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Tiny cave-dwelling worm sheds light on evolutionary trait loss
Groundbreaking study on stem cell specification unveils new mechanism of evolutionary trait loss in cave-dwelling planarians
Planarians are small, free-living worms known for their regenerative properties, in which small fragments can grow into complete individuals. Now, an analysis of stem cell distribution explains the presence of rudimentary and functional eyes in animals from Mato Grosso do Sul – Photo: Cecília Bastos/USP Imagens
Inside a cave in the Bodoquena Plateau, in Mato Grosso do Sul, researchers have found a population of planarians that could provide new insights into evolutionary and developmental studies. An article published in Nature Communications presents a new model of evolutionary trait loss in these animals based on changes in the rate of adult stem cell specification. The differentiated fate of cells can result in the loss or reduction of organ size, a phenomenon observed in the eyes of the studied planarians. 
Federico Brown - Photo: Cecília Bastos/USP Imagens
The research began with the donation of a small population of cave-dwelling planarians, Girardia multidiverticulata, to the Evolutionary Developmental Biology Laboratory at the Institute of Biosciences (IB) of the University of São Paulo. “It seemed like a super interesting model to understand some troglomorphisms,” comments Federico Brown, a PhD professor in the Zoology Department and laboratory coordinator.
Troglomorphisms are adaptive traits typical of animals living in cave environments, and it was these traits that led Luiza Saad, a PhD graduate from the Institute of Biosciences and the first author of the article, headed to the Bodoquena Plateau to collect more individuals of the species for study. “There’s the cave entrance, which is a hole in the ground, very hard to even see, and then there’s a 25-meter free fall. After that drop, there’s the body of water where the planarians were found,” describes the researcher.
The cave where the planarians were found is located in the Bodoquena Plateau, a region that includes the city of Bonito – Image: taken from the article
Buraco do Bicho offers favorable conditions for the development of troglobitic animals – Image: Livia Cordeiro, Irina Ermakova
The initial goal of Luiza Saad’s doctoral research was to understand the troglomorphism of eye loss in Girardia multidiverticulata, a species originally described as lacking eyes. However, when some planarians began to be born with distinct pigmentation, small, rudimentary, and functional eyes were discovered.
Saad says that, at first, she thought it was two morphotypes. Only when she continued her experiments at the Whitehead Institute was the presence of eye cells confirmed, both in planarians with eyes and in those without discernible eyes. “I managed to mark the genes using the in situ [fluorescent in situ hybridization] technique, where you mark a specific gene, which fluoresces when viewed under a microscope. And these markers showed that these cells were present.”
Luiza Saad - Photo: Gretchen Ertl/Whitehead Institute
Comparison of eye presence in different species of surface and cave-dwelling planarians using photos (first two rows) and thefluorescent in situ hybridization technique (last row) – Image: taken from the article
Cell distribution
The first hypothesis to explain the presence of eyes in cave-dwelling planarians was a defect in the expression of genes responsible for eye development. However, a differential gene expression analysis – which sequenced the genes known to form eyes – showed no significant changes compared to surface-dwelling planarians. All the genes were there.
“We then thought it must have been something before. Something must be affecting these [embryonic] cells before they become eye cells,” comments the biologist. Planarians are known for their regenerative abilities. This is due to the vast quantities of stem cells in their bodies that differentiate to rebuild various body parts. Saad and Brown explain that it was through counting these cells that some of the research questions began to be answered.
"Planarians generally have stem cells in their bodies throughout their entire adult lives. It's different from humans. The genes active in these cells mostly just keep the cell alive, and when it becomes specified, it starts expressing a specific gene that is different from when it was a stem cell. It becomes a specialized cell."
The stem cells were analyzed using markers generated by fluorescent in situ hybridization (FISH) when they were both in the pre-differentiation stage and during the differentiation process. Saad exemplifies with the arrestin gene, expressed in the photoreceptor cells of the eye: “On the path from stem cell to becoming a photoreceptor cell, certain genes are expressed in the meantime.”
