Image de microscopie confocale de noyaux colorés en profondeur de Trichoplax sp. H2, l’une des quatre espèces de placozoaires pour lesquelles les auteurs de l’étude ont créé un atlas cellulaire. Crédit : Sebastian R. Najle/Centro de Regulación Genómica
Il y a environ 800 millions d’années, les composants de nos cellules cérébrales ont commencé à prendre forme dans les mers peu profondes.
Les recherches publiées dans la revue Cell offrent de nouvelles perspectives sur l’évolution des neurones, en se concentrant sur les placozoaires, un animal marin de taille millimétrique. Des scientifiques du Centre de régulation génomique de Barcelone ont découvert que les cellules sécrétoires spécialisées de ces animaux anciens et uniques pourraient avoir donné naissance à des neurones chez des animaux plus complexes.
Les placozoaires sont de minuscules animaux, de la taille d’un gros grain de sable, qui broutent les algues et les microbes vivant à la surface des roches et autres substrats trouvés dans les mers chaudes et peu profondes. Les créatures en forme de goutte et de crêpe sont si simples qu’elles vivent sans aucune partie du corps ni organe.
Ces animaux, dont on pense qu’ils sont apparus pour la première fois sur Terre il y a environ 800 millions d’années, constituent l’une des cinq principales lignées d’animaux aux côtés des Ctenophora (gelées en peigne), des Porifera (éponges), des Cnidaria (coraux, anémones de mer et méduses) et des Bilateria ( tous les autres animaux).
Les créatures marines coordonnent leur comportement grâce à des cellules peptidergiques, des types spéciaux de cellules qui libèrent de petits peptides capables de diriger les mouvements ou l’alimentation de l’animal. Poussés par l’intrigue de l’origine de ces cellules, les auteurs de l’étude ont utilisé un éventail de techniques moléculaires et de modèles informatiques pour comprendre comment les types de cellules placozoaires ont évolué et reconstituer l’apparence et le fonctionnement de nos anciens ancêtres.
Reconstruire d’anciens types de cellules
Les chercheurs ont d’abord dressé une carte de tous les différents types de cellules placozoaires, annotant leurs caractéristiques sur quatre types différents. espèces. Chaque type de cellule joue un rôle spécialisé qui découle de certains ensembles de gènes. Les cartes ou « atlas cellulaires » ont permis aux chercheurs de tracer des groupes ou des « modules » de ces gènes. Ils ont ensuite créé une carte des régions réglementaires en ADN qui contrôlent ces modules génétiques, révélant une image claire de ce que fait chaque cellule et de la manière dont elles fonctionnent ensemble. Enfin, ils ont effectué des comparaisons entre espèces pour reconstruire l’évolution des types cellulaires.
Vidéo accélérée d’un Trichoplax sp. Échantillon H2 observé au microscope. Crédit : Sebastian R. Najle/Centro de Regulación Genómica
La recherche a montré que les neuf principaux types de cellules des placozoaires semblent être reliés par de nombreux types de cellules « intermédiaires » qui changent d’un type à l’autre. Les cellules grandissent et se divisent, maintenant l’équilibre délicat des types de cellules nécessaires au mouvement et à la nourriture de l’animal. Les chercheurs ont également découvert quatorze types différents de cellules peptidergiques, mais celles-ci étaient différentes de toutes les autres cellules, ne présentant aucun type intermédiaire ni aucun signe de croissance ou de division.
Étonnamment, les cellules peptidergiques partageaient de nombreuses similitudes avec les neurones – un type de cellule qui n’est apparu que plusieurs millions d’années plus tard chez des animaux plus avancés tels que les bilatériens. Les analyses inter-espèces ont révélé que ces similitudes sont uniques aux placozoaires et n’apparaissent pas chez d’autres animaux à ramification précoce tels que les éponges ou les gelées en peigne (cténophores).
Tremplins évolutifs
Les similitudes entre les cellules peptidergiques et les neurones étaient triples. Premièrement, les chercheurs ont découvert que ces cellules placozoaires se différencient d’une population de cellules épithéliales progénitrices via des signaux de développement qui ressemblent à la neurogenèse, le processus par lequel de nouveaux neurones sont formés, chez les cnidaires et les bilatéraux.
