Les recherches sur les lamproies marines offrent un aperçu de l'évolution des vertébrés, en soulignant les similitudes dans les réseaux de gènes des cellules souches avec les vertébrés à mâchoires et en expliquant les différences dans la formation des mâchoires. Crédit : T. Lawrence, Commission des pêcheries des Grands Lacs
Ces poissons invasifs et suceurs de sang « pourraient détenir la clé pour comprendre d’où nous venons ».
L'un des deux seuls sans mâchoire vertébrésLes lamproies marines, qui causent des dommages importants aux pêcheries du Midwest, aident également les scientifiques à comprendre les origines de deux cellules souches cruciales qui ont joué un rôle clé dans l'évolution des vertébrés.
Université du nord-ouest Les biologistes ont identifié le moment où le réseau génétique qui régule ces cellules souches a pu évoluer et ont ainsi pu mieux comprendre ce qui pourrait être responsable de l'absence de mandibules chez les lamproies.
Les deux types de cellules — les cellules blastula pluripotentes (ou cellules souches embryonnaires) et les cellules de la crête neurale — sont toutes deux « pluripotentes », ce qui signifie qu’elles peuvent devenir tous les autres types de cellules du corps.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont comparé les gènes de la lamproie à ceux du Xénope, une grenouille aquatique à mâchoires. En utilisant la transcriptomique comparative, l'étude a révélé un réseau de gènes de pluripotence étonnamment similaire chez les vertébrés sans mâchoires et avec mâchoires, même au niveau de l'abondance des transcriptions pour les facteurs régulateurs clés.
Différences dans l'expression des gènes
Mais les chercheurs ont également découvert une différence essentielle. Alors que les deux espèces« Les cellules blastula expriment le gène pou5, un régulateur clé des cellules souches, mais ce gène n'est pas exprimé dans les cellules souches de la crête neurale des lamproies. La perte de ce facteur peut avoir limité la capacité des cellules de la crête neurale à former les types de cellules que l'on trouve chez les vertébrés à mâchoires (animaux dotés d'épines) qui constituent le squelette de la tête et de la mâchoire.
L'étude a été récemment publiée dans la revue Nature Écologie & Evolution.
En comparant la biologie des vertébrés sans mâchoires et avec mâchoires, les chercheurs peuvent mieux comprendre les origines évolutives des caractéristiques qui définissent les animaux vertébrés, y compris les humains, la manière dont les différences dans l’expression des gènes contribuent aux différences clés dans le plan corporel et à quoi ressemblait l’ancêtre commun de tous les vertébrés.
« Les lamproies pourraient bien être la clé pour comprendre notre origine », a déclaré Carole LaBonne, de l’Université Northwestern, qui a dirigé l’étude. « En biologie évolutionniste, si vous voulez comprendre l’origine d’une caractéristique, vous ne pouvez pas vous attendre à des vertébrés plus complexes qui ont évolué de manière indépendante pendant 500 millions d’années. Vous devez remonter en arrière jusqu’à la version la plus primitive du type d’animal que vous étudiez, ce qui nous ramène aux myxines et aux lamproies, les derniers exemples vivants de vertébrés sans mâchoires. »
Experte en biologie du développement, LaBonne est professeure de biosciences moléculaires au Weinberg College of Arts and Sciences. Elle est titulaire de la chaire Erastus Otis Haven et fait partie de la direction du nouvel Institut national Simons pour la théorie et les mathématiques en biologie de la National Science Foundation (NSF).
LaBonne et ses collègues ont déjà démontré que l’origine développementale des cellules de la crête neurale était liée au maintien du réseau de régulation génétique qui contrôle la pluripotence dans les cellules souches de la blastula. Dans la nouvelle étude, ils ont exploré l’origine évolutive des liens entre ces deux populations de cellules souches.
Importance des cellules de la crête neurale
« Les cellules souches de la crête neurale sont comme un jeu de Lego évolutif », a déclaré LaBonne. « Elles deviennent des types de cellules extrêmement différents, notamment des neurones et des muscles, et ce que tous ces types de cellules ont en commun est une origine développementale partagée au sein de la crête neurale. »
Alors que les cellules souches embryonnaires au stade blastula perdent leur pluripotence et se confinent à des types de cellules distincts assez rapidement à mesure que l'embryon se développe, les cellules de la crête neurale conservent la boîte à outils moléculaire qui contrôle la pluripotence plus tard dans le développement.
L'équipe de LaBonne a découvert un réseau de pluripotence complètement intact dans les cellules blastula de la lamproie, cellules souches dont le rôle chez les vertébrés sans mâchoires était jusqu'à présent une question ouverte. Cela implique que les populations de cellules souches blastula et crête neurale des vertébrés à mâchoires et sans mâchoires ont co-évolué à la base des vertébrés.
Joshua York, chercheur postdoctoral et premier auteur de l’université Northwestern, a observé « plus de similitudes que de différences » entre la lamproie et le xénope.
« Alors que la plupart des gènes contrôlant la pluripotence sont exprimés dans la crête neurale de la lamproie, l’expression de l’un de ces gènes clés – pou5 – a disparu de ces cellules », a déclaré York. « Étonnamment, même si pou5 n’est pas exprimé dans la crête neurale d’une lamproie, il pourrait favoriser la formation de crêtes neurales lorsque nous l’exprimions chez les grenouilles, ce qui suggère que ce gène fait partie d’un ancien réseau de pluripotence qui était présent chez nos premiers ancêtres vertébrés. »
L'expérience les a également aidés à émettre l'hypothèse selon laquelle le gène avait été spécifiquement perdu chez certaines créatures, et non pas quelque chose que les vertébrés à mâchoires ont développé plus tard.
« Une autre découverte remarquable de l’étude est que même si ces animaux sont séparés par 500 millions d’années d’évolution, il existe des contraintes strictes sur les niveaux d’expression des gènes nécessaires pour promouvoir la pluripotence », a déclaré LaBonne. « La grande question sans réponse est : pourquoi ? »
Le document a été financé par le Instituts nationaux de la santé (subventions R01GM116538 et F32DE029113), la NSF (subvention 1764421), la Fondation Simons (subvention SFARI 597491-RWC) et la Fondation Walder par l'intermédiaire de la Life Sciences Research Foundation. L'étude est dédiée à la mémoire du Dr Joseph Walder.
