Écailles dorsales de l’esturgeon sterlet. Une étude récente a découvert qu’un type spécifique de cellule souche, la cellule de la crête neurale du tronc, est responsable du développement d’écailles protectrices osseuses (écailles) chez les poissons. Cette percée révèle comment nos ancêtres évolutionnaires au corps mou ont développé une armure protectrice, ouvrant la voie à l’évolution d’une multitude d’espèces vertébrées. Crédit : Avec l’aimable autorisation de J. Stundl
Une étude de Caltech a identifié les cellules de la crête neurale du tronc comme étant à l’origine des écailles osseuses protectrices chez les poissons, mettant ainsi en lumière l’évolution de l’armure des vertébrés.
Il y a environ 350 millions d’années, vos ancêtres évolutionnistes – et les ancêtres de tous les êtres modernes vertébrés– n’étaient que des animaux au corps mou vivant dans les océans. Afin de survivre et d’évoluer pour devenir ce que nous sommes aujourd’hui, ces animaux devaient bénéficier d’une certaine protection et d’un avantage sur les prédateurs de l’océan, qui étaient alors dominés par les crustacés.
L’évolution de l’armure cutanée, comme les épines acérées trouvées sur un poisson-chat blindé ou les écailles osseuses en forme de losange, appelées écailles, recouvrant un esturgeon, a été une stratégie réussie. Des milliers de espèces des poissons utilisaient différents modèles d’armure dermique, composée d’os et/ou d’une substance appelée dentine, un composant important des dents humaines modernes. Des revêtements protecteurs comme ceux-ci ont aidé les vertébrés à survivre et à évoluer pour devenir de nouveaux animaux et finalement des humains.
Mais d’où vient cette armure ? Comment Nos anciens ancêtres sous-marins ont-ils évolué pour faire pousser cette couche protectrice ?
Aujourd’hui, en utilisant des poissons esturgeons, une nouvelle étude révèle qu’une population spécifique de cellules souches, appelées cellules de la crête neurale du tronc, est responsable du développement des écailles osseuses chez les poissons. Les travaux ont été menés par Jan Stundl, aujourd’hui chercheur postdoctoral Marie Sklodowska-Curie dans le laboratoire de Marianne Bronner, professeur de biologie Edward B. Lewis et directeur de l’Institut Beckman de Caltech. Un article décrivant la recherche a été publié récemment dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).
Jan Stundl tient un esturgeon dans son laboratoire. Crédit : Avec l’aimable autorisation de J. Stundl
Le laboratoire Bronner s’intéresse depuis longtemps à l’étude des cellules de la crête neurale. Présentes chez tous les vertébrés, y compris les poissons, les poulets et nous-mêmes, ces cellules se spécialisent selon qu’elles proviennent des régions de la tête (crânienne) ou de la moelle épinière (tronc). Les cellules de la crête neurale du crâne et du tronc migrent depuis leurs points de départ dans tout le corps en développement de l’animal, donnant naissance aux cellules qui composent les mâchoires, le cœur et d’autres structures importantes. Après qu’une étude de 2017 de l’Université de Cambridge ait montré que les cellules de la crête neurale du tronc donnent naissance à une armure dermique à base de dentine chez un type de poisson appelé petite raie, Stundl et ses collègues ont émis l’hypothèse que la même population de cellules pourrait également donner naissance à des os. -armure à base de vertébrés en général.
Reconstruction d’une seule écaille d’esturgeon, gros plan. Les cellules formant des os sont marquées en magenta. Crédit : Avec l’aimable autorisation de J. Stundl
Pour étudier cela, Stundl et son équipe se sont tournés vers le poisson esturgeon, en particulier l’esturgeon sterlet (Acipenser ruthenus). Les esturgeons modernes, surtout connus pour leur production du caviar le plus cher au monde, présentent encore bon nombre des mêmes caractéristiques que leurs ancêtres d’il y a des millions d’années. Cela en fait des candidats de choix pour les études évolutionnistes.