Deuxièmement, ils ont découvert que les cellules peptidergiques possèdent de nombreux modules génétiques nécessaires à la construction de la partie d’un neurone capable d’envoyer un message (l’échafaudage pré-synaptique). Cependant, ces cellules sont loin d’être de véritables neurones, car il leur manque les composants nécessaires à la réception d’un message neuronal (post-synaptique) ou les composants nécessaires à la transmission des signaux électriques.
Enfin, les auteurs ont utilisé des techniques d’apprentissage profond pour montrer que les types de cellules placozoaires communiquent entre eux à l’aide d’un système cellulaire dans lequel des protéines spécifiques, appelées GPCR (récepteurs couplés aux protéines G), détectent des signaux extérieurs et déclenchent une série de réactions à l’intérieur de la cellule. Ces signaux extérieurs sont médiés par des neuropeptides, des messagers chimiques utilisés par les neurones dans de nombreux processus physiologiques différents.
«Nous avons été stupéfaits par les parallèles», déclare le Dr Sebastián R. Najle, co-premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral au Center for Genomic Regulator. « Les cellules peptidergiques placozoaires présentent de nombreuses similitudes avec les cellules neuronales primitives, même si elles n’en sont pas encore là. C’est comme regarder un tremplin évolutif.
L’aube du neurone
L’étude démontre que les éléments constitutifs du neurone se formaient il y a 800 millions d’années chez des animaux ancestraux paissant discrètement dans les mers peu profondes de l’ancienne Terre. D’un point de vue évolutif, les premiers neurones pourraient avoir commencé comme les cellules sécrétoires peptidergiques des placozoaires d’aujourd’hui.
Ces cellules communiquaient à l’aide de neuropeptides, mais ont finalement acquis de nouveaux modules génétiques qui ont permis aux cellules de créer des échafaudages post-synaptiques, de former des axones et des dendrites, et de créer des canaux ioniques qui génèrent des signaux électriques rapides – des innovations qui ont été essentielles à l’aube du neurone vers une centaine d’années. millions d’années après l’apparition sur Terre des ancêtres des placozoaires.
Cependant, l’histoire complète de l’évolution des systèmes nerveux reste encore à raconter. On pense que le premier neurone moderne proviendrait de l’ancêtre commun des cnidaires et des bilatériens il y a environ 650 millions d’années. Et pourtant, des cellules de type neuronal existent dans les cténophores, bien qu’elles présentent des différences structurelles importantes et ne possèdent pas l’expression de la plupart des gènes présents dans les neurones modernes. La présence de certains de ces gènes neuronaux dans les cellules des placozoaires et leur absence dans les cténophores soulèvent de nouvelles questions sur la trajectoire évolutive des neurones.
« Les placozoaires manquent de neurones, mais nous avons découvert des similitudes moléculaires frappantes avec nos cellules neurales. Les cténophores ont des réseaux neuronaux, avec des différences et des similitudes clés avec les nôtres. Les neurones ont-ils évolué une fois puis divergé, ou plusieurs fois, en parallèle ? S’agit-il d’une mosaïque, où chaque pièce a une origine différente ? Ce sont des questions ouvertes qui restent à aborder », déclare le Dr Xavier Grau-Bové, co-premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral au Centre de régulation génomique.
Les auteurs de l’étude estiment qu’à mesure que les chercheurs du monde entier continuent de séquencer des génomes de haute qualité provenant de diverses espèces, les origines des neurones et l’évolution d’autres types de cellules deviendront de plus en plus claires.
« Les cellules sont les unités fondamentales de la vie, donc comprendre comment elles naissent ou évoluent au fil du temps est essentiel pour expliquer l’histoire évolutive de la vie. Les placozoaires, les cténophores, les éponges et autres animaux modèles non traditionnels recèlent des secrets que nous commençons tout juste à percer », conclut Arnau Sebé-Pedros, professeur de recherche à l’ICREA, auteur correspondant de l’étude et chef de groupe junior au Centre de régulation génomique.
L’étude a été financée par le Conseil européen de la recherche et le Ministryio de Ciencia e Innovación.
