Ethan Bier est professeur de biologie cellulaire et du développement à l'Université de Californie à San Diego. Cette histoire figurait à l'origine sur La conversation.
Pourquoi les humains ressemblent-ils à des humains plutôt qu'à des chimpanzés ? Bien que nous partagions 99 % de notre ADN avec les chimpanzés, nos visages et nos corps sont très différents les uns des autres.
Alors que la forme et l'apparence du corps humain ont clairement changé au cours de l'évolution, certains des gènes qui contrôlent les caractéristiques déterminantes de différentes espèces ne l'ont étonnamment pas changé. En tant que biologiste étudiant l'évolution et le développement, j'ai consacré de nombreuses années à réfléchir à la façon dont les gènes font réellement ressembler les gens et les autres animaux à leur apparence.
De nouvelles recherches de mon laboratoire sur le fonctionnement de ces gènes ont permis de mieux comprendre comment des gènes qui sont restés inchangés pendant des centaines de milliers d'années peuvent encore modifier l'apparence de différentes espèces à mesure qu'elles évoluent.
En biologie, un plan corporel décrit comment le corps d'un animal est organisé de la tête aux pieds ou à la queue. Tous les animaux à symétrie bilatérale, ce qui signifie que leurs côtés gauche et droit sont des images miroir, partagent des plans corporels similaires. Par exemple, la tête se forme à l'extrémité antérieure, les membres se forment au milieu du corps et la queue se forme à l'extrémité postérieure.
Les gènes Hox jouent un rôle important dans la mise en place de ce plan corporel. Ce groupe de gènes est un sous-ensemble de gènes impliqués dans le développement anatomique appelés gènes homéobox. Ils agissent comme un système GPS génétique, déterminant en quoi chaque segment du corps se transformera au cours du développement. Ils veillent à ce que vos membres poussent à partir de votre torse plutôt qu'à partir de votre tête en contrôlant d'autres gènes qui commandent la formation de parties spécifiques du corps.
Tous les animaux ont des gènes Hox et les expriment dans des régions corporelles similaires. De plus, ces gènes n'ont pas changé au cours de l'histoire de l'évolution. Comment ces gènes peuvent-ils rester aussi stables sur de si vastes périodes d'évolution, tout en jouant un rôle aussi central dans le développement animal ?
En 1990, le biologiste moléculaire William McGinnis et son équipe de recherche se sont demandé si les gènes Hox d'une espèce pouvaient fonctionner de manière similaire chez une autre espèce. Après tout, ces gènes sont actifs dans des régions corporelles similaires chez des animaux allant des mouches des fruits aux humains et aux souris.
C'était une idée audacieuse. Par analogie, considérons les voitures :la plupart des pièces automobiles ne sont généralement pas interchangeables entre différentes marques. La première automobile n'a été inventée qu'il y a environ 100 ans. Comparez cela aux mouches et aux mammifères, dont le dernier ancêtre commun a vécu il y a plus de 500 millions d'années. Il était pratiquement impensable que l'échange de gènes d'espèces différentes qui divergeaient les uns des autres sur une si longue période de temps puisse fonctionner.
Néanmoins, McGinnis et son équipe ont poursuivi leur expérience et ont inséré des gènes Hox de souris ou humains dans des mouches des fruits. Ils ont ensuite activé les gènes dans les mauvaises zones correspondantes du corps, par exemple en plaçant le gène Hox qui indique à une jambe humaine où se développer tout à l'avant de la tête d'une mouche des fruits. Une partie du corps mal placée indiquerait que les gènes Hox de la souris ou de l'homme fonctionnaient comme les propres gènes de la mouche des fruits.
Remarquablement, les gènes Hox de la souris et de l'homme ont transformé les antennes de la mouche des fruits en pattes. Cela signifiait que les informations de position fournies par les gènes humains et de souris étaient toujours reconnues chez la mouche, des millions d'années plus tard.
La grande question suivante était donc de savoir comment ces gènes Hox déterminent exactement l'identité des différentes régions du corps ?
Il y a eu deux écoles de pensée sur le fonctionnement des gènes Hox. La première, appelée hypothèse instructive, propose que ces gènes contrôlant la forme fonctionnent comme des gènes régulateurs "maîtres" qui fournissent au corps des instructions sur la façon de développer différentes parties du corps.
