Pour un groupe de petits animaux aquatiques appelés hydres, la décapitation est plus un inconvénient qu'autre chose. Grâce aux incroyables capacités de régénération des créatures, cela n'a pas besoin d'être fatal.
Les processus qui régissent la façon dont les hydres parviennent à faire repousser leur tête sont cependant restés mystérieux. Dans l'espoir de comprendre les fondements génétiques de cet exploit, les scientifiques ont examiné de près quels gènes sont activés et désactivés pendant la régénération et comment ils sont contrôlés.
« Nous voulions savoir… ce qui se passe au niveau du génome qui dit à ces cellules de croître ou d'arrêter de croître, et comment cela se compare-t-il au développement normal ? dit Aide Macias-Muñoz, un biologiste de l'évolution à l'Université de Californie, Santa Barbara, qui a entrepris la recherche alors qu'il était à l'Université de Californie, Irvine.
Elle et ses collègues ont trouvé des différences clés dans la croissance de la tête pendant la régénération et le bourgeonnement, la forme de reproduction asexuée utilisée par l'hydre et certains autres animaux tels que les coraux. L'équipe a également noté que certains des mécanismes impliqués dans la régénération de l'hydre sont similaires à ceux qui contrôlent le développement chez d'autres animaux. Cela pourrait signifier que ces « outils de développement » ont une histoire ancienne au sein du règne animal, explique Macias-Muñoz, qui a publié les résultats le 8 décembre dans la revue Genome Biology and Evolution. .
L'hydre appartient à un groupe plus large d'invertébrés appelés cnidaires, qui comprend également des anémones de mer, des coraux et des méduses. Leurs corps simples ont une forme tubulaire avec la pièce buccale et les tentacules à une extrémité, et un "pied" qui se fixe à la roche environnante ou à une autre surface solide à l'autre.
Certains animaux comme les lézards et les salamandres peuvent faire repousser des membres perdus. Mais l'hydre, ainsi que certains vers et autres animaux, poussent la régénération à l'extrême. Près de leurs pièces buccales, les hydres ont un groupe de 50 à 300 cellules appelé l'organisateur de la tête; comme son nom l'indique, il dirige le développement de la tête. Si une hydre est décapitée, un nouvel organisateur peut se former et inciter l'animal à repousser sa tête. Pendant ce temps, la tête qui a été coupée repoussera parfois la partie inférieure de son corps.
Les scientifiques ont également réussi à greffer des têtes d'hydres sur les corps décapités d'autres hydres. Et si une hydre est déchirée en petits amas de cellules, ces amas qui incluent des cellules organisatrices de la tête repousseront un corps complet, dit Macias-Muñoz.
Elle et son équipe ont cherché à savoir si les hydres suivaient des instructions similaires pour construire leur tête pendant la régénération et le bourgeonnement (dans lequel l'animal fait pousser un petit bourgeon qui finit par se détacher pour former une toute nouvelle hydre). Ils ont analysé des échantillons de tissus prélevés sur des hydres subissant les deux processus et ont identifié 298 gènes exprimés différemment lors de la régénération de la tête et du bourgeonnement. Ceux-ci comprenaient des gènes précédemment liés à la formation de l'organisateur de la tête chez l'hydre, ainsi que des gènes impliqués dans le processus de régénération chez d'autres animaux.
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"La régénération et le bourgeonnement, même si vous obtenez le même résultat, suivent des trajectoires différentes", explique Macias-Muñoz.
Elle et ses collègues ont également examiné les mécanismes qui contrôlent si les instructions de ces gènes sont exécutées pendant la régénération. Ils se sont concentrés sur la chromatine des animaux, un matériel génétique compact composé d'ADN et de protéines. Lorsqu'une étendue de chromatine est «fermée», des protéines appelées histones la maintiennent enveloppée afin que l'ADN qu'elle contient ne puisse pas être lu; lorsque la chromatine est "ouverte", d'autres protéines peuvent se lier à l'ADN et le transcrire.
"Certaines zones de la chromatine sont ouvertes à certains moments de la régénération, et à d'autres moments, elles sont fermées", explique Macias-Muñoz. "Donc, ce n'est pas seulement que les gènes sont activés et désactivés, c'est aussi que ce changement de la chromatine ouverte ou fermée aide à réguler l'expression de ces gènes importants pour la régénération."
Les chercheurs ont également identifié des régions de la chromatine connues pour lier des protéines qui jouent un rôle important dans le développement de différentes espèces animales. Cela suggère qu'une partie de la machinerie génétique sous-jacente à la régénération a évolué avant que les cnidaires ne se séparent des ancêtres d'animaux plus «complexes» tels que les humains, explique Macias-Muñoz.
Les résultats soulèvent une question intrigante, dit-elle. La régénération des tissus fonctionne-t-elle de manière très similaire chez l'hydre et les autres animaux ? Ou est-ce que des animaux tels que les lézards et les salamandres "recâblent" les gènes du développement de manière unique et différente pour obtenir un effet similaire à celui de l'hydre ?
À l'avenir, Macias-Muñoz explorera comment les gènes et les processus de contrôle qu'elle et son équipe ont identifiés interagissent. "La prochaine étape serait de les tester fonctionnellement et de vérifier qu'ils font quelque chose dans la régénération", dit-elle.
Étudier le fonctionnement de la régénération dans des organismes simples comme l'hydre, et sa similitude avec les processus d'autres animaux, pourrait potentiellement permettre de mieux comprendre comment le développement tourne mal chez l'homme.
"L'étude de l'hydre nous donne juste un aperçu fondamental de ce que les cellules peuvent faire et quels sont les mécanismes au niveau des gènes", explique Macias-Muñoz. "Si nous pouvons comprendre comment les perturber ou réparer la perturbation dans d'autres organismes, alors peut-être pourrions-nous commencer à réfléchir à la façon dont ces perturbations qui se produisent et provoquent des maladies peuvent être... traitées différemment."
