Nouvelles perspectives sur l’origine génétique de nos sens

Des chercheurs ont décrypté la fonction d’un gène essentiel à la formation des structures neuronales dans la tête des vertébrés et à leur perception de l’environnement. Un groupe de chercheurs internationaux dirigé par l’Université d’Oxford et comprenant l’équipe d’Ute Rothbächer à l’Institut de zoologie de l’Université d’Innsbruck, a publié ses découvertes dans Nature.

Avoir de la tête est un vrai avantage. Bien que cela puisse sembler banal, cela a dû être testé par l’évolution dans un long processus : Au fur et à mesure que la vie animale se développait, ce sont les invertébrés qui dominaient initialement les océans. Ceux-ci possédaient déjà des structures de tête, mais c’est le développement d’une nouvelle tête améliorée qui a conduit au succès des vertébrés. Cette « nouvelle tête » a permis une large répartition spatiale et une multiplication des cellules sensorielles et donc une bien meilleure perception de l’environnement. Cela était également essentiel pour le développement d’un mode de vie prédateur.

Lorsque des stimuli externes sont transmis au cerveau des vertébrés, les ganglions sensoriels crâniens jouent un rôle important. Ceux-ci peuvent être considérés comme des nœuds nerveux répartis dans toute la tête qui reçoivent des informations des organes sensoriels. Jusqu’à présent, les scientifiques ne savaient pas exactement comment se formaient ces ganglions. Une étude publiée dans « Nature » a maintenant trouvé des réponses.

Prototype des vertébrés

Le groupe de recherche d’Ute Rothbächer de l’Institut de zoologie de l’Université d’Innsbruck a été impliqué de manière décisive dans la dernière phase du projet, une collaboration internationale de plusieurs institutions, conçue par l’Université d’Oxford. Leurs découvertes montrent que les ganglions sensoriels crâniens des vertébrés émergent d’un programme génétique que l’on retrouve également chez leurs plus proches parents vivants, les tuniciers. Chez les larves de tuniciers, certains neurones sensoriels, appelés neurones bipolaires de la queue, sont situés dans la région de la queue. Ceux-ci traitent les stimuli externes, mais sont également responsables du mouvement de l’animal. Dans les deux sous-embranchements animaux, les structures respectives sont formées par le gène Hmx.

« Les tuniciers sont comme un prototype évolutif pour les vertébrés », explique Rothbächer. « Il existe un grand écart anatomique entre les adultes de ces sous-phylums, car ils sont adaptés aux niches écologiques. Cela complique les recherches sur leur évolution. Les structures et mécanismes communs ne peuvent être identifiés qu’au stade embryonnaire – notre ancêtre commun était probablement très similaire à une larve de tunicier. »

Les organismes modèles de l’étude étaient la lamproie, un poisson primitif qui ressemble à une anguille et est souvent appelé un « fossile vivant », et le tunicier Ciona intestinalis, qui est entouré d’un manteau tubulaire jaunâtre qui protège l’animal et filtre la nourriture.

Le gène conservé

Alessandro Pennati, doctorant dans le groupe de recherche de Rothbächer, a fourni des données décisives sur la fonction du gène Hmx chez Ciona. Il a appliqué la technologie génétique CRISPR-Cas9 pour assommer sélectivement des séquences génétiques, tandis que la méthode de transgenèse transitoire a été utilisée pour surexprimer les gènes.

Les chercheurs ont découvert que Hmx contrôle le développement des neurones bipolaires de la queue chez les tuniciers, alors que chez les vertébrés, il le fait pour les ganglions sensoriels crâniens. Étonnamment, les segments du gène Hmx de la lamproie insérés dans l’ADN de Ciona étaient aussi actifs que le propre Hmx de Ciona.

« Hmx s’est avéré être un gène central qui a été conservé à travers l’évolution. Il a conservé sa fonction et sa structure d’origine et a probablement été trouvé sous cette forme chez l’ancêtre commun des vertébrés et des tuniciers », explique Pennati. Les ganglions sensoriels crâniens et les neurones bipolaires de la queue ont donc la même origine évolutive, Hmx a probablement été impliqué de manière cruciale dans la formation d’organes sensoriels de la tête hautement spécialisés chez les vertébrés.

Référence: Papadogiannis V, Pennati A, Parker HJ, et al. La conservation du gène Hmx identifie l’origine des ganglions crâniens des vertébrés. Nature. 2022. doi : 10.1038/s41586-022-04742-w

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