The method worked with genes from the eye, pharynx, and epidermis cells, studying cell distribution through controlled experiments and using planarians of similar sizes. The EdU technique was also used, marking where newly divided cells are incorporated in the organism.
Marking of the arrestin gene in eye cells of surface and cave-dwelling species, differentiating them from unspecialized stem cells – Image: taken from the article
Luiza Saad - Photo: Gretchen Ertl/Whitehead Institute
Cave fauna
The study found that the reduced number of eye cells in cave-dwelling planarians is associated with a reduced rate of stem cell specification. This means that while the number of specialized cells in other tissues is comparable between cave and surface species, the number destined for eye formation in subterranean planarians is significantly lower, resulting in the reduction of the organ.
Saad states that the study – pioneering in the Platyhelminthes phylum – is relevant for understanding how evolution is acting in these subterranean environments. “The results show an evolutionary mechanism to which [troglobitic] animals are subject. Some cavefish also have reduced or lost their eyes. We see that even in animals so distant in evolution, there are still similar traits due to the environment they live in.”
Many animals that inhabit caves have adaptive evolutions found only in these environments. According to Brown, the high level of endemic species makes these systems important to conserve. Girardia multidiverticulata is classified as an endangered species, and the subterranean ecosystems it inhabits are impacted by illegal mining, deforestation, and agriculture.
The researchers hope that the discovery will help draw attention to the fragility of cave environments and inspire the investigation of genetic mutations that are still poorly studied and understood.
The article Reduced adult stem cell fate specification led to eye reduction in cave planarians can be read here.
For more information: lsaad@wi.mit.edu (Luiza Saad) and fdbrown@usp.br (Federico Brown)
*Intern supervised by Luiza Caires
English version: Nexus Traduções
Política de uso
A reprodução de matérias e fotografias é livre mediante a citação do Jornal da USP e do autor. No caso dos arquivos de áudio, deverão constar dos créditos a Rádio USP e, em sendo explicitados, os autores. Para uso de arquivos de vídeo, esses créditos deverão mencionar a TV USP e, caso estejam explicitados, os autores. Fotos devem ser creditadas como USP Imagens e o nome do fotógrafo.
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CÓPIA
tags: planárias de caverna, células-tronco, fauna cavernícola, adaptação evolutiva
[IMAGEM DE DESTAQUE] Legenda: As planárias são conhecidas por suas propriedades de regeneração, com pedaços dos animais sendo capazes de gerar um indivíduo completo – Foto: Cecília Bastos/USP Imagens / Fonte: Cecília Bastos/USP Imagens / Texto alternativo: fotografia aproximada de três planárias de coloração amarelada da espécie Girardia multidiverticulata no Laboratório de Biologia Evolutiva do Desenvolvimento do Instituto de Biociências (IB) da USP.
Dentro de uma caverna no Planalto da Bodoquena, no Mato Grosso do Sul, pesquisadores encontraram uma população de planárias que pode trazer novos entendimentos sobre os estudos de evolução e desenvolvimento. Artigo publicado na Nature Communications apresenta um novo modelo de perda de características evolutivas desses animais baseado em mudanças na taxa de especificação de células-tronco adultas. O destino diferenciado das células pode resultar na perda ou redução do tamanho de órgãos, fenômenos observados nos olhos das planárias estudadas.
[IMAGEM PESQUISADOR] Legenda: Federico Brown – Foto: Cecília Bastos/USP Imagens / Fonte: Cecília Bastos/USP Imagens / Texto alternativo: homem branco adulto de olhos claros e cabelo escuro e enrolado. Usa óculos e uma camisa verde clara.
