Les gènes architectes : quelle évolution !

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juillet 2009
Pourquoi la girafe n’a-t-elle pas plus de vertèbres que nous ?
© Jupiterimages

À un moment de la vie de l’embryon, certains gènes orientent la construction du corps... Et jouent un rôle dans l’évolution.

Une mouche avec des pattes à la place des antennes ! Dans les années50, en étudiant la génétique d’une mouche(1), les biologistes observent des mutations étranges, qui chamboulent la structure du corps.  « Il s’agissait de mutations sur des gènes “architectes”, qui mettent en place les organes, les uns après les autres, explique Jean-Sébastien Pierre (Écobio). Ces gènes sont actifs, successivement, puis sont inactivés. L’évolution du développement, ou évo-dévo, étudie leur fonctionnement. » Cette approche s’est développée dans les années90, avec l’essor des outils de la génétique... mais l’idée remonte au 19e siècle.

Le biologiste allemand Ernst Haeckel avait alors constaté qu’au premier stade du développement, il était difficile de distinguer des embryons de tortue, de poulet, d’humain ou d’oiseau. Pour comprendre l’évolution, il faut donc creuser du côté des premières étapes de la vie ! « Il y a un stade clé, très précoce, appelé l’organogénèse, au cours duquel chaque organe qui se développe reçoit des informations des autres et en envoie autant », explique Frietson Galis, biologiste évolutive néerlandaise intervenue au colloque (lire p.11).

Des larves de 380millions d’années

« L’évo-dévo est une nouvelle vision de la théorie de l’évolution », résume Richard Cloutier, paléontologue à l’université du Québec à Rimouski, venu pour un an au Caren(2), à Rennes. Ce chercheur s’intéresse aux mécanismes contrôlés par les gènes architectes, en étudiant des fossiles trouvés à l’est du Québec, en Gaspésie. Sur un site exceptionnel de trois kilomètres de falaises, « nous avons récupéré vingt espèces de poissons vieux de 380 millions d’années, au moment de l’apparition de la vie terrestre. Pour quatorze d’entre elles, nous avons reconstitué des séries de croissance complètes. De la larve jusqu’à des adultes de plus d’un mètre de longueur : c’est rare ! »

À partir de ces fossiles, il déduit l’ordre dans lequel les os apparaissent. Il cerne les blocs anatomiques élémentaires, qui composent le squelette (nageoire dorsale, liée à la nageoire anale, nageoire caudale...). « C’est comme reconstruire un poisson en Lego ! » Les briques sont mises en place grâce à l’information génétique. Chez l’eusthenopteron, un poisson fossile, la colonne vertébrale se développe, par exemple, vers l’avant... et vers l’arrière en même temps. Aujourd’hui, tous les vertébrés possèdent un gène qui code pour le développement dans une seule direction : ce gène serait donc apparu plus récemment.

Faire sauter les chaînons manquants

L’évo-dévo peut faire “sauter” les chaînons manquants. Ces stades intermédiaires, recherchés par les biologistes, confirment les liens entre des animaux aux formes différentes… Mais cette différence n’est parfois qu’apparente ! La morphologie étant modifiée par la seule mutation de quelques gènes : doubler le nombre de nageoires sur un poisson, par exemple, ne nécessite pas d’étape supplémentaire dans la lignée évolutive.

Pourquoi seulement cinq doigts ?

Mais l’évo-dévo montre aussi que des mutations avantageuses ne sont pas toujours conservées ! Pourquoi, par exemple, n’avons-nous que cinq doigts ? « On n’a jamais obtenu de doigts ni de membres sur-numéraires dans les lignées évolutives des vertébrés ou des reptiliens, alors que l’on pourrait en tirer parti pour nager ou s’accrocher aux branches plus facilement ! », explique Frietson Galis. Et pourquoi les girafes, malgré leur long cou, n’ont pas plus de vertèbres cervicales que nous ? « Tous les mammifères ont sept vertèbres cervicales. Parfois, la septième se mute en côte cervicale. Mais ce phénomène entraîne une mortalité importante chez les fœtus, et une augmentation des risques de cancer chez les très jeunes. »

La biologiste travaille en collaboration avec des pathologistes de l’hôpital de Leiden, aux Pays-Bas. L’apparition de doigts surnuméraires est parfois liée à la présence de côtes cervicales. « Des anomalies, qu’on pense innocentes, peuvent nous renseigner sur des conséquences beaucoup plus dangereuses. » Et si les mutations ne sont pas viables, elles ne se transmettent pas aux générations suivantes. Dans d’autres cas, lorsque les mutations apparaissent quand l’étape critique est passée, on peut avoir six doigts, six orteils ou une 33e dent... sans risque et sans conséquence sur le “plan de corps” général de l’espèce.

Des anomalies du développement

« Avec l’hôpital d’Amsterdam, poursuit Frietson Galis, nous avons commencé des investigations génétiques. Nous voulons comprendre quelles sont les portions d’ADN impliquées dans ces anomalies du développement. Nous travaillons aussi sur des maladies comme l’autisme, ou la schizophrénie, car nous pensons qu’elles peuvent être liées au développement. » Dans le futur, ces travaux pourraient aider à des diagnostics précoces.

Petites cellules, mais grands architectes

Chez tous les êtres vivants, l’embryon connaît une période de grands travaux, qui vont façonner l’organisme, extérieur et intérieur : c’est l’organogénèse.

Chez l’homme, elle a lieu entre la 5e et la 8e semaine de grossesse.

© DR

À partir de trois couches de cellules, les muscles, le squelette, les organes, la peau et le système nerveux vont se développer. Au cours de cette construction, des gènes architectes sont les maîtres d’œuvre ! Ils contrôlent la bonne mise en place, en envoyant des messages sous forme de mélanges de protéines. Chez les vertébrés, le plan d’organisation est orienté selon trois axes : de la tête aux pieds, de gauche à droite et d’avant en arrière.

Ce sont encore des gènes qui indiquent aux cellules naissantes qu’elles doivent former un doigt, mais pas un nez !
Ils activent le “GPS”, pour que chaque chose soit à sa place, dans le bon sens.
Bien avant la naissance, c’est une étape clé du développement.

Céline Duguey

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Céline Duguey et Nicolas Guillas

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