Estudio del genoma de la ‘estrella quebradiza’ para comprender la evolución de la regeneración

La secuenciación del genoma de la estrella quebradiza ha revelado disposiciones genéticas únicas y proporciona información sobre antiguos genes implicados en la regeneración de las extremidades.

Publicado originalmente en The Scientist por Sneha Khedkar, el 22 de Nov de 2024

Mientras la niebla se cierne sobre un fiordo sueco bordeado de imponentes acantilados boscosos, un grupo de científicos recoge lodo del fondo de las aguas color turquesa. Buscan estrellas quebradizas -animales marinos con brazos largos, delgados y parecidos a los de una serpiente- para echar un vistazo a los genes que les confieren características distintivas, incluido el poder de regeneración.

ARRIBA: Los científicos han secuenciado el genoma de la estrella Amphiura filiformis. Fredrik Pleijel (Universidad de Gotemburgo)

Las estrellas quebradizas pertenecen al filo Echinodermata, que incluye estrellas de mar, erizos de mar, pepinos de mar y lirios de mar. Aunque se han caracterizado los genomas de estas otras clases de equinodermos, Ferdinand Marlétaz, biólogo evolutivo del University College de Londres, señaló: «Sorprendentemente, no se disponía del genoma [de las estrellas quebradizas]»^1-4.

Para estudiar esta intrigante criatura, el equipo de Marlétaz recogió cientos de estrellas quebradizas en un fiordo de Suecia y volvió al laboratorio para secuenciar el genoma del animal marino, que pertenece a la especie Amphiura filiformis.⁵ Los resultados, publicados en Nature Ecology & Evolution, arrojan luz sobre cómo han evolucionado los animales de la familia Amphiuridae y proporcionan información sobre los genes implicados en la regeneración de las extremidades.

 

ARRIBA: Vistas dorsal (izquierda) y ventral (derecha) de un esqueleto actual de Astrophiura permira. THUY ET AL

«Mansi Srivastava, biólogo evolutivo del desarrollo de la Universidad de Harvard que no participó en el estudio, afirma: «Es un recurso enorme. «Va a hacer avanzar preguntas que mucha gente en biología evolutiva del desarrollo se está haciendo».

El equipo de Marlétaz extrajo y secuenció el ADN que recogió de las estrellas quebradizas y ensambló el genoma. Para determinar cómo han evolucionado las estrellas quebradizas desde que se separaron de otros equinodermos hace unos 500 millones de años, el equipo comparó el genoma de A. filiformis con los de erizos de mar, estrellas de mar y pepinos de mar. Observaron que el genoma de la estrella quebradiza había sufrido más cambios genéticos importantes, como la reorganización de genes en los cromosomas, en comparación con los demás equinodermos. Entre los genes reordenados se encontraban los del grupo Hox, que da forma al plan corporal del animal. Estos genes aparecen en el mismo orden en el mismo cromosoma en animales evolutivamente distantes.⁶ Mientras que los genes del grupo Hox de otras clases de equinodermos mostraban este orden esperado, los del genoma de la estrella quebradiza rompían este patrón.

«[Esto fue] sorprendente, porque sabemos que el clúster Hox es muy conservador en cuanto al orden de los genes», afirmó Elise Parey, bióloga evolutiva del University College de Londres y coautora del estudio.

Srivastava señaló que el estudio de esta reordenación puede aportar datos importantes sobre la función de este grupo de genes en los equinodermos. «Los genes Hox parecen estar muy limitados a lo largo de la evolución», afirma Srivastava. «He aquí un animal que ha jugado con esa limitación. Así que estudiar algo que se desvía de las reglas puede decirnos algo más sobre las reglas», explicó.

Con el genoma de la estrella quebradiza en la mano, Marlétaz y su equipo investigaron otra característica importante del animal: su capacidad de regeneración. Como muchos otros equinodermos, las estrellas quebradizas pueden regenerar sus extremidades tras una amputación.⁷ «La estrella quebradiza puede regenerar el brazo en sólo un mes, lo que es muy, muy rápido», dijo Parey. En comparación, las estrellas de mar tardan varios meses en regenerar un brazo perdido, lo que convierte a las estrellas quebradizas en un modelo importante para estudiar los genes implicados en la regeneración.

Marlétaz y su equipo trataron de identificar los genes que subyacen a tales poderes regenerativos. Cortaron los brazos de casi 3.500 animales y evaluaron la expresión génica a medida que los brazos volvían a crecer. A medida que avanzaba la regeneración, surgieron distintos genes como mediadores importantes. Los genes que intervienen en la respuesta a las heridas, incluidas las funciones relacionadas con la inmunidad y la migración celular, se activan durante las primeras fases de la regeneración, mientras que las etapas posteriores se caracterizan por una mayor actividad de los genes asociados a la diferenciación de los tejidos y la conformación de las extremidades. 

El mapeo de la ascendencia de estos genes reveló que la regeneración del brazo implicaba en gran medida la expresión de genes antiguos, lo que indica raíces genéticas compartidas entre otros animales regeneradores. Para investigar si genes similares intervenían en la regeneración de extremidades en otros animales, el equipo estudió los genes expresados durante la regeneración en especies emparentadas a distancia. Compararon los perfiles genéticos de la estrella quebradiza con datos publicados anteriormente de otros dos animales regenerativos: el ajolote (Ambystoma mexicanum) y el crustáceo marino (Parhyale hawaiensis). Observaron que los tres animales expresaban genes similares durante la regeneración de las extremidades, lo que valida un origen ancestral compartido para la regeneración.

«Nuestro trabajo es probablemente uno de los pocos que han intentado comparar los genes implicados en el proceso regenerativo entre linajes», afirma Marlétaz.

«Es un trabajo que nos invita a estudiar más especies de esta forma comparativa», coincidió Srivastava. Sin embargo, según ella, la identificación de genes en las estrellas quebradizas es un primer paso. «Para saber realmente qué hacen, hay que hacer trabajo funcional en el laboratorio».

Paray se mostró de acuerdo. «Los [siguientes pasos] serían experimentos de validación biológica para diseccionar el papel de un gen determinado».

Referencias

1.            Chen T, et al. The Holothuria leucospilota genome elucidates sacrificial organ expulsion and bioadhesive trap enriched with amyloid-patterned proteins. Proc Natl Acad Sci USA. 2023;120(16):e2213512120.

2.            Sodergren E, et al. The genome of the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus.Science. 2006;314(5801):941-952.

3.            Hall MR, et al. The crown-of-thorns starfish genome as a guide for biocontrol of this coral reef pest. Nature. 2017;544(7649):231-234.

4.            Wang Y, et al. Ensamblaje del genoma a nivel cromosómico de la estrella de mar del Pacífico norte Asterias amurensis. Sci Data. 2023;10(1):767.

5.            Parey E, et al. The brittle star genome illuminates the genetic basis of animal appendage regeneration. Nat Ecol Evol. 2024;8(8):1505-1521.

6.            Hubert KA, Wellik DM. Hox genes in development and beyond. Development. 2023;150(1):dev192476.

7.            Medina-Feliciano JG, García-Arrarás JE. Regeneración en equinodermos: Avances moleculares. Front Cell Dev Biol. 2021;9.

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