Une étude de Stanford utilisant des outils génétiques et moléculaires a percé le mystère de l’anatomie des étoiles de mer, révélant que leur « tête » est répartie dans plusieurs régions, y compris le centre et chaque membre. Cette découverte remet en question la compréhension traditionnelle et suggère une histoire évolutive complexe. La recherche, explorant la transformation des plans corporels bilatéraux en plans pentaradiaux, souligne l’importance d’étudier diverses formes de vie pour mieux comprendre la biologie évolutive.
Si vous mettiez un chapeau sur une étoile de mer, où le mettriez-vous ? Au centre de l’étoile de mer ? Ou sur la pointe d’un bras et, si oui, lequel ? La question est idiote, mais elle aborde des questions sérieuses dans les domaines de la zoologie et de la biologie du développement qui ont laissé perplexes les scientifiques chevronnés et les écoliers dans les cours d’introduction à la biologie : où est la tête d’une étoile de mer ? Et quel est le rapport entre leur disposition corporelle et la nôtre ?
Aujourd’hui, une nouvelle étude de Stanford qui a utilisé des outils génétiques et moléculaires pour cartographier les régions du corps des étoiles de mer – en créant un atlas 3D de leur expression génétique – aide à répondre à ce mystère de longue date. Les chercheurs ont découvert que la « tête » d’une étoile de mer ne se trouve pas au même endroit. Au lieu de cela, les régions en forme de tête sont réparties, certaines au centre de l’étoile de mer ainsi qu’au centre de l’étoile de mer. chaque membre de son corps.
« La réponse est beaucoup plus compliquée que prévu », a déclaré Laurent Formery, auteur principal et postdoctorant dans les laboratoires de Christopher Lowe à la Stanford School of Humanities and Sciences et de Daniel S. Rokhsar à la Stanford School of Humanities and Sciences. Université de Californie, Berkeley. « C’est juste bizarre, et très probablement l’évolution du groupe a été encore plus compliquée que ça. »
Les étoiles de mer (étoiles de mer) appartiennent à un groupe d’animaux appelés échinodermes. Les échinodermes et les humains sont étroitement liés, mais le cycle de vie et l’anatomie des étoiles de mer sont très différents des nôtres.
Les étoiles de mer commencent leur vie sous forme d’œufs fécondés qui éclosent pour donner une larve flottant librement. Les larves flottent dans l’océan sous forme de plancton pendant des semaines, voire des mois, avant de s’installer au fond de l’océan pour effectuer une sorte de tour de magie : passer d’un plan corporel bilatéral (symétrique sur la ligne médiane) à un adulte en forme d’étoile à cinq branches. appelé plan corporel pentaradial.
« Cela constitue un mystère zoologique depuis des siècles », a déclaré Lowe, également chercheur à la Hopkins Marine Station et auteur principal de l’article récemment publié dans la revue Nature. « Comment passer d’un plan corporel bilatéral à un plan pentaradial, et comment comparer n’importe lequel une partie de l’étoile de mer dans notre propre plan corporel ?
Cartographie des étoiles
Pour des énigmes comme celle-ci, les chercheurs mènent souvent des études comparatives pour identifier des structures similaires dans des groupes d’animaux apparentés afin de glaner des indices sur les événements évolutifs qui ont suscité le trait d’intérêt.
« Le problème avec les étoiles de mer est qu’il n’y a rien sur une étoile de mer anatomiquement qui puisse être associé à un vertébré », a déclaré Lowe. « Il n’y a tout simplement rien là-bas. »
Du moins, rien à l’extérieur d’une étoile de mer. Et c’est là qu’interviennent les techniques génétiques et moléculaires.
Au cours de ses recherches supérieures, Formery a étudié le développement précoce des oursins – des échinodermes, comme les étoiles de mer, qui commencent également leur vie sous forme de larves bilatérales avant de se transformer en adultes présentant une symétrie quintuple. Lorsque Formery a rejoint le laboratoire de Lowe, ses connaissances sur le développement des échinodermes se sont combinées à son expertise en techniques de biologie moléculaire pour aider à résoudre le mystère du plan corporel déroutant des étoiles de mer.
L’équipe a utilisé un groupe de marqueurs moléculaires bien étudiés (les gènes Hox en sont un exemple) qui agissent comme des modèles pour le plan corporel d’un organisme en « indiquant » à chaque cellule à quelle région du corps elle appartient.
