NEWS
Ancient sea anemone sheds light on animal cell type evolution
Nematostella vectensis. Photo by Robert Aguilar, Smithsonian Environmental Research Center.
One of the biggest quests in biology is understanding how every cell in an animal’s body carries an identical genome yet still gives rise to a kaleidoscope of different cell types and tissues. A neuron doesn’t look nor behave like a muscle cell but has the same DNA.
Researchers think it comes down to how cells allow different parts of the genome to be read. Controlling these permissions are regulatory elements, regions of the genome which switch genes on or off. A detailed overview of how they do this is largely restricted to a handful of classic model organisms like mice and fruit flies.
For the first time, researchers have created a map which explains how the genome gives rise to different cell types in the starlet sea anemone, Nematostella vectensis.
Sea anemones, together with jellyfish and corals, belong to a group of animals called cnidarians. These are among the earliest animals in evolutionary history, first appearing on Earth around half a billion years ago.
The study systematically dissects the “regulatory logic” that defines cell identity in the sea anemone Nematostella. Rather than describing cell types through genes the atlas describes the regulatory elements that builds and maintains them instead. The study offers a glimpse of what sequence information in the genome encodes for the concerted activity of these regulatory networks.
The map, published today in Nature Ecology and Evolution, allows for the comparison of cell types in a different way. Grouping cells by which genes are active helps classify cells by function. But surprisingly, grouping them by regulatory elements instead tell us their developmental history, explaining from which embryonic germ layer they originated during development. That insight opens the door to exploring how similar cell types can arise from different germ layer origins, not only in development, but also during evolution.
For example, the study looked at two types of muscle cells which look similar, contract in similar ways and use almost the same genes, despite originating from different embryonic layers. The atlas revealed the genes in these cells are controlled by completely different regulatory elements.
“Expression tells us what cells do, but regulatory DNA tells us where they come from, how they develop, and which germ layer they originate from,” explains Dr. Marta Iglesias, postdoctoral researcher at the Centre for Genomic Regulation and co-first author of the study.
“Our work highlights the power of combining single-cell genomic readouts with deep learning sequence models to decode the regulatory information contained in these genomes” adds Dr. Anamaria Elek, postdoctoral researcher at the Centre for Genomic Regulation and co-first author of the study.
Cnidarians are among the earliest animals to have neurons and muscle cells, and they also feature a unique cell type called cnidocytes. These cells contain tiny, harpoon-like structures that are used to capture prey and defend against predators, as well as the stinging sensation we feel when we touch a jellyfish or sea anemone.
For evolution, gene regulation networks are a creative tool. It means new cell types and tissues can emerge from changing gene regulatory switches alone. This could make it easier for complex cell diversity to evolve, even early in animal history. The work lays the foundation for showing how the cell type which give jellyfish and anemones their characteristic sting emerged in the first place.
As the research community builds more atlases of regulatory networks in other animals in the tree of life, including species that lack cnidocytes, they can start asking what parts of that circuitry are ancient, what parts are new, and what changed as new cell types emerged.
“This study opens a whole new world of possibilities. Going forward, we will investigate animal cellular evolution by comparing genomic sequence information, and for the first time, we can do so systematically and at scale,“ says ICREA Research Professor Arnau Sebe-Pedrós at the Centre for Genomic Regulation in Barcelona.
The researchers built the map by studying 60,000 individual cells from the sea anemone’s body. They obtained them from two different life stages, around 52,000 from whole adult animals and 7,000 from gastrula-stage embryos, an early moment in development when the basic body plan is still being set up. From that, they constructed a detailed catalogue of 112,728 regulatory elements.
The scale of the discovery is surprising, given Nematostella vectensis has a genome about 269 million DNA letters long. It substantially exceeds previous estimates and approaches the same number of regulatory elements reported in the fruit fly Drosophila, which has a similar genome size of around 180 million DNA letters, but is part of a lineage that didn’t appear on Earth until hundreds of millions of years later.
The finding suggests the toolkit for genomic regulation in complex animals existed long before actual complex bodies did. The rules which let our neurons fire and muscles contract today were already in place many hundreds of millions of years ago in animals drifting in ancient seas.
EN CASTELLANO
Una anémona de mar arroja luz sobre la evolución de los tipos celulares animales
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 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.
EN CATALÀ
Una anemone de mar esclareix l'evolució dels tipus cel·lulars animals
La clau rau en com les cèl·lules permeten que es llegeixin diferents parts del genoma. De controlar aquests permisos, se n'encarreguen els elements reguladors, regions del genoma que activen o desactiven gens. No obstant això, una visió detallada de com operen continua estant, en gran mesura, restringida a un reduït nombre d'organismes model clàssics, com els ratolins i les mosques.
Per primera vegada, un equip ha creat un mapa que explica com el genoma dona lloc a diferents tipus cel·lulars en l’anemone de mar estrellada, Nematostella vectensis.
