Cómo las hidras regeneran cabezas decapitadas

ARRIBA: Hydra vulgaris vista al microscopio ISTOCK.COM, IVAN MATTIOLI

Desde colas de salamandra hasta cuernos de venado, la habilidad innata de algunos animales para regenerar partes del cuerpo perdidas ha cautivado a los científicos durante siglos e impulsado la investigación sobre los mecanismos moleculares de dicha curación con la esperanza de que los humanos algún día puedan hacer lo mismo.

Incluso entre los organismos en regeneración, la hidra no es la bestias míticas, pero los animales acuáticos del género Hydrase destacan por su capacidad de regenerar cualquier parte de su cuerpo después de que se lo cortan, incluida la cabeza. Ahora, un estudio publicado la semana pasada (8 de diciembre) en Genome Biology and Evolution arroja nueva luz sobre los mecanismos genéticos y epigenéticos que permiten a estos animales lograr esta hazaña regenerativa.

Hydra vulgaris son organismos de agua dulce con forma de tubo de 1 a 3 centímetros de largo que se adhieren a objetos como palos y rocas y, al igual que sus parientes, la anémona de mar y las medusas, cazan usando tentáculos punzantes. Se les considera inmortales. A menos que aparezca algo y los mate, repondrán continuamente los tejidos y partes del cuerpo perdidos. También pueden clonarse a sí mismos a través de un proceso de reproducción asexual llamado gemación en el que una nueva hidra crece a partir de la original y se desprende, de la misma manera que los pétalos saldrían de una flor, dice el biólogo celular Ali Mortazavi de la Universidad de California, Irvine. em>El científico.

Mortazavi dirigió un equipo de investigadores que se dispuso a responder una pregunta de larga data en el campo: si los procesos genéticos y epigenéticos que guían el crecimiento reproductivo y el rebrote regenerativo son similares . Es una pregunta muy interesante porque es uno de los misterios de los cnidarios en general: tienen todos estos fantásticos modos de reproducción, y la gran pregunta es, ¿están recapitulando algún proceso? ¿Es la regeneración como brotar? Pero en realidad no sabemos mucho, dice Chiara Sinigaglia, bióloga del desarrollo y evolutiva del Institut de Gnomique Fonctionelle de Lyon que no trabajó en el estudio.

Este misterio es una pregunta que la gente ha estado tratando de resolver. abordar desde diferentes ángulos durante años, agrega Sinigaglia. Es muy complicado porque ves los mismos genes usados una y otra vez en ambos procesos.

Hydra vulgaris ISTOCK.COM, MICRO_PHOTO

Normalmente, los investigadores que estudian Hydra vulgaris regeneration se han centrado en la actividad de un gen o proceso biológico específico a la vez. Por ejemplo, una investigación publicada en eLife en marzo destacó el papel de la vía de señalización Wnt en la reconstrucción de la boca de una Hydra vulgaris después de la decapitación. Por el contrario, Mortazavi y sus colegas adoptaron un enfoque más integral, mapeando qué genes se activaron y aumentaron en diferentes momentos y en varios tejidos a lo largo de los procesos de gemación y regeneración.

Los científicos realizaron múltiples experimentos en en el que decapitaron la Hydra vulgaris para determinar qué genes se expresaban como parte del proceso de regeneración de la cabeza. También emplearon la secuenciación de ChIP, una técnica que revela cambios epigenéticos en forma de modificaciones de histonas, para determinar qué regiones promotoras y potenciadoras estaban regulando activamente la expresión de diferentes genes en varios momentos para la hidra en regeneración y en ciernes. El equipo siguió con la secuenciación ATAC, una técnica que identifica las regiones de cromatina abierta de un genoma, para averiguar qué genes eran accesibles para esos factores de transcripción candidatos.

Tanto para la reproducción como para la regeneración de la cabeza, Hydra vulgaris depende de su organizador principal, un grupo de 50 a 100 células en la punta apical de la cabeza que indica a las células cercanas que se diferencien en una parte de la cabeza o en los tentáculos. Cuando se corta la cabeza, descubrieron los investigadores, una cascada de actividad genética y epigenética desencadena rápidamente el crecimiento de un nuevo organizador de la cabeza a partir de las células restantes, lo que permite que Hydra regenere el resto de su cabeza como bien. El estudio identificó cientos de genes que se expresan de manera diferente en este proceso que en la reproducción, así como miles de regiones de cromatina abierta, promotores de genes candidatos y regiones similares a potenciadores que parecen remodelarse en respuesta a una lesión para impulsar el proceso de regeneración, creando un panorama genético diferente al que existe durante la brotación.

Esos cambios epigenéticos y el modelado dinámico de potenciadores y promotores parecen desencadenar genes en diferentes puntos en el tiempo dependiendo de qué forma de generación de cabezas Hydra está experimentando, según el estudio. Sinigaglia dice que una conclusión es que los dos procesos convergen en el mismo resultado, una pequeña hidra completa con tentáculos, pero la trayectoria, el transcurso del tiempo, no están realmente alineados.

