Por primera vez, un equipo ha creado un mapa que explica cómo el genoma da lugar a distintos tipos celulares en la anémona de mar estrellada, Nematostella vectensis.
Una de las grandes preguntas de la biología es comprender cómo cada célula del cuerpo de un animal alberga un genoma idéntico y, aun así, da lugar a un caleidoscopio de tipos celulares y tejidos diferentes. Una neurona no se parece ni se comporta como una célula muscular, pero contiene el mismo ADN.
La clave reside en cómo las células permiten que se lean distintas partes del genoma. De controlar estos permisos se encargan los elementos reguladores, regiones del genoma que activan o desactivan genes. Sin embargo, una visión detallada de cómo operan sigue estando, en gran medida, restringida a un reducido número de organismos modelo clásicos, como los ratones y las moscas.
Por primera vez, un equipo ha creado un mapa que explica cómo el genoma da lugar a distintos tipos celulares en la anémona de mar estrellada, Nematostella vectensis.
Las anémonas de mar, junto con las medusas y los corales, pertenecen a un grupo de animales denominados cnidarios. Se trata de algunos de los animales más antiguos de la historia evolutiva, que aparecieron por primera vez en la Tierra hace alrededor de quinientos millones de años.
El estudio disecciona de forma sistemática la "lógica reguladora" que define la identidad celular en la anémona de mar Nematostella. En lugar de describir los tipos celulares a través de los genes, el atlas describe los elementos reguladores que los construyen y mantienen. El trabajo ofrece una visión sobre qué información de la secuencia del genoma codifica la actividad concertada de estas redes reguladoras.
El mapa, publicado hoy en Nature Ecology and Evolution, permite comparar los tipos celulares de una manera distinta. Agrupar las células según qué genes están activos ayuda a clasificarlas por función. Sin embargo, agruparlas según sus elementos reguladores revela su historia de desarrollo, explicando de qué capa germinal embrionaria proceden durante el desarrollo.
Esta perspectiva abre la puerta a explorar cómo tipos celulares similares pueden surgir a partir de capas germinales diferentes, no solo durante el desarrollo, sino también a lo largo de la evolución.
Por ejemplo, el estudio analizó dos tipos de células musculares que presentan un aspecto similar, se contraen de manera parecida y utilizan casi los mismos genes, pese a originarse en capas embrionarias distintas. El atlas reveló que los genes de estas células están controlados por elementos reguladores completamente diferentes.
"La expresión nos dice qué hacen las células, pero el ADN regulador nos dice de dónde vienen, cómo se desarrollan y de qué capa germinal proceden", explica la doctora Marta Iglesias, investigadora posdoctoral en el Centro de Regulación Genómica (CRG) y co-primera autora del estudio.
"Nuestro trabajo pone de relieve el poder de combinar lecturas genómicas a nivel de célula individual con modelos de secuencias basados en el aprendizaje profundo para descifrar la información reguladora contenida en estos genomas", añade la doctora Anamaria Elek, investigadora posdoctoral en el Centro de Regulación Genómica y co-primera autora del estudio.
Los cnidarios se encuentran entre los primeros animales en poseer neuronas y células musculares, y además presentan el cnidocito, un tipo celular único. Estas células contienen diminutas estructuras similares a arpones que se utilizan para capturar presas y defenderse de los depredadores, así como para producir la sensación urticante que se percibe al tocar una medusa o una anémona de mar.
Desde el punto de vista evolutivo, las redes de regulación genómica constituyen una herramienta creativa. Permiten que nuevos tipos celulares y tejidos emerjan únicamente mediante cambios en los interruptores reguladores de los genes. Esto podría haber facilitado la evolución de una diversidad celular compleja, incluso en las primeras etapas de la historia animal. El trabajo sienta las bases para mostrar cómo surgió, en primer lugar, el tipo celular que confiere a medusas y anémonas su característica capacidad urticante.
A medida que la comunidad científica construya más atlas de redes reguladoras en otros animales del árbol de la vida, incluidos aquellos que carecen de cnidocitos, se podrá empezar a preguntar qué partes de ese circuito son antiguas, cuáles son nuevas y qué cambió a medida que surgían nuevos tipos celulares.
"Este estudio abre todo un nuevo mundo de posibilidades. De ahora en adelante, investigaremos la evolución celular animal comparando información de secuencias genómicas y, por primera vez, podremos hacerlo de forma sistemática y a gran escala", afirma el profesor de investigación ICREA Arnau Sebe-Pedrós, autor principal del estudio.
El mapa se construyó mediante el estudio de 60.000 células individuales del cuerpo de la anémona de mar. Estas se obtuvieron a partir de dos etapas distintas del ciclo vital: alrededor de 52.000 procedían de animales adultos completos y 7.000 de embriones en fase de gástrula, un momento temprano del desarrollo en el que aún se está estableciendo la estructura corporal básica. A partir de esto, se elaboró un catálogo detallado de 112.728 elementos reguladores.
La magnitud del hallazgo resulta sorprendente si se tiene en cuenta que Nematostella vectensis posee un genoma de aproximadamente 269 millones de letras de ADN. Esta cifra supera de forma sustancial estimaciones previas y se aproxima al número de elementos reguladores descritos en la mosca de la fruta Drosophila, que cuenta con un tamaño genómico similar, de alrededor de 180 millones de letras de ADN, pero pertenece a un linaje que no apareció en la Tierra hasta cientos de millones de años después.
El hallazgo sugiere que el repertorio de herramientas para la regulación genómica en animales complejos existía mucho antes de que aparecieran cuerpos complejos como tales. Las reglas que hoy permiten que nuestras neuronas disparen señales y que nuestros músculos se contraigan ya estaban en funcionamiento hace cientos de millones de años, en animales que flotaban en mares antiguos.
Imagen de portada: David Knott
