Les gènes de poisson sans mâchoires nous parlent de l'évolution du cerveau humain

Une nouvelle étude publiée dans La nature révèle comment les gènes de la lamproie, un poisson parasite semblable à une anguille, offrent des indices importants sur l’évolution du cerveau humain.
Un embryon de lamproie exprimant le gène Hoxb3 (vert). Dans l'étude, Bronner et ses collègues ont constaté que les gènes Hox sont importants pour la segmentation du cerveau postérieur au cours du développement de la lamproie.
Crédit d'image: Hugo Parker

Marianne Bronner, professeur de biologie à l'Institut de technologie de Californie (Caltech) à Pasadena, explique que:

"La lamproie est l'un des vertébrés les plus primitifs vivants sur Terre et en étudiant de près leurs gènes et leurs caractéristiques de développement, les chercheurs peuvent en apprendre davantage sur les origines évolutives des vertébrés modernes - comme les mâles, les grenouilles et même les humains."

Le professeur Bronner dirige un laboratoire unique au Beckman Institute de Caltech qui élève et étudie les poissons zèbres, les lamproies et les grenouilles Xenopus, des sujets idéaux pour l'étude en direct de la biologie moléculaire, cellulaire et développementale des animaux vertébrés. Le laboratoire attire des scientifiques du monde entier.

L'installation est l'un des rares endroits au monde où les scientifiques peuvent étudier les lamproies en captivité. Bien que ces poissons parasites soient communs dans les Grands Lacs, ils ne sont pas faciles à étudier - ils peuvent vivre 10 ans avant de se reproduire, puis ils ne se reproduisent que quelques semaines en été avant de périr.

En laboratoire, l'équipe de Caltech peut prolonger la saison de reproduction de la lamproie jusqu'à 2 mois en ajustant la température de l'eau. Au cours de ces semaines supplémentaires, les lamproies produisent des dizaines de milliers d’?ufs et de sperme supplémentaires. En utilisant in vitro la fertilisation, l’équipe peut générer des dizaines de milliers d’embryons supplémentaires à étudier.

Les scientifiques utilisent la lamproie pour étudier les origines du cerveau postérieur des vertébrés

Pour cette dernière étude, le professeur Bronner et ses co-auteurs - de l'Institut Stowers de recherche médicale, Kansas City, MO - ont étudié les origines du cerveau postérieur des vertébrés, la partie du système nerveux central que nous partageons avec tous les chordés. avoir un cordon nerveux comme notre moelle épinière.

Les vertébrés - les organismes qui ont la colonne vertébrale - sont un sous-type de chordés dont le cerveau postérieur devient huit segments au cours du développement, chacun présentant un modèle unique de circuits et de fonctions cérébraux.

Par exemple, un de ces segments devient le cervelet, qui est impliqué dans le contrôle des mouvements, et un autre devient la moelle allongée, ce qui est important pour la respiration et d'autres fonctions involontaires.

Cette segmentation du cerveau postérieur n’est pas présente dans les chordates d’invertébrés - des organismes tels que les squints et les lancelets, qui n’ont pas de colonne vertébrale.

L'équipe s'est intéressée à un groupe de gènes connus sous le nom de gènes Hox, qui chez les vertébrés contiennent les plans du plan corporel de l'organisme et contrôlent également la segmentation du cerveau postérieur. Bien qu'ils ne possèdent pas de cerveau postérieur segmenté, les chordés d'invertébrés ont également des gènes Hox.

L'équipe a choisi d'étudier les lamproies, car elles occupent une position unique dans l'arbre évolutif entre les cordés d'invertébrés et les vertébrés à mâchoires. L'étude des gènes Hox chez les lamproies et leur implication ou non dans la formation du cerveau postérieur chez les espèces intermédiaires pourraient permettre de mieux comprendre l'évolution des caractères des vertébrés.

L'équipe a constaté que non seulement le cerveau postérieur de la lamproie est segmenté pendant le développement, mais que les gènes Hox sont impliqués, tout comme ils le sont chez les vertébrés à mâchoires. Cela les a surpris, explique le premier auteur, le Dr Hugo Parker, de l'Institut Stower, qui a passé chaque été depuis 2008 à Caltech à étudier les lamproies. Il explique:

"Quand nous avons commencé, nous pensions que la situation était différente et les gènes Hox n'étaient pas vraiment intégrés dans le processus de segmentation car ils sont chez les vertébrés à mâchoires. Mais en faisant ce projet, nous avons découvert la façon dont les gènes Hox sont exprimés et réglementé est très similaire à ce que nous voyons chez les vertébrés à mâchoires. "

Cela signifie que la segmentation du cerveau postérieur survient plus tôt dans l'évolution que ne le pensaient les scientifiques, et implique les gènes Hox, dit-il.

Dr. Parker a l'intention de continuer à passer ses étés à Caltech. Il veut savoir quelles autres caractéristiques du cerveau postérieur de la lamproie peuvent être conservées chez les vertébrés d’aujourd’hui. Une telle information est essentielle pour aider les scientifiques à comprendre le développement des vertébrés.

Parallèlement, grâce à d’autres découvertes, la lamproie est de plus en plus utilisée comme modèle pour comprendre les maladies neurologiques humaines. Par exemple, en février 2013, des scientifiques du Laboratoire de biologie marine de Woods Hole (Massachusetts) ont signalé la découverte de plusieurs gènes de lamproie associés à des troubles neurologiques tels que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et les lésions de la moelle épinière.

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