Les anemones de mar, juntament amb les meduses i els coralls, pertanyen a un grup d'animals anomenats cnidaris. Es tracta d'alguns dels animals més antics de la història evolutiva, que van aparèixer per primera vegada a la Terra fa al voltant de cinc-cents milions d'anys.
L'estudi dissecciona de forma sistemàtica la "lògica reguladora" que defineix la identitat cel·lular en l’anemone de mar Nematostella. En lloc de descriure els tipus cel·lulars a través dels gens, l'atles descriu els elements reguladors que els construeixen i mantenen. El treball ofereix una visió sobre quina informació de la seqüència del genoma codifica l'activitat concertada d'aquestes xarxes reguladores.
El mapa, publicat avui a Nature Ecology and Evolution, permet comparar els tipus cel·lulars d'una manera diferent. Agrupar les cèl·lules segons quins gens estan actius ajuda a classificar-les per funció. Tanmateix, agrupar-les segons els seus elements reguladors revela la seva història de desenvolupament, explicant de quina capa germinal embrionària procedeixen durant el desenvolupament.
Aquesta perspectiva obre la porta a explorar com tipus cel·lulars similars poden sorgir a partir de capes germinals diferents, no només durant el desenvolupament, sinó també al llarg de l'evolució.
Per exemple, l'estudi va analitzar dos tipus de cèl·lules musculars que presenten un aspecte similar, es contreuen de manera semblant i utilitzen gairebé els mateixos gens, malgrat originar-se en capes embrionàries diferents. L'atles va revelar que els gens d'aquestes cèl·lules estan controlats per elements reguladors completament diferents.
"L'expressió ens diu què fan les cèl·lules, però l'ADN regulador ens diu d'on venen, com es desenvolupen i de quina capa germinal procedeixen", explica la doctora Marta Iglesias, investigadora postdoctoral al Centre de Regulació Genòmica i co-primera autora de l'estudi.
"El nostre treball posa en relleu el poder de combinar lectures genòmiques a nivell de cèl·lula individual amb models de seqüències basats en l'aprenentatge profund per desxifrar la informació reguladora continguda en aquests genomes", afegeix la doctora Anamaria Elek, investigadora postdoctoral al Centre de Regulació Genòmica i co-primera autora de l'estudi.
Els cnidaris es troben entre els primers animals a posseir neurones i cèl·lules musculars, i a més presenten el cnidoblast, un tipus cel·lular únic. Aquestes cèl·lules contenen diminutes estructures similars a arpons que s'utilitzen per capturar preses i defensar-se dels depredadors, així com per produir la sensació urticant que es percep en tocar una medusa o una anemone de mar.
Des del punt de vista evolutiu, les xarxes de regulació genòmica constitueixen una eina creativa. Permeten que nous tipus cel·lulars i teixits emergeixin únicament mitjançant canvis en els interruptors reguladors dels gens. Això podria haver facilitat l'evolució d'una diversitat cel·lular complexa, fins i tot en les primeres etapes de la història animal. El treball assenta les bases per mostrar com va sorgir, en primer lloc, el tipus cel·lular que confereix a meduses i anemones la seva característica capacitat urticant.
A mesura que la comunitat científica construeixi més atles de xarxes reguladores en altres animals de l'arbre de la vida, inclosos aquells que no tenen cnidoblasts, es podrà començar a preguntar quines parts d'aquest circuit són antigues, quines són noves i què va canviar a mesura que sorgien nous tipus cel·lulars.
"Aquest estudi obre tot un nou món de possibilitats. D'ara en endavant, investigarem l'evolució cel·lular animal comparant informació de seqüències genòmiques i, per primera vegada, podrem fer-ho de forma sistemàtica i a gran escala", afirma el professor d’investigació ICREA Arnau Sebe-Pedrós, autor principal de l'estudi.
El mapa es va construir mitjançant l'estudi de 60.000 cèl·lules individuals del cos de l’anemone de mar. Aquestes es van obtenir a partir de dues etapes diferents del cicle vital: al voltant de 52.000 procedien d'animals adults complets i 7.000 d'embrions en fase de gàstrula, un moment primerenc del desenvolupament en el qual encara s'està establint l'estructura corporal bàsica. A partir d'això, es va elaborar un catàleg detallat de 112.728 elements reguladors.
La magnitud de la troballa resulta sorprenent si es té en compte que Nematostella vectensis posseeix un genoma d'aproximadament 269 milions de lletres d'ADN. Aquesta xifra supera de forma substancial estimacions prèvies i s'aproxima al nombre d'elements reguladors descrits en la mosca de la fruita Drosophila, que compta amb una dimensió genòmica similar, del voltant de 180 milions de lletres d'ADN, però pertany a un llinatge que no va aparèixer a la Terra fins a cents de milions d'anys després.
La troballa suggereix que el repertori d'eines per a la regulació genòmica en animals complexos existia molt abans que apareguessin cossos complexos com a tals. Les regles que avui permeten que les nostres neurones disparin senyals i que els nostres músculs es contreguin ja estaven en funcionament fa cents de milions d'anys, en animals que flotaven en mars antics.