El estudio produjo un conjunto de datos de una escala sin precedentes sobre el gen expresión de la regeneración y el desarrollo de Hydra. La bióloga evolutiva de la Universidad de Harvard, Mansi Srivastava, que estudia la regeneración en gusanos y no contribuyó al nuevo estudio, le dice a The Scientist que la verdadera importancia del artículo está en esos conjuntos de datos.

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Este documento, no nos da la respuesta exacta, pero está generando la materia prima, dice Srivastava. Este es un poderoso conjunto de datos que es parte de este esfuerzo a largo plazo para desentrañar la regeneración.

Es realmente un recurso increíble para el campo de la hidra, concuerda Blair Benham-Pyle, bióloga celular que estudia la regeneración de platelmintos en el Stowers Institute for Medical Research que no trabajó en el estudio. Creo que es excelente para la generación de hipótesis.

Reconstrucción de emergencia

Como indicó el artículo de eLife de marzo, una Hydra decapitada volver a montar su boca como mecanismo de supervivencia. Mortazavi especula que la misma urgencia es lo que impulsa la expresión de algunos genes sobre otros durante la regeneración. Por el contrario, un clon de Hydra en ciernes que experimenta un desarrollo normal no necesita priorizar la curación de heridas o la supervivencia, dice, y puede progresar a su propio ritmo.

Aunque los procesos son diferentes , todavía usan los mismos factores de desarrollo o genes, solo que de diferentes maneras, le dice a The Scientist el autor principal del estudio y biólogo evolutivo de la Universidad de California, Irvine, Aide Macias-Muoz. Creo que es porque es más fácil cooptar cosas que ya están haciendo algo. Ya se están usando en el desarrollo para desarrollar una cabeza, entonces, ¿por qué no usar cosas similares para desarrollar una cabeza nuevamente? Pero este es un proceso diferente porque necesita hacerlo muy rápido y detenerlo en algún punto.

Primero quiere mirarlo una cabeza a la vez, y luego quiere mirar con miles de células por cabeza.

Ali Mortazavi, Universidad de California, Irvine

Sin embargo, el estudio solo puede llegar tan lejos como para identificar genes candidatos y factores de transcripción y generar hipótesis sobre cuáles regeneración de impulsos, brotación, o ambas, señala Srivastava . Para probar y confirmar las funciones de los genes, así como las de las regiones promotoras y potenciadoras candidatas, los investigadores deberán realizar estudios de inactivación funcional o inactivación, explica Macias-Muoz.

Parte de ese trabajo es ya en marcha Macias-Muoz dice que casi completó la investigación de seguimiento que complementa este análisis masivo con estudios de células individuales con la esperanza de aprender cómo las células asumen diferentes roles en respuesta a la decapitación versus el desarrollo normal. El análisis de una sola célula, explica, le permitirá rastrear mejor estas conexiones que hemos identificado.

Primero quiere mirarlo una cabeza a la vez, y luego quiere mirarlo con miles de células por cabeza, dice Mortazavi.

Benham-Pyle está particularmente interesada en ver estudios de células individuales que identifiquen cómo las células individuales de diferentes tipos se comunican entre sí para contribuir a las cascadas de señalización que desencadenan la incipiente frente a la regeneración, en particular, qué tipos de células señalan los organizadores de la cabeza existentes y los reclutan para el desarrollo de la cabeza.

Desentrañando la evolución

Los mapas de calor y los conjuntos de datos generados por el nuevo estudio brindan una parte importante de la historia de cómo surgió la regeneración por primera vez en la historia evolutiva, dice Srivastava.

Hydra ha sido parte de esa historia durante mucho tiempo: los investigadores comenzaron a estudiar sus capacidades regenerativas en 1744, cuando Abraham Tremblay descubrió por primera vez la extraña propiedad. Pero otros organismos han atraído más atención y estudio detallado, y muchas preguntas sobre la regeneración de Hydra siguen sin respuesta.

Los expertos aún no saben si la regeneración es una característica ancestral compartida que surgió en algunos antiguos organismo, o si criaturas como Hydra, los gusanos estudiados por Srivastava y Benham-Pyle, mamíferos, salamandras y otros que pueden regenerar algunas o todas las partes de su cuerpo perdido desarrollaron la capacidad de forma independiente.

El artículo señala que algunas de las herramientas necesarias para la regeneración debieron surgir antes de que el filo al que pertenece Hydra, Cnidaria, se separara del resto del reino animal. Una posibilidad probable, añade Sinigaglia, es que tanto los organismos regeneradores como los no regeneradores heredaron un conjunto de herramientas muy similar Wnt3 que se expresa durante el desarrollo embrionario incluso en especies no regenerantes, por ejemplo, que los organismos regeneradores luego se adaptaron de forma independiente a sus propias marcas de rebrote. .

Es agradable ver similitudes entre todos estos organismos diferentes, dice Benham-Pyle, porque hace que sea más probable que podamos aprovechar esa biología para ayudar a los humanos.