Un système sophistiqué guide le développement de nos membres. Des chercheurs de l’Université de Bâle ont jeté un nouvel éclairage sur la boîte à outils génétique utilisée au cours de l’évolution pour créer une gamme d’extrémités différentes telles que les nageoires, les ailes, les sabots, les orteils et les doigts.
Beaucoup de choses peuvent mal tourner lorsqu’un ovule fécondé se transforme en embryon et donne finalement naissance à un nouveau-né, car les mutations du génome qui affectent le développement sont relativement courantes. Le fait que le développement embryonnaire soit généralement sans faille pour l’homme et l’animal est dû au fait que les programmes génétiques sont contrôlés par des séries de circuits de gènes qui peuvent se soutenir les uns les autres de manière autorégulée.
Cette robustesse des programmes de développement est un intérêt clé du groupe de recherche dirigé par le professeur Rolf Zeller et PD. Dr. Aimée Zuniga au Département de biomédecine, Université de Bâle. Ils cherchent à mieux comprendre ce processus en étudiant un régulateur clé du développement des membres, une protéine appelée « Gremlin1 ». Cette protéine empêche les cellules de former des os trop tôt et fonctionne en affinant l’activité de plusieurs réseaux de signalisation en les connectant les uns aux autres. Plus important encore, Gremlin1 est responsable de la formation correcte des soi-disant bourgeons des membres, qui sont la minuscule structure embryonnaire qui donnera naissance à nos extrémités.
Un réseau sécurise un développement parfait
Des études utilisant des embryons de souris ont permis aux chercheurs de déchiffrer un autre niveau de régulation – et de robustesse – de ce programme de développement. Dans la revue scientifique Communication Nature, ils décrivent une série de « commutateurs » intégrés dans le génome de tous les vertébrés qui garantissent que la quantité correcte de Gremlin1 est produite au bon endroit. Ces commutateurs sont appelés « amplificateurs ».
Zuniga compare le système qu’elle et son équipe étudient avec le système d’éclairage d’une pièce qui est contrôlé par une série d’interrupteurs. La lumière permet de lire les instructions pour construire des extrémités correctement formées. « Au début, nous ne savions pas ce que chaque interrupteur contribue à éclairer la pièce », explique le chercheur. « Il pourrait y avoir un interrupteur principal qui éteint toutes les lumières, rendant les instructions impossibles à lire. Au lieu de cela, nous savons maintenant que tous les interrupteurs contribuent au système d’éclairage : si un interrupteur est cassé, la quantité de lumière n’est que marginale ou pas du tout affectées et les informations peuvent toujours être lues. C’est pourquoi le système est si robuste. D’un autre côté, une fois que trop d’interrupteurs sont cassés, trop peu d’informations peuvent être lues, et dans le pire des cas aucune. »
En effet, l’analyse du doctorant Jonas Malkmus et de ses collègues a montré que les commutateurs individuels peuvent être désactivés sans perturber Gremlin1 ou le développement des extrémités. Cependant, en dessous d’un certain seuil de fonctionnement des interrupteurs, le système tombe en panne et des malformations se produisent. « Les multiples garanties du système expliquent pourquoi les anomalies congénitales dues à des altérations génétiques de la régulation Gremlin1 sont extrêmement rares », explique Malkmus.
Stabilité avec potentiel de changement
Ensuite, les chercheurs ont entrepris d’identifier les racines évolutives de cette robuste série de commutateurs. Ils ont découvert que le noyau de cette série de commutateurs qui assure la quantité et la distribution correctes de Gremlin1 dans les embryons humains existait déjà chez les poissons il y a plus de 400 millions d’années. « Cela montre que l’évolution avait déjà la boîte à outils pour développer les extrémités avant même que les nageoires ne se transforment en pattes et que les premiers animaux ne descendent à terre », explique Zuniga. Ce qui a changé au cours de l’évolution, c’est l’activité des activateurs individuels et, par conséquent, la distribution de Gremlin1. « L’activité des commutateurs génétiques et la distribution de Gremlin1 dans les bourgeons des membres préfigure leur développement ultérieur en nageoires, ailes, sabots ou mains et pieds », explique Zeller.
Si un seul interrupteur régulait la production de Gremlin1, alors la pression évolutive pour maintenir cet interrupteur exactement tel qu’il est serait énorme. « Un système avec de nombreux commutateurs garantit que le système ne tombe pas facilement en panne », explique Zuniga. « Et cela donne une marge d’évolution pour le changement. » Par conséquent, les commutateurs individuels ont pu changer sans pression significative, ce qui a joué un rôle dans le développement d’un large éventail d’extrémités au cours de l’histoire de l’évolution.
L’étude a reçu le soutien financier du Fonds national suisse de la recherche scientifique et une subvention avancée du Conseil européen de la recherche ERC.
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université de Bâle. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
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