Longtemps présumée dépourvue de tête, l’étoile de mer n’est peut-être rien d’autre que

Pendant des siècles, les naturalistes se sont demandé ce qui pourrait constituer la tête d’une étoile de mer, communément appelée « étoile de mer ». Lorsque l’on regarde un ver ou un poisson, il est clair quelle extrémité est la tête et quelle est la queue. Mais avec leurs cinq bras identiques, dont chacun peut prendre l’initiative de propulser les étoiles de mer à travers le fond marin, personne ne sait comment déterminer l’extrémité avant de l’organisme depuis l’arrière. Ce plan corporel inhabituel a conduit de nombreuses personnes à conclure que les étoiles de mer n’ont peut-être pas de tête du tout.

Mais maintenant, des laboratoires de l’Université de Stanford et de l’UC Berkeley, chacun dirigé par les enquêteurs de Chan Zuckerberg Biohub San Francisco, ont publié une étude révélant que la vérité est plus proche de l’inverse absolu. En bref, alors que l’équipe a détecté des signatures génétiques associées au développement de la tête un peu partout chez les étoiles de mer juvéniles, l’expression des gènes codant pour les sections du torse et de la queue d’un animal était largement absente.

Les chercheurs ont utilisé diverses techniques moléculaires et génomiques de haute technologie pour comprendre où différents gènes étaient exprimés au cours du développement et de la croissance des étoiles de mer. Une équipe de Southampton a utilisé le micro-CT pour comprendre la forme et la structure de l’animal avec des détails sans précédent.

Dans une autre découverte surprenante, les signatures moléculaires généralement associées à la partie la plus avant de la tête étaient localisées au milieu de chacun des bras de l’étoile de mer, ces signatures devenant progressivement plus postérieures et s’éloignant vers les bords des bras.

La recherche, publiée le 1er novembre dans Naturesuggère que, loin d’être sans tête, les étoiles de mer ont perdu leur corps au fil du temps pour ne plus devenir que des têtes.

“C’est comme s’il manquait complètement de tronc à l’étoile de mer et qu’elle était mieux décrite comme une simple tête rampant sur le fond marin”, a déclaré Laurent Formery, chercheur postdoctoral et auteur principal de la nouvelle étude. “Ce n’est pas du tout ce que les scientifiques ont supposé à propos de ces animaux.”

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

Un puzzle en forme d’étoile

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

Les 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, et chez de nombreux invertébrés comme les insectes et les vers.

Mais la structure corporelle des étoiles de mer a longtemps perturbé la compréhension des scientifiques sur l’évolution animale. Au lieu d’afficher une symétrie bilatérale, les étoiles de mer adultes – et les échinodermes apparentés, tels que les oursins et les concombres de mer – ont un axe de symétrie quintuple sans tête ni queue claires. Et personne n’a été en mesure de déterminer comment la programmation génétique détermine cette symétrie inhabituelle quintuple.

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 jusqu’à son ventre, qui est tapissé de pieds tubulaires. D’autres ont suggéré que chacun des cinq bras de l’étoile de mer correspondait à une copie d’un axe tête-queue conventionnel.

Les efforts visant à confirmer définitivement ces hypothèses se sont toutefois heurtés à des difficultés, en grande partie parce que les méthodes de détection de l’expression des gènes, développées principalement dans un petit nombre d’organismes modèles comme les souris et les mouches, ne fonctionnent pas bien dans les tissus des jeunes étoiles de mer. Pendant des années, Lowe et ses collègues avaient hâte d’apporter des informations génétiques à la question en cartographiant l’activité génétique des étoiles de mer en développement. Mais sans les kits d’outils génétiques complexes développés au cours de décennies de recherche qui existent pour les organismes modèles typiques, une analyse aussi complète était intimidante.

Une technologie qui change la donne

Lowe a trouvé une solution à ce problème lors de l’une des réunions régulières des enquêteurs du Biohub à San Francisco, où un autre chercheur lui a suggéré de contacter PacBio, une entreprise basée dans la Silicon Valley qui construit des dispositifs de séquençage du génome. Au cours des cinq années précédentes, PacBio avait perfectionné une technique permettant de séquencer d’énormes quantités de matériel génétique à l’aide de puces de la taille d’un timbre-poste remplies de millions de réacteurs chimiques individuels, chacun étant préparé pour lire simultanément de longues séquences d’ADN capturées à l’intérieur.

