Les clés génomiques de l'origine des vertébrés
Publié par Adrien le 24/11/2018 à 08:00
Source: CNRS-INSB
En rassemblant des données génomiques, épigénomiques et fonctionnelles, des chercheurs français et espagnols démontrent que la complexification et la spécialisation de la régulation des gènes ont été centrales pour l'émergence des vertébrés. Ces travaux fournissent également des informations sur les changements ayant entraîné l'évolution vers une plus grande complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple...) chez les vertébrés (Les vertébrés forment un sous-embranchement du règne animal. Ce taxon, qui dans sa version moderne exclut les myxines, est considéré comme monophylétique. Il appartient à l'embranchement des...).

Les vertébrés, groupe animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances organiques. On réserve...) auquel appartient l'espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique....) humaine, sont extrêmement divers et ont colonisé pratiquement tous les écosystèmes de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique, c'est-à-dire sous...). Depuis de nombreuses années, la question se pose de savoir quels changements dans le génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est porté par...) de nos ancêtres ont pu contribuer au succès évolutif (En biologie, l'expression « succès évolutif » est utilisée lorsqu'un taxon occupe des habitats nombreux et différents, avec un nombre...) des vertébrés. Les chercheurs viennent de décrire les processus qui ont rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et...) possible la diversité des fonctions et de la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) des gènes pendant la transition des invertébrés aux vertébrés.

Les vertébrés partagent un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de systèmes de régulation des gènes qui est unique, ce qui permet à l'information contenue dans notre génome de donner naissance à une multitude de fonctions et, par conséquent, nous avons des centaines de cellules, tissus et organes spécialisés. En faisant une analyse exhaustive de la régulation génomique (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement d'un organisme, d'un organe, d'un cancer, etc. à l'échelle du génome, et non plus limitée...) de différentes espèces, les chercheurs ont trouvé deux différences-clés. Premièrement, ils ont observé qu'en général les gènes des vertébrés ont une régulation beaucoup plus complexe que ceux des invertébrés. Deuxièmement, des gènes qui, à l'origine, ne remplissaient que des fonctions très générales se sont spécialisés chez les vertébrés, dans des fonctions beaucoup plus spécifiques, en particulier dans le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et constitue le...).


Figure: Un spécimen d'amphioxus, sur un fond de marques épigénomiques.
© Vincent Moncorgé

Les scientifiques ont étudié les génomes de plusieurs espèces de vertébrés, comme le poisson zèbre (Le Poisson zèbre ou Danio (Danio rerio) est une espèce de poisson qui se rencontre en Inde. Il est couramment utilisé en aquariophilie...) et le poisson (Dans la classification classique, les poissons sont des animaux vertébrés aquatiques à branchies, pourvus de nageoires et dont le corps est le plus souvent couvert d'écailles. On les trouve abondamment aussi bien...) médaka, ainsi que la grenouille (Le terme grenouille est un nom vernaculaire donné à certains amphibiens, principalement dans le genre Rana. À un de ses stades de développement, la larve de la grenouille est...), le poulet (Un poulet est une jeune volaille, mâle ou femelle, de la sous-espèce Gallus gallus domesticus, élevé pour sa chair.), la souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de laboratoire, mais aussi de nombreuses espèces...) et l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un garçon,...). Cependant, pour comprendre l'origine des mécanismes de régulation génomique caractéristiques des vertébrés, il fallait les comparer avec les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) d'une espèce étroitement apparentée (l'amphioxus) pour éclairer la transition entre invertébrés et vertébrés. Les chercheurs ont ainsi séquencé le génome de l'amphioxus et produit les données nécessaires pour étudier la régulation de ses gènes. L'amphioxus est un organisme qui est utilisé comme modèle de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) depuis le XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une...). Son génome a évolué très lentement et, n'ayant pas subi les duplications qui se sont produites dans l'histoire évolutive des vertébrés il sert de référence dans les comparaisons évolutives pour comprendre l'origine de notre lignée.

Ces travaux, qui viennent d'être publiés dans la revue Nature, permettent non seulement de comparer les génomes, mais aussi de recueillir des données épigénomiques et d'expression génique apportant des informations uniques sur les changements fonctionnels qui ont entraîné une complexification accrue chez les vertébrés. Les scientifiques démontrent que, alors que la régulation des gènes responsables de l'anatomie (L'anatomie (provenant du nom grec ἀνατομία anatomia, provenant du verbe...) de base est très conservée entre les espèces, les vertébrés ont incorporé davantage de régions régulatrices qui leur permettent d'acquérir de nouvelles fonctions. A l'instar des études menées chez l'homme, cette étude comparative entre plusieurs vertébrés et amphioxus, nous donne un aperçu des différentes couches régulatrices du génome et décrit en détail l'origine des caractéristiques spécifiques de la régulation génomique des vertébrés, ce qui a donné naissance à des organismes à la morphologie beaucoup plus complexe.

Ces résultats illustrent comment les duplications génomiques à l'origine des vertébrés ont contribué à la diversification des fonctions des gènes. et montrent que, dans la plupart des cas, il existe des copies de gènes dont la fonction se spécialise dans des tissus spécifiques. C'est particulièrement évident dans le cerveau, où de nouvelles fonctions essentielles au succès évolutif des vertébrés ont été incorporées.

Ces travaux, auxquels ont participé des laboratoires en France, en Espagne, au Royaume-Uni, en Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie....), en République tchèque, aux Pays-Bas, au Japon, en Chine, au Portugal, en Italie, à Taiwan, en Norvège et aux États-Unis, constituent une ressource importante qui servira à la fois à approfondir les éléments de génomique fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme...) conservés entre espèces et à étudier les changements qui ont donné naissance à la complexité des vertébrés.
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