A investigação teve início com a doação de uma pequena população da planárias de caverna Girardia multidiverticulata para o Laboratório de Biologia Evolutiva do Desenvolvimento do Instituto de Biociências (IB) da USP. “Pareceu um modelo super interessante para entender alguns troglomorfismos”, comenta Federico Brown, professor doutor do Departamento de Zoologia e coordenador do laboratório.
Troglomorfismos são características adaptativas típicas de animais que vivem em ambientes de cavernas, e foi a partir delas que Luiza Saad, doutora pelo IB e primeira autora do artigo, dirigiu-se para o Planalto da Bodoquena a fim de coletar mais indivíduos da espécie para estudo. “Tem a entrada da caverna, que é um buraco no chão, muito difícil até de ver, e aí há uma queda livre de 25 metros. Depois dessa queda, está o corpo d’água em que as planárias foram encontradas”, descreve a pesquisadora.
[IMAGEM] Mapa e localização da caverna / Legenda: A caverna onde as planárias foram encontradas se localiza no Planalto da Bodoquena, região que abarca a cidade de Bonito – Imagem: retirada do artigo / Fonte: retirada do artigo / Texto alternativo: Mapa da América do Sul e do Brasil em um contorno verde claro, com as coordenadas da localização da caverna no Mato Grosso do Sul. Associado ao ponto no mapa, está uma imagem da entrada da caverna no solo e coberta de vegetação.
[IMAGEM] Mapeamento interno da caverna Buraco do Bicho / Legenda: O Buraco do Bicho apresenta condições propícias para o desenvolvimento de animais troglóbios – Imagem: Livia Cordeiro, Irina Ermakova / Fonte: Livia Cordeiro, Irina Ermakova / Texto alternativo: mapa desenhado da formação interna da caverna Buraco do Bicho, onde as planárias foram encontradas. Estão representadas informações como o formato e a variação de altura da estrutura interna da caverna.
O objetivo inicial da pesquisa de doutorado de Saad era compreender o troglomorfismo de desaparecimento dos olhos na Girardia multidiverticulata, espécie originalmente descrita sem o órgão. Porém, quando algumas planárias começaram a nascer com um distinto pigmento, foi descoberta a presença de pequenos olhos rudimentares e funcionais.
[IMAGEM PESQUISADOR] Legenda: Luiza Saad – Foto: Gretchen Ertl/Whitehead Institute / Fonte: Gretchen Ertl/Whitehead Institute / Texto alternativo: mulher branca adulta de olhos escuros e cabelos castanhos de tamanho médio. Está sorrindo e vestindo uma jaqueta verde acima de uma camiseta branca.
Saad diz que, em um primeiro momento, pensou que se tratava de dois morfotipos. Apenas quando a cientista prosseguiu com seus experimentos no Whitehead Institute, que se confirmou a presença de células oculares, tanto em planárias com olhos quanto naquelas sem olhos discerníveis. “Consegui marcar os genes com a técnica de in situ [fluorescent in situ hybridization], em que você marca um gene específico e ele floresce ao vê-lo no microscópio. E esses marcadores mostraram que essas células estavam presentes”.
[IMAGEM] Comparação de planárias / Legenda: Comparação da presença de olhos em diferentes espécies de planárias de superfície e de caverna utilizando fotos (duas primeiras linhas) e a técnica de fluorescent in situ hybridization (última linha) – Imagem: retirada do artigo / Fonte: retirada do artigo / Texto alternativo: Comparação da estrutura dos olhos em cinco diferentes planárias com olhos discerníveis e não discerníveis, assim como comparação de marcações de genes presentes em células oculares de cada um dos animais. Tanto as planárias com olhos discerníveis quanto as sem olhos discerníveis possuem consideráveis quantidades de células oculares em seus organismos.
Distribuição de células
A primeira hipótese levantada para explicar a presença de olhos nas planárias de caverna era a presença de algum defeito na expressão dos genes responsáveis pelo desenvolvimento desses órgãos. Porém, uma análise de expressão gênica diferencial – em que se realizou o sequenciamento dos genes conhecidos por formarem os olhos –, mostrou que não havia grandes alterações em comparação às planárias de superfície. Todos os genes estavam ali.
