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De la nageoire à la patte : une simple histoire de gène Hox...

Lors de la transition des vertébrés du milieu marin vers la terre, les organismes ont vu évoluer leurs nageoires en pattes. Comment se sont produites ces modifications ? Les recherches vont bon train et apportent quelques éléments de réponse. Le rôle des gènes « architectes » Hox est semble-t-il le moteur de la modification de forme, en accord avec le modèle du célèbre mathématicien Alan Turing.

Cet embryon de poisson zèbre a développé un membre qui ressemble plus à une jambe qu'à une nageoire. Les changements dans la quantité de protéine Hox-D13 (produite sous l'effet du gène du même nom) ont probablement contribué à la transition de la nageoire vers la jambe au cours de l'évolution animale. © Freitas et al. 2012, Developmental Cell Cet embryon de poisson zèbre a développé un membre qui ressemble plus à une jambe qu'à une nageoire. Les changements dans la quantité de protéine Hox-D13 (produite sous l'effet du gène du même nom) ont probablement contribué à la transition de la nageoire vers la jambe au cours de l'évolution animale. © Freitas et al. 2012, Developmental Cell

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Comment se développent les formes d’un organisme ? Chez l’Homme par exemple, durant l’embryogenèse, ses membres se distinguent, dégageant doigts et pieds. C'est la morphogenèse. En 1952, Alan Turing proposait un modèle mathématique basé sur le principe de réaction-diffusion qui décrit comment deux organismes, distribués de façon uniforme, peuvent générer diverses formes à partir de cellules initialement identiques. 

Si ce modèle mathématique a apporté plus de controverses qu’autre chose, il est aujourd’hui plébiscité par des chercheurs de l’Institut de recherches cliniques de Montréal (IRCM). Le mécanisme de Turing manquait jusqu’alors de preuves expérimentales pour être validé. Mais l’équipe de recherche menée par Marie Kmita, a récemment démontré que le mécanisme de développement des doigts et des pieds est semblable au modèle de Turing. La combinaison des études génétiques et de la modélisation mathématique a ainsi permis l’identification du mécanisme de génération des pieds et des doigts. Les résultats, publiés dans le magazine Science, montrent en outre l’importance de la régulation des gènes au cours de l’évolution.

Chez les animaux à symétrie bilatérale (vertébrés, arthropodes, mollusques, etc.), les gènes dits Hox contrôlent l’architecture de l’embryon. Dans l’embryon en croissance, ils ne sont pas tous activés en même temps. Leur activation est séquentielle et, de plus, se produit le long de l’axe longitudinal du corps de façon à ce que les organes soient formés au bon endroit. Les études génétiques conduites par l’IRCM suggéraient que les gènes Hox ont un rôle modulateur dans le mécanisme de Turing. L’attribution de ce rôle a été confirmée avec les analyses mathématiques menées par l’équipe du chercheur James Sharpe. 

 
Les gènes Hox de la drosophile et leur correspondance avec les éléments morphologiques de la mouche. La formation des pattes arrière est gérée par le gène ANTP, celles du milieu par le gène UBX et celles de devant par le gène SCR. © PhiLiP, Wikimédia, DP

Le gène HoxD13 pour un poisson avec des pattes

Les études expérimentales ont également mis en évidence l’importance du rôle modulateur des gènes « architectes ». Marie Kmita explique : « nous avons démontré qu’une réduction importante du dosage de gènes Hox chez la souris transforme les doigts en structures qui rappellent l’extrémité des nageoires de poissons. Ces résultats renforcent l’importance du rôle des gènes Hox dans la transition des nageoires aux membres au cours de l’évolution, qui est l’une des principales innovations anatomiques associées au passage de la vie aquatique à la vie terrestre ».

Dans le numéro de décembre 2012 de la revue Developmental Cell, une équipe de recherche espagnole avait justement fourni de nouvelles preuves du rôle de certains gènes Hox dans le développement des mains et des pieds. Cette équipe dirigée par le chercheur Jose Luis Gómez-Skarmeta a cherché à comprendre comment les nageoires ont évolué vers la forme des doigts et des pieds. Pour cela, ils ont introduit un gène Hox supplémentaire, HoxD13,  dans un embryon de poisson zèbre. Ce gène est connu pour jouer un rôle dans la distinction des parties du corps, à la pointe de la nageoire. De façon étonnante, celui-ci a développé de nouveaux tissus cartilagineux et a réduit sa nageoire. Les changements rappellent de façon surprenante le développement des membres des animaux terrestres. 

La transition des vertébrés de l’eau vers la terre fut un événement majeur dans l’évolution. Comprendre la génétique de la formation des individus et son évolution aide à interpréter le pouvoir que la modification d’un gène exerce sur la formation du corps. Mais l’objectif à plus long terme serait d’inhiber les maladies génétiques. José Luis Gómez-Skarmeta explique : « de nombreuses maladies génétiques sont associées à un défaut de forme de nos organes durant le développement. Pour les gènes impliqués dans la formation des membres, leur fonction anormale est associée à des maladies telles que le syndrome mains-pieds ».


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