« Si vous enlevez la peau d’un animal et regardez les gènes impliqués dans la définition d’une tête à partir d’une queue, les mêmes gènes codent pour ces régions du corps dans tous les groupes d’animaux », a déclaré Lowe. « Nous avons donc ignoré l’anatomie et demandé : y a-t-il un axe moléculaire caché sous toute cette anatomie étrange et quel est son rôle dans la formation d’une étoile de mer selon un plan corporel pentaradial ?
Pour étudier cette question, les chercheurs ont utilisé ARN la tomographie, une technique qui identifie où les gènes sont exprimés dans les tissus, et sur place l’hybridation, une technique qui se concentre sur une séquence d’ARN spécifique dans une cellule.
« Nous avons d’abord coupé les bras des étoiles de mer en fines tranches de la pointe au centre, de haut en bas et de gauche à droite », a expliqué Formery, notant que les étoiles de mer régénèrent les membres manquants. « Nous avons utilisé la tomographie de l’ARN pour déterminer quels gènes étaient exprimés dans chaque tranche, puis nous avons « réassemblé » les tranches à l’aide de modèles informatiques. Cela nous a donné une carte 3D de l’expression des gènes.
« Dans la deuxième méthode, sur place réaction en chaîne d’hybridation, nous avons coloré les tissus des étoiles de mer et inspecté visuellement les échantillons pour voir où un gène était exprimé », a déclaré Formery. Cela a permis aux chercheurs d’examiner la configuration corporelle antéro-postérieure (de la tête à la queue) dans la couche de cellules la plus externe appelée ectoderme.
«Cela a été rendu possible grâce à la récente et importante amélioration technique de sur place l’hybridation, connue sous le nom de sur place réaction en chaîne d’hybridation, a déclaré Formery. « Cette nouvelle méthode offre une meilleure résolution de l’endroit où le gène est exprimé. »
La recherche a révélé que les étoiles de mer ont un territoire en forme de tête au centre de chaque « bras » et une région en forme de queue le long du périmètre. Dans une tournure inattendue, aucune partie de l’ectoderme des étoiles de mer n’exprime un programme de configuration génétique du « tronc », ce qui suggère que les étoiles de mer ressemblent principalement à des têtes.
Exploiter une biodiversité véritablement diversifiée
Les recherches sont souvent centrées sur des groupes d’animaux qui nous ressemblent, expliquent les chercheurs. Mais si nous nous concentrons sur ce qui nous est familier, nous avons moins de chances d’apprendre quelque chose de nouveau.
« Il existe 34 phylums animaux différents vivant sur cette planète et, en plus de 600 millions d’années, ils ont tous trouvé des solutions différentes aux mêmes problèmes biologiques fondamentaux », a déclaré Lowe. « La plupart des animaux n’ont pas de système nerveux spectaculaire et chassent leurs proies : ce sont des animaux modestes qui vivent dans des terriers dans l’océan. Les gens ne sont généralement pas attirés par ces animaux, et pourtant ils représentent probablement le début de la vie.
Cette étude démontre comment une approche comparative utilisant des techniques génétiques et moléculaires peut être utilisée pour exploiter la biodiversité afin de mieux comprendre pourquoi différents animaux ont leur apparence et comment leurs plans corporels ont évolué.
« Même dans les articles moléculaires récents, il y a un point d’interrogation à propos des échinodermes sur l’arbre évolutif parce que nous ne savons pas grand-chose à leur sujet », a déclaré Formery. « C’était bien de montrer que – au moins au niveau moléculaire – nous disposons d’une nouvelle pièce du puzzle qui peut désormais être placée sur l’arbre. »
Formery, Lowe et Rokhsar sont également chercheurs au Chan Zuckerberg BioHub. Rokhsar est également chercheur à l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa. Les autres co-auteurs de Stanford sont Ian Kohnle, Judith Malnick et Kevin Uhlinger de Hopkins Marine Station. D’autres auteurs proviennent de Pacific Biosciences à Menlo Park, en Californie, et du Columbia Equine Hospital à Gresham, Oregon.
Cette recherche a été financée par NASAla National Science Foundation et le Chan Zuckerberg BioHub.