“Pensamos, então, que deve ter sido alguma coisa antes. Algo deve estar afetando essas células [embrionárias] antes de virarem células de olho”, comenta a bióloga. As planárias são conhecidas pela capacidade de regeneração. Ela se deve às vastas quantidades de células-tronco em seus organismos, que se diferenciam para reconstruir diversas partes do corpo. Saad e Brown explicam que foi a partir da contagem dessas células que algumas perguntas da pesquisa começaram a ser respondidas.
[CITAÇÃO] “As planárias, de forma geral, têm células-tronco em seus corpos durante a vida adulta inteira. É diferente do ser humano. Os genes que estão ativos nessas células meio que só mantém a célula viva, e quando ela se especifica, passa a expressar determinado gene que é diferente de quando era uma célula-tronco. Ela vira uma célula especializada.” – Luiza Saad
A análise das células-tronco foi feita utilizando marcadores gerados por fluorescent in situ hybridization (FISH) quando elas se encontravam tanto no estágio anterior à diferenciação quanto durante o processo. Saad dá o exemplo do gene arrestin, expresso nas células fotorreceptoras do olho: “no trajeto da célula-tronco até virar uma célula fotorreceptora, você tem determinados genes expressos nesse meio tempo”.
O método trabalhou com genes de células do olho, da faringe e da epiderme, estudando a distribuição celular a partir de experimentos controlados e com planárias de tamanhos similares. Também foi usada a técnica EdU, que marca onde, no organismo, as células recém-divididas estão sendo incorporadas.
[IMAGEM] Distribuição de células em duas planárias / Legenda: Marcação do gene arrestin em células oculares de espécies de superfície e de caverna, as diferenciando das células-tronco não especializadas – Imagem: retirada do artigo / Fonte: retirada do artigo / Texto alternativo: Imagem que mostra a marcação do gene arrestin em células oculares de uma planária de superfície e uma de caverna. Ambas apresentam o gene.
Fauna cavernícola
O estudo verificou que o número reduzido de células oculares em planárias de caverna está associado a uma taxa reduzida de especificação das células-tronco. Isso significa que, enquanto a quantidade de células especializadas em outros tecidos é comparável entre espécies de caverna e de superfície, a quantidade destinada à formação dos olhos nas planárias subterrâneas é significativamente menor, resultando na diminuição do órgão.
Saad declara que o estudo – pioneiro no filo dos platelmintos – é relevante para entender como a evolução está agindo nesses ambientes subterrâneos. “Os resultados mostram um mecanismo evolutivo ao qual animais [troglóbios] estão sujeitos. Alguns peixes de caverna também têm os olhos reduzidos ou perderam esses olhos. Vemos que mesmo em animais tão distantes na evolução, ainda há características similares devido ao ambiente em que eles vivem”.
Muitos animais que habitam cavernas possuem evoluções adaptativas apenas encontradas nesses ambientes. De acordo com Brown, o alto grau de espécies endêmicas faz com que esses sistemas sejam importantes de serem conservados. A Girardia multidiverticulata se configura como uma espécie ameaçada de extinção e os ecossistemas subterrâneos em que vive sofrem impactos da mineração ilegal, do destamatamento e da agricultura.
Para os pesquisadores, espera-se que a descoberta possa contribuir para chamar atenção à fragilidade dos ambientes de cavernas, como também inspirar a investigação de mutações genéticas ainda pouco estudadas e compreendidas.
O artigo Reduced adult stem cell fate specification led to eye reduction in cave planarians pode ser lido aqui.
Mais informações: lsaad@wi.mit.edu, com Luiza Saad, e fdbrown@usp.br, com Federico Brown.
*Estagiária com orientação de Luiza Caires
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