En utilisant des embryons d’esturgeon cultivés à l’Institut de recherche sur la pisciculture et l’hydrobiologie de la République tchèque, Stundl et son équipe ont utilisé un colorant fluorescent pour suivre la migration des cellules de la crête neurale du tronc du poisson dans tout son corps en développement. Les esturgeons commencent à développer leurs écailles osseuses après quelques semaines. Les chercheurs ont donc gardé les poissons en croissance dans un laboratoire sombre afin de ne pas perturber le colorant fluorescent avec la lumière.
L’équipe a découvert des cellules de la crête neurale du tronc marquées par fluorescence aux endroits précis où se formaient les écailles osseuses de l’esturgeon. Ils ont ensuite utilisé une technique différente pour mettre en évidence les ostéoblastes du poisson, un type de cellule qui forme les os. Des signatures génétiques associées à la différenciation des ostéoblastes ont été trouvées dans les cellules fluorescentes des écailles en développement du poisson, fournissant une preuve solide que les cellules de la crête neurale du tronc donnent effectivement naissance à des cellules formant des os. Combinés aux découvertes de 2017 sur le rôle des cellules de la crête neurale dans la formation de l’armure à base de dentine, les travaux montrent que les cellules de la crête neurale du tronc sont en effet responsables de l’origine de l’armure cutanée osseuse qui a permis le succès évolutif des poissons vertébrés.
« Travailler avec des organismes non modèles est délicat ; les outils qui existent dans les organismes de laboratoire standards comme la souris ou le poisson zèbre ne fonctionnent pas ou doivent être considérablement adaptés », explique Stundl. « Malgré ces défis, les informations provenant d’organismes non modèles comme l’esturgeon nous permettent de répondre de manière rigoureuse aux questions fondamentales de biologie évolutive du développement. »
« En étudiant de nombreux animaux de l’Arbre de Vie, nous pouvons déduire quels événements évolutifs ont eu lieu », explique Bronner. « Ceci est particulièrement puissant si nous pouvons aborder les questions évolutives d’un point de vue biologique du développement, puisque de nombreux changements qui ont conduit à divers types de cellules se sont produits via de petites altérations du développement embryonnaire. Nous avons eu beaucoup de chance de recevoir un financement du Centre des sciences évolutives de Caltech, ce qui nous a aidé à rendre possibles des études de ce type.
Le Center for Evolutionary Science (CES) de Caltech est une organisation multi-divisions à l’échelle de l’Institut qui reconnaît et soutient l’étude des changements évolutifs dans le monde naturel via les forces biotiques et anthropiques.
« L’évolution est un thème central qui traverse toute la biologie ; cela unifie notre discipline », déclare Joe Parker, professeur adjoint de biologie et de génie biologique, Chen Scholar et codirecteur du CES. « Caltech est un endroit incroyable avec tant de groupes qui s’attaquent aux problèmes de l’évolution dans différents contextes, y compris à l’interface de la biologie de l’évolution et du développement, comme le montre si magnifiquement cette étude. »
Outre Bronner et Stundl, les co-auteurs de Caltech sont l’ancienne chercheuse postdoctorale Megan Martik, maintenant à l’Université de Californie à Berkeley, et la chercheuse postdoctorale Desingu Ayyappa Raja. Les autres co-auteurs sont Donglei Chen, Tatjana Haitina et Per Ahlberg de l’Université d’Uppsala à Uppsala, en Suède ; Roman Franěk et Martin Pšenička de l’Université de Bohême du Sud en République tchèque ; Anna Pospisilova et Robert Cerny de l’Université Charles de Prague, République tchèque ; Brian Metscher de l’Université de Vienne en Autriche ; et Ingo Braasch de l’Université d’État du Michigan. Le financement a été fourni par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne ; le Instituts nationaux de la santé; une bourse Wallenberg de la Fondation Knut & Alice Wallenberg ; la Fondation Helen Hay Whitney ; le ministère de l’Éducation, de la Jeunesse et des Sports de la République tchèque ; la Fondation tchèque pour la science ; et la Fondation nationale de la science.
Bronner et Parker sont membres du corps professoral affiliés à l’Institut de neurosciences Tianqiao et Chrissy Chen de Caltech.