Contrairement au séquençage traditionnel, qui nécessite de couper le matériel génétique en petits morceaux pour garantir l’exactitude, l’approche de PacBio, appelée séquençage HiFi, peut extraire des données très précises de brins d’ADN intacts de la taille d’un gène, ce qui rend le processus beaucoup plus rapide et moins cher. C’était exactement ce dont Lowe et son équipe avaient besoin pour établir un processus permettant d’étudier la génétique des étoiles de mer à partir de zéro.

“Le type de séquençage qui aurait pris des mois peut désormais être réalisé en quelques heures, et c’est des centaines de fois moins cher qu’il y a cinq ans”, a déclaré David Rank, également co-auteur principal de la nouvelle étude et ancien chercheur. Boursier scientifique PacBio. “Ces progrès nous ont permis de repartir de zéro dans un organisme qui n’est généralement pas étudié en laboratoire et de réaliser le genre d’étude détaillée qui aurait été impossible il y a 10 ans.”

Cette technologie a permis aux chercheurs de séquencer les génomes des étoiles de mer et d’utiliser une approche appelée transcriptomique spatiale, grâce à laquelle ils ont pu identifier quels gènes d’étoiles de mer sont actifs à des endroits précis de l’organisme. Pour rechercher des modèles indiquant un axe de la tête à la queue, les chercheurs ont examiné les différences d’expression des gènes dans trois directions différentes à travers le corps : du centre de l’étoile de mer aux extrémités de ses bras, de son sommet à son ventre et d’un côté. bord de ses bras à l’autre.

Ensuite, pour examiner de plus près le comportement de certains gènes clés, ils les ont marqués un par un avec des colorants fluorescents afin de créer une carte détaillée de leur répartition dans le corps de l’étoile de mer.

Les chercheurs ont constaté qu’aucune des hypothèses principales concernant la structure du plan corporel des étoiles de mer n’était correcte. Au lieu de cela, ils ont constaté que l’expression génétique correspondant au cerveau antérieur chez l’homme et d’autres animaux à symétrie bilatérale était située le long de la ligne médiane des bras des étoiles de mer, l’expression génétique correspondant à celle du mésencéphale humain vers les bords extérieurs des bras.

Alors que les gènes marquant différentes sous-régions de la tête chez l’homme et chez d’autres bilatériens étaient exprimés chez l’étoile de mer, un seul des gènes typiquement associés au tronc chez les animaux était exprimé, aux bords même des bras des étoiles de mer.

“Ces résultats suggèrent que les échinodermes, et les étoiles de mer en particulier, présentent l’exemple le plus spectaculaire de découplage des régions de la tête et du tronc que nous connaissions aujourd’hui”, a déclaré Formery, ajoutant que certains ancêtres d’étoiles de mer à l’apparence bizarre ont été préservés dans les archives fossiles semblent avoir eu une trompe. “Cela ouvre une tonne de nouvelles questions que nous pouvons maintenant commencer à explorer.”

Une porte vers de nouvelles découvertes

Les questions que l’équipe espère aborder ensuite consistent à savoir si les schémas génétiques observés chez les étoiles de mer apparaissent également chez les oursins et les concombres de mer. De son côté, Formery souhaite également étudier ce que l’étoile de mer peut nous apprendre sur l’évolution du système nerveux, que, selon lui, personne ne comprend vraiment chez les échinodermes.

En savoir plus sur l’étoile de mer et ses proches aidera non seulement à résoudre les principaux mystères de l’évolution animale, mais pourrait également inspirer des innovations en médecine, ont indiqué les chercheurs. Les étoiles de mer marchent en déplaçant l’eau à travers des milliers de pieds tubulaires et digèrent leurs proies en extrudant leur estomac à l’extérieur de leur corps. Il va de soi que ces créatures inhabituelles ont également développé des stratégies complètement inattendues pour rester en bonne santé – qui, si nous prenions le temps de les comprendre, pourraient élargir nos approches dans la lutte contre les maladies humaines.

“Il est certainement plus difficile de travailler sur des organismes moins fréquemment étudiés”, a déclaré Rokhsar. “Mais si nous profitons de l’occasion pour explorer des animaux inhabituels qui fonctionnent de manière inhabituelle, cela signifie que nous élargissons notre perspective de la biologie, ce qui finira par nous aider à résoudre des problèmes écologiques et biomédicaux.”