Comment les changements 3D dans le génome ont transformé les requins en patins | Quanta Magazine

Les créatures marines appelées patins parcourent le fond de la mer, ondulant leurs nageoires pectorales en forme d'ailes pour se propulser et pour remuer de petites créatures cachées dans le sable. Leur plan corporel aplati inhabituel en fait l'une des familles de poissons les plus étranges de la mer, et il semble encore plus étrange qu'ils aient évolué à partir de carnivores profilés ressemblant à des requins qui ont nagé il y a environ 285 millions d'années. 

Les chercheurs ont maintenant découvert comment les patins ont développé leur profil distinctif : des réarrangements dans la séquence d'ADN du patin ont modifié la structure 3D de son génome et perturbé les anciennes connexions entre les gènes clés du développement et les séquences régulatrices qui les régissaient. Ces changements ont à leur tour redessiné le plan corporel de l'animal. Les scientifiques ont rapporté leurs conclusions in Nature en Avril.

La découverte résout le mystère de la transformation évolutive des patins en l'attribuant aux mécanismes génétiques qui dirigent le développement. "Les archives fossiles vous disent que ce changement s'est produit, mais comment cela s'est-il réellement produit?" a dit Chris Amemiya, généticien moléculaire à l'Université de Californie, Merced, qui n'a pas participé à la nouvelle étude. "C'est une question evo-devo classique."

Pour découvrir les origines de la nouvelle forme corporelle des patins, il y a quelques années, le génomique évolutionniste José Luis Gómez-Skarmeta réuni une équipe internationale diversifiée de chercheurs en génomique et de biologistes du développement évolutionnaire. Une équipe était nécessaire en partie parce que la première étape serait de séquencer et d'assembler le génome d'une raie, et la compilation des génomes de poissons cartilagineux comme les raies et les requins est extrêmement difficile.

"Ils sont vraiment difficiles à assembler, car ils sont énormes - souvent plus gros que le génome humain", a déclaré Mélanie Debiais-Thibaud, un généticien du développement évolutionniste à l'Université de Montpellier en France qui n'a pas participé aux travaux.

Pour leur travail, l'équipe a sélectionné le petit patin (Leucoraja erinacea), qui se récolte facilement le long de la côte atlantique de l'Amérique du Nord. Il peut également être élevé en laboratoire, ce qui a permis de mener des expérimentations développementales et fonctionnelles sur les animaux dans le cadre du projet. 

En comparant le génome de la petite raie aux génomes d'autres vertébrés, les chercheurs ont déterminé que le génome de la raie est généralement resté très similaire à celui de leurs ancêtres vertébrés au niveau de la séquence. Cependant, il y avait quelques réarrangements notables qui auraient affecté la structure 3D du génome. Dans l'ADN des individus, de tels réarrangements peuvent provoquer des maladies en perturbant la régulation des gènes. Cette découverte a conduit les chercheurs à se demander si les réarrangements dans les patins auraient pu perturber de la même manière les instructions génétiques d'origine pour leur plan corporel. 

Faire tomber les frontières

Si vous regardez la séquence d'ADN d'un chromosome, les gènes qu'il contient peuvent sembler étonnamment éloignés des courtes séquences "enhancer" qui régulent l'activité de ces gènes. En pratique, cependant, en raison de la façon dont l'ADN d'un noyau cellulaire s'enroule, se replie et se reboucle sur lui-même, ils ne sont souvent pas éloignés du tout.

Chez les vertébrés, des ensembles de gènes fonctionnellement liés et leurs amplificateurs sont physiquement regroupés en trois dimensions dans des unités appelées domaines d'association topologique, ou TAD. Les régions frontières aident à garantir que les activateurs n'agissent que sur les gènes du même TAD.

Cependant, lorsque des réarrangements majeurs du génome se produisent - comme ceux que l'équipe a observés dans l'ADN du patin - les frontières peuvent être perdues et les positions relatives des gènes sur les chromosomes peuvent changer. En conséquence, "certains activateurs peuvent fournir des instructions au mauvais gène", a expliqué Dario Lupiánez, biologiste de l'évolution au Max Delbrück Center de Berlin et l'un des principaux auteurs de l'étude.

Il semblait possible que les changements dans l'architecture 3D du génome du patin aient perturbé les anciens blocs de gènes que les patins ont hérités de leurs ancêtres ressemblant à des requins, affectant la fonction des gènes. "Nous essayions de voir si certains réarrangements du génome dans le petit patin cassaient réellement ces blocs", a déclaré Ferdinand Marletaz, génomique à l'University College London et co-premier auteur de l'étude.

Les chercheurs ont identifié des réarrangements du génome chez la petite raie qui n'étaient présents chez aucun autre vertébré. Ensuite, ils se sont concentrés sur les changements qui semblaient les plus susceptibles d'affecter l'intégrité des TAD, sur la base des séquences du génome.

