Comment les patins ont appris à voler dans l’eau

Des scientifiques du Max Delbrück Center à Berlin, du Centre andalou de biologie du développement (CABD) à Séville et d’autres laboratoires aux États-Unis ont découvert comment la raie a fait évoluer ces nageoires en forme de cape en examinant leur ADN. Ils ont découvert que la clé de l’évolution des nageoires de patin ne réside pas dans les régions codantes de son génome, mais plutôt dans les bits non codants et les complexes tridimensionnels dans lesquels il se replie. Ces structures 3D sont appelées “domaines topologiquement associés” (TAD).

L’équipe internationale décrit dans Nature que les changements génomiques qui modifient les TAD peuvent conduire l’évolution. Jusqu’à récemment, l’évolution du génome était principalement axée sur l’étude de la variation au niveau de la séquence d’ADN, mais pas dans les structures génomiques 3D. “C’est une nouvelle façon de penser à la façon dont les génomes évoluent”, explique le Dr Darío Lupiáñez, généticien au Centre Max Delbrück et l’un des principaux auteurs de l’étude.

“Bien que nous ayons découvert il y a quelque temps que des modèles d’expression génique uniques établissent des nageoires de patin exceptionnellement larges, les changements réglementaires sous-jacents dans le génome étaient auparavant inconnus”, explique le co-auteur, le Dr Tetsuya Nakamura, biologiste du développement à l’Université Rutgers.

Il y a plus de 450 millions d’années, le génome d’un poisson primitif – l’ancêtre de tous les animaux vertébrés – s’est dupliqué deux fois. L’expansion du matériel génétique a entraîné l’évolution rapide de plus de 60 000 vertébrés, y compris les humains. L’un de nos parents vertébrés les plus éloignés sont les petits patins (Leucoraja erinacea), qui appartiennent à une lignée de poissons cartilagineux comprenant des requins et des raies. Ces cousins ​​éloignés sont des organismes idéaux pour en apprendre davantage sur l’évolution des traits qui ont fait de nous des humains, comme les appendices appariés. “Les raies sont des poissons cartilagineux appelés Chondrichtyens. Ils sont considérés comme plus similaires aux vertébrés ancestraux”, explique le Dr Christina Paliou, biologiste du développement au CABD et l’un des premiers auteurs. “Nous pouvons comparer les caractéristiques des raies avec d’autres espèces et déterminer ce qui est nouveau et ce qui est ancestral.”

Une époque passionnante pour la génomique évolutive

En 2017, le regretté Dr José Luis Gómez-Skarmeta du CABD, figure fondatrice de la génomique évolutive, a réuni des scientifiques du monde entier pour étudier l’évolution du patin : des laboratoires ayant une expertise en évolution du génome comme le laboratoire Ferdinand Marlétaz du Collège universitaire Laboratoire de Londres et Daniel Rokhsar à l’Université de Californie-Berkeley, en biologie du skate comme le laboratoire Neil Shubin à l’Université de Chicago, où se trouvait alors Tetsuya Nakamura (maintenant à Rutgers) et en régulation des gènes 3D comme Juan Tena au CABD , les laboratoires Darío Lupiáñez et Gómez-Skarmeta, ainsi que d’autres collaborateurs. Gómez-Skarmeta était intéressé à apprendre comment les génomes évoluent structurellement et fonctionnellement pour favoriser l’apparition de nouveaux traits. “Dans une large mesure, l’évolution est l’histoire de la modification de la régulation de l’expression des gènes au cours du développement”, a-t-il déclaré en 2018.

C’était une époque passionnante pour la génomique évolutive. Les technologies de séquençage du génome se sont considérablement améliorées et les scientifiques ont pu obtenir de nouvelles informations sur la façon dont l’ADN, qui s’étend sur quelques mètres de bout en bout, est replié dans un noyau cellulaire de 0,002 pouce de diamètre. “L’emballage de l’ADN dans le noyau est loin d’être aléatoire”, explique Lupiáñez. L’ADN se replie en structures 3D appelées TAD, qui contiennent des gènes et leurs séquences régulatrices. Ces structures 3D garantissent que les gènes appropriés sont activés et désactivés au bon moment, dans les bonnes cellules.

Le Dr Rafael Acemel, généticien au Centre Max Delbrück et l’un des premiers auteurs, a réalisé des expériences utilisant la technologie Hi-C, pour élucider la structure 3D des TAD. Mais l’interprétation des résultats était difficile au début car les scientifiques avaient besoin du génome complet du patin comme point de référence. “À l’époque, la référence consistait en des milliers de petits morceaux de séquence d’ADN non ordonnés, ce qui n’a pas aidé”, explique Acamel.

Pour surmonter cette difficulté, les scientifiques ont utilisé la technologie de séquençage à lecture longue, ainsi que les données Hi-C, pour assembler les pièces de l’ADN comme un puzzle et attribuer les séquences non ordonnées aux chromosomes de skate. Avec la nouvelle référence, l’assemblage de la structure 3D des TAD à l’aide de Hi-C est devenu trivial.

Ils ont comparé ce génome de raie amélioré avec les génomes des parents les plus proches, les requins, pour identifier tout TAD modifié au cours de l’évolution de la raie. Ces TAD modifiés comprenaient des gènes de la Wnt/PCP voie, qui est importante pour le développement des nageoires. Il y avait aussi une variation propre au patin dans une séquence non codante près du Hox gènes, qui régulent également le développement des nageoires. “Cette séquence spécifique peut activer plusieurs Hox des gènes dans la partie avant des nageoires, ce qui ne se produit pas chez d’autres poissons ou animaux à quatre pattes », explique Paliou. Par la suite, les scientifiques ont effectué des expériences fonctionnelles qui ont confirmé que ces changements moléculaires ont aidé les raies à faire évoluer leurs nageoires uniques.

Les TAD sont le moteur de l’évolution

Des recherches antérieures ont montré que des changements dans les TAD peuvent affecter l’expression des gènes et provoquer des maladies chez l’homme. Dans cette étude, les scientifiques montrent un rôle des TAD dans la conduite de l’évolution qui a également été noté précédemment pour les taupes.

Après que l’ancêtre du poisson primitif a dupliqué son génome, de nombreuses parties inutilisées et redondantes ont ensuite été perdues. “Ce ne sont pas seulement les gènes qui ont disparu, mais aussi les éléments régulateurs associés et les TAD dans lesquels ils sont contenus”, explique Lupiáñez. “Je pense que c’est une découverte passionnante car elle suggère que la structure 3D du génome a une influence sur son évolution.”

Les TAD sont importants pour la régulation des gènes, 40% d’entre eux sont conservés chez tous les vertébrés, explique Acemel. “Cependant, 60 % des TAD ont évolué d’une manière ou d’une autre. Quelles ont été les conséquences de ces changements sur l’évolution des espèces ? Je pense que nous ne faisons qu’effleurer la surface de ce phénomène passionnant”, déclare Acemel.

Ce mécanisme d’évolution contraint par les TAD pourrait être répandu dans la nature. “Nous soupçonnons que ces mécanismes pourraient expliquer de nombreux autres phénotypes intéressants que nous observons dans la nature”, déclare Lupiáñez. “En ajoutant ces nouvelles couches d’expression génique, de régulation génique et d’organisation de la chromatine 3D, le domaine de la génomique évolutive entre dans une nouvelle ère de découverte.”