiles de mer. Pendant des années, Lowe et ses collègues ont eu envie d'apporter des informations génétiques à cette question en cartographiant l'activité génétique à travers le développement des étoiles de mer. Mais sans les outils génétiques complexes développés au cours de décennies de recherche pour les organismes modèles typiques, une telle analyse complète était intimidante.

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