L'effort les a conduits à un réarrangement qui, selon eux, éliminerait la limite d'un TAD qui régule un système de développement appelé la voie de la polarité cellulaire planaire (PCP). Ils ne s'attendaient pas à cela : rien sur les fonctions connues de la voie PCP ne suggérait immédiatement qu'elle régulerait le développement des nageoires. Généralement, il établit la forme et l'orientation des cellules dans les embryons.

Un nouveau quartier génétique

Pour tester l'impact potentiel du changement de TAD sur le développement des nageoires, Tetsuya Nakamura, biologiste du développement de l'évolution à l'Université Rutgers, a exposé de petits embryons de raie à un inhibiteur de la voie PCP. Le bord antérieur (avant) de leurs nageoires a été fortement modifié et ne s'est pas développé pour se joindre à la tête comme il le ferait normalement. Il a suggéré que la perturbation du TAD ancestral avait produit les nageoires distinctives du patin en activant les gènes PCP dans une nouvelle partie du corps.

"Ce réarrangement du TAD modifie fondamentalement tout l'environnement du gène et apporte de nouveaux activateurs à proximité du gène", a déclaré Lupiáñez.

Mais ce n'était pas le seul changement génomique pertinent que les chercheurs ont découvert. Ils ont également identifié une mutation dans un activateur qui régule l'expression de certains gènes dans les gènes importants pour le développement. Hox groupe. putain les gènes spécifient le plan général du corps chez tous les animaux à symétrie bilatérale. Un sous-ensemble d'entre eux, le Hoxa groupe de gènes, est généralement exprimé uniquement dans les bords postérieurs (arrière) des nageoires en développement et dans les membres, où il spécifie la formation des chiffres.

Dans le petit patin, le Hoxa les gènes étaient actifs à la fois dans les parties postérieure et antérieure de la nageoire. C'était comme si la zone de croissance le long de l'arrière de la nageoire avait été dupliquée le long de l'avant, de sorte que l'animal a créé un nouvel ensemble de structures sur la partie antérieure de la nageoire qui était symétrique aux structures sur la partie postérieure, a déclaré Debiais-Thibaud.

Nakamura a montré que l'activateur muté du patin était à l'origine de cette nouvelle Hoxa modèle d'expression. Il a combiné l'activateur de la raie avec un gène pour une protéine fluorescente, puis a inséré cette combinaison de gènes dans des embryons de poisson zèbre. Les nageoires pectorales du poisson se sont développées anormalement et une fluorescence est apparue le long de leurs bords d'attaque et de fuite, ce qui a montré que l'amplificateur de la raie conduisait Hoxa expression dans les deux parties de la nageoire. Lorsque Nakamura a répété l'expérience avec un activateur de requin, la croissance des nageoires n'a pas été affectée et la fluorescence a été limitée à la partie postérieure.

"Alors maintenant, nous pensons que les mutations génétiques se sont produites spécifiquement dans l'amplificateur de skate, et cela peut conduire à des changements uniques. Hox l'expression des gènes dans les nageoires de skate », a déclaré Nakamura.

Façonné pour de nouveaux modes de vie

Dans l'image de l'évolution du skate que les chercheurs ont reconstruite, à un moment donné après que la lignée du skate a divergé des requins, ils ont acquis une mutation dans un activateur qui a rendu leur Hoxa gènes actifs à la fois à l'avant et à l'arrière de leurs nageoires pectorales. Et dans les nouveaux tissus poussant le long de la partie antérieure de la nageoire, des réarrangements du génome ont provoqué l'activation de la voie PCP par des activateurs dans un TAD différent, ce qui a eu pour effet supplémentaire de faire s'étendre la nageoire vers l'avant et de fusionner avec la tête de l'animal.

"En formant la structure en forme d'aile, [les patins] sont maintenant capables d'habiter une niche écologique complètement différente, le fond de l'océan", a expliqué Amemiya.

Les raies pastenagues, mantas et autres raies sont étroitement apparentées aux raies (elles sont toutes classées comme poissons "batoïdes"), et leur forme similaire en crêpe est probablement due aux mêmes réarrangements du génome. Les raies, cependant, ont également modifié leurs nageoires en forme d'ailes de manière à leur permettre de voler dans l'eau. "Les patins ont ces ondulations de la nageoire et restent sur le fond, mais les raies manta peuvent remonter à la surface et avoir un tout autre moyen de locomotion", a déclaré Amemiya.

Bien que les biologistes du développement évolutionniste aient précédemment émis l'hypothèse que ces changements dans l'architecture 3D d'un génome pourraient être possibles, c'est probablement l'un des premiers articles à les lier clairement à des changements assez importants dans la forme du corps, a déclaré Marlétaz.

Lupiáñez pense également que les résultats ont une signification qui va bien au-delà de la compréhension des patins. "C'est une toute nouvelle façon de penser à l'évolution", a-t-il déclaré. Les réarrangements structurels "peuvent provoquer l'activation d'un gène à un endroit où il ne devrait pas l'être". Il a ajouté: "Cela peut être un mécanisme de maladie, mais cela peut aussi servir de moteur d'évolution."