La seconde, proposée par McGinnis, émet l'hypothèse que les gènes Hox fournissent plutôt un code positionnel qui marque des emplacements particuliers dans le corps. Les gènes peuvent utiliser ces codes pour produire des structures corporelles spécifiques à ces endroits. Au cours de l'évolution, des parties spécifiques du corps passent sous le contrôle d'un gène Hox spécifique d'une manière qui maximiserait au mieux la survie de l'organisme. C'est pourquoi les mouches développent des antennes plutôt que des pattes sur la tête, et les humains ont des clavicules en dessous au lieu d'au-dessus de leur cou.
Dans une étude récente publiée dans la revue Science Advances , un mentoré de McGinnis et moi-même, Ankush Auradkar, met ces hypothèses à l'épreuve sur les mouches des fruits.
Auradkar s'est concentré sur un gène Hox de mouche des fruits appelé proboscipedia (pb ), qui dirige la formation des pièces buccales de la mouche. Il a utilisé l'édition du génome basée sur CRISPR pour remplacer le pb gène de la variété de laboratoire commune de la mouche des fruits, Drosophila melanogaster , ou D. mel pour faire court, avec sa cousine hawaïenne, Drosophila mimica ou D. mim . Si l'hypothèse instructive était correcte, D. mel formerait D. mim pièces buccales en forme de gril. Inversement, si l'hypothèse de McGinnis était correcte, D. mel les pièces buccales de doivent rester les mêmes.
Comme McGinnis l'avait prédit, les mouches avec le D. mim les gènes ne se sont pas développés D. mim caractéristiques de type gril. Il y avait une caractéristique de D. mim 's, cependant, qui se sont faufilés :des organes sensoriels appelés palpes maxillaires qui dépassent généralement du visage pour D. mel étaient plutôt alignés parallèlement à la bouche. Cela a montré que le pb Le gène a fourni à la fois un marqueur indiquant où la bouche devrait se former ainsi que des instructions sur la façon de la former. Bien que le résultat principal ait favorisé la théorie de McGinnis, les deux hypothèses étaient largement correctes.
Auradkar se demandait aussi comment le pb gène déterminé l'orientation des palpes maxillaires. Il aurait pu le faire en modifiant la protéine qu'il code, qui exécute les instructions données par le gène. Ou cela aurait pu changer la façon dont il contrôle d'autres gènes, agissant comme un interrupteur qui détermine quand et où les gènes sont activés. Grâce à d'autres tests, il a découvert que ce D. mim fonction résultait de la modification de la force du pb le gène s'active dans les régions qui forment les palpes, par opposition aux changements dans la protéine elle-même. Cette découverte met une fois de plus en évidence la préservation remarquable de la fonction de la protéine Hox au cours de l'évolution :le matériel génétique a fonctionné aussi bien chez une espèce que chez l'autre.
Auradkar a également découvert que les gènes Hox s'engagent dans un bras de fer évolutif les uns avec les autres. Un gène Hox peut devenir plus dominant qu'un autre et déterminer quelles caractéristiques se formeront finalement dans une espèce.
Ces expériences ont montré que même des changements subtils dans la façon dont les gènes Hox interagissent les uns avec les autres peuvent avoir des conséquences importantes sur la forme du corps d'un organisme.
Que signifient ces études sur les mouches pour les gens ?
Premièrement, ils ouvrent une fenêtre sur la façon dont les plans corporels des différentes espèces changent au cours de l'évolution. Comprendre comment les gènes Hox peuvent manipuler le développement des animaux pour favoriser leur survie pourrait élucider pourquoi les animaux ont cette apparence. Des mécanismes similaires pourraient expliquer pourquoi les humains ne ressemblent plus à des chimpanzés.
Deuxièmement, ces connaissances peuvent conduire à une meilleure compréhension de la façon dont les malformations congénitales congénitales surviennent chez les personnes. Les changements ou mutations qui perturbent le fonctionnement normal des gènes Hox pourraient entraîner des affections telles que la fente labiale ou une cardiopathie congénitale. De nouvelles thérapies à l'horizon utilisant l'édition du génome basée sur CRISPR pourraient être utilisées pour traiter ces conditions souvent débilitantes, y compris la dystrophie musculaire.
