Se mettessi un cappello su una stella marina, dove lo metteresti? Al centro della stella marina? Oppure sulla punta di un braccio e, se sì, quale? La domanda è sciocca, ma tocca questioni serie nei campi della zoologia e della biologia dello sviluppo che hanno lasciato perplessi sia gli scienziati veterani che gli scolari nelle lezioni introduttive di biologia: dove È la testa su una stella marina? E come si relaziona la loro disposizione corporea con la nostra?
Ora, un nuovo studio di Stanford che ha utilizzato strumenti genetici e molecolari per mappare le regioni del corpo delle stelle marine – creando un atlante 3D della loro espressione genetica – aiuta a rispondere a questo mistero di vecchia data. La “testa” di una stella marina, hanno scoperto i ricercatori, non si trova in nessun posto. Invece, le regioni a forma di testa sono distribuite, alcune al centro della stella marina e alcune al centro della stella marina ogni arto del suo corpo.
“La risposta è molto più complicata di quanto ci aspettassimo”, ha affermato Laurent Formery, autore principale e postdoc nei laboratori di Christopher Lowe presso la Stanford School of Humanities and Sciences e Daniel S. Rokhsar presso l’Università della California, Berkeley. “È semplicemente strano, e molto probabilmente l’evoluzione del gruppo è stata ancora più complicata di così.”
Le stelle marine (stelle marine) appartengono a un gruppo di animali chiamati echinodermi. Gli echinodermi e gli esseri umani sono strettamente imparentati, eppure il ciclo vitale e l’anatomia delle stelle marine sono molto diversi dai nostri.
Le stelle marine iniziano la vita come uova fecondate che si schiudono in una larva fluttuante. Le larve galleggiano nell’oceano sotto forma di plancton per settimane o mesi prima di stabilirsi sul fondo dell’oceano per eseguire una sorta di trucco magico: trasformarsi da una pianta corporea bilaterale (simmetrica lungo la linea mediana) in un adulto con una stella a cinque punte. forma chiamata pianta pentaradiale.
“Questo è stato un mistero zoologico per secoli”, ha detto Lowe, che è anche ricercatore presso la Hopkins Marine Station e autore senior dell’articolo pubblicato il 1 novembre in Natura. “Come puoi passare da un piano corporeo bilaterale a un piano pentaradiale e come puoi confrontare Qualunque parte delle stelle marine al nostro progetto corporeo?”
Mappatura delle stelle
Per enigmi come questo, i ricercatori spesso conducono studi comparativi per identificare strutture simili in gruppi di animali imparentati per raccogliere indizi sugli eventi evolutivi che hanno suscitato il tratto di interesse.
“Il problema con le stelle marine è che non c’è nulla su una stella marina che possa essere anatomicamente correlato a un vertebrato”, ha detto Lowe. “Non c’è proprio niente lì.”
Almeno, niente che esista all’esterno di una stella marina. Ed è qui che entrano in gioco le tecniche genetiche e molecolari.
Durante la sua ricerca universitaria, Formery ha studiato lo sviluppo iniziale dei ricci di mare – echinodermi, come le stelle marine, che iniziano la loro vita come larve bilaterali prima di trasformarsi in adulti con quintuplice simmetria. Quando Formery si unì al laboratorio di Lowe, la sua conoscenza dello sviluppo degli echinodermi si unì alla competenza di Lowe nelle tecniche di biologia molecolare per aiutare ad affrontare il mistero dello sconcertante piano corporeo delle stelle marine.
Il team ha utilizzato un gruppo di marcatori molecolari ben studiati (i geni Hox ne sono un esempio) che fungono da modelli per la struttura corporea di un organismo “dicendo” a ciascuna cellula a quale regione del corpo appartiene.
“Se si toglie la pelle di un animale e si osservano i geni coinvolti nella definizione della testa e della coda, gli stessi geni codificano per queste regioni del corpo in tutti i gruppi di animali”, ha detto Lowe. “Così abbiamo ignorato l’anatomia e ci siamo chiesti: esiste un asse molecolare nascosto sotto tutta questa strana anatomia e qual è il suo ruolo in una stella marina che forma una pianta corporea pentaradiale?”
Per indagare su questa domanda, i ricercatori hanno utilizzato la tomografia dell’RNA, una tecnica che individua dove i geni sono espressi nei tessuti, e sul posto ibridazione, una tecnica che si concentra su una specifica sequenza di RNA in una cellula.
“Per prima cosa abbiamo sezionato i bracci delle stelle marine in fette sottili dalla punta al centro, dall’alto verso il basso e da sinistra a destra”, ha detto Formery, sottolineando che le stelle marine rigenerano gli arti mancanti. “Abbiamo utilizzato la tomografia dell’RNA per determinare quali geni erano espressi in ciascuna fetta e poi abbiamo ‘riassemblato’ le fette utilizzando modelli computerizzati. Questo ci ha fornito una mappa 3D dell’espressione genetica.”
“Nel secondo metodo, sul posto reazione a catena di ibridazione, abbiamo colorato il tessuto delle stelle marine e ispezionato visivamente i campioni per vedere dove era espresso un gene,” ha detto Formery. Ciò ha permesso ai ricercatori di esaminare la struttura del corpo antero-posteriore (dalla testa alla coda) nello strato più esterno di cellule chiamato ectoderma.
“Ciò è stato reso possibile dal recente, grande miglioramento tecnico del sul posto ibridazione, nota come sul posto reazione a catena di ibridazione, ha detto Formery. “Questo nuovo metodo fornisce una migliore risoluzione di dove è espresso il gene.”
La ricerca ha rivelato che le stelle marine hanno un territorio simile a una testa al centro di ciascun “braccio” e una regione simile a una coda lungo il perimetro. Per una svolta inaspettata, nessuna parte dell’ectoderma delle stelle marine esprime un programma di modellamento genetico del “tronco”, suggerendo che le stelle marine siano per lo più simili a teste.
Estrazione di una biodiversità davvero diversificata
La ricerca è spesso incentrata su gruppi di animali che ci somigliano, hanno spiegato i ricercatori. Ma se ci concentriamo su ciò che ci è familiare, avremo meno probabilità di imparare qualcosa di nuovo.
“Ci sono 34 diversi phyla animali che vivono su questo pianeta e in oltre 600 milioni di anni hanno tutti trovato soluzioni diverse agli stessi problemi biologici fondamentali”, ha detto Lowe. “La maggior parte degli animali non hanno un sistema nervoso spettacolare e vanno a caccia di prede: sono animali modesti che vivono in tane nell’oceano. Le persone generalmente non sono attratte da questi animali, eppure probabilmente rappresentano la parte della vita che ha avuto inizio. “
Questo studio dimostra come un approccio comparativo che utilizza tecniche genetiche e molecolari possa essere utilizzato per estrarre la biodiversità e comprendere perché diversi animali appaiono in un certo modo e come si sono evoluti i loro piani corporei.
“Anche in recenti studi molecolari c’è un punto interrogativo vicino agli echinodermi sull’albero evolutivo perché non sappiamo molto di loro”, ha detto Formery. “È stato bello dimostrare che, almeno a livello molecolare, abbiamo un nuovo pezzo del puzzle che ora può essere messo sull’albero.”
Formery, Lowe e Rokhsar sono anche ricercatori del BioHub Chan Zuckerberg. Rokhsar è anche ricercatore presso l’Okinawa Institute of Science and Technology. Altri coautori di Stanford sono Ian Kohnle, Judith Malnick e Kevin Uhlinger della Hopkins Marine Station. Altri autori provengono dalla Pacific Biosciences di Menlo Park, California, e dal Columbia Equine Hospital di Gresham, Oregon.
Questa ricerca è stata finanziata dalla NASA, dalla National Science Foundation e dal Chan Zuckerberg BioHub.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
