Les clés génomiques de l'origine des vertébrés

En rassemblant des données génomiques, épigénomiques et fonctionnelles, des chercheurs français et espagnols démontrent que la complexification et la spécialisation de la régulation des gènes ont été centrales pour l'émergence des vertébrés. Ces travaux fournissent également des informations sur les changements ayant entraîné l'évolution vers une plus grande complexité chez les vertébrés.

Les vertébrés, groupe animal auquel appartient l'espèce humaine, sont extrêmement divers et ont colonisé pratiquement tous les écosystèmes de la planète. Depuis de nombreuses années, la question se pose de savoir quels changements dans le génome de nos ancêtres ont pu contribuer au succès évolutif des vertébrés. Les chercheurs viennent de décrire les processus qui ont rendu possible la diversité des fonctions et de la régulation des gènes pendant la transition des invertébrés aux vertébrés.

Les vertébrés partagent un ensemble de systèmes de régulation des gènes qui est unique, ce qui permet à l'information contenue dans notre génome de donner naissance à une multitude de fonctions et, par conséquent, nous avons des centaines de cellules, tissus et organes spécialisés. En faisant une analyse exhaustive de la régulation génomique de différentes espèces, les chercheurs ont trouvé deux différences-clés. Premièrement, ils ont observé qu'en général les gènes des vertébrés ont une régulation beaucoup plus complexe que ceux des invertébrés. Deuxièmement, des gènes qui, à l'origine, ne remplissaient que des fonctions très générales se sont spécialisés chez les vertébrés, dans des fonctions beaucoup plus spécifiques, en particulier dans le cerveau.


Les scientifiques ont étudié les génomes de plusieurs espèces de vertébrés, comme le poisson zèbre et le poisson médaka, ainsi que la grenouille, le poulet, la souris et l'homme. Cependant, pour comprendre l'origine des mécanismes de régulation génomique caractéristiques des vertébrés, il fallait les comparer avec les données d'une espèce étroitement apparentée (l'amphioxus) pour éclairer la transition entre invertébrés et vertébrés. Les chercheurs ont ainsi séquencé le génome de l'amphioxus et produit les données nécessaires pour étudier la régulation de ses gènes. L'amphioxus est un organisme qui est utilisé comme modèle de recherche depuis le XIXe siècle. Son génome a évolué très lentement et, n'ayant pas subi les duplications qui se sont produites dans l'histoire évolutive des vertébrés il sert de référence dans les comparaisons évolutives pour comprendre l'origine de notre lignée.

Ces travaux, qui viennent d'être publiés dans la revue Nature, permettent non seulement de comparer les génomes, mais aussi de recueillir des données épigénomiques et d'expression génique apportant des informations uniques sur les changements fonctionnels qui ont entraîné une complexification accrue chez les vertébrés. Les scientifiques démontrent que, alors que la régulation des gènes responsables de l'anatomie de base est très conservée entre les espèces, les vertébrés ont incorporé davantage de régions régulatrices qui leur permettent d'acquérir de nouvelles fonctions. A l'instar des études menées chez l'homme, cette étude comparative entre plusieurs vertébrés et amphioxus, nous donne un aperçu des différentes couches régulatrices du génome et décrit en détail l'origine des caractéristiques spécifiques de la régulation génomique des vertébrés, ce qui a donné naissance à des organismes à la morphologie beaucoup plus complexe.

Ces résultats illustrent comment les duplications génomiques à l'origine des vertébrés ont contribué à la diversification des fonctions des gènes. et montrent que, dans la plupart des cas, il existe des copies de gènes dont la fonction se spécialise dans des tissus spécifiques. C'est particulièrement évident dans le cerveau, où de nouvelles fonctions essentielles au succès évolutif des vertébrés ont été incorporées.

Ces travaux, auxquels ont participé des laboratoires en France, en Espagne, au Royaume-Uni, en Australie, en République tchèque, aux Pays-Bas, au Japon, en Chine, au Portugal, en Italie, à Taiwan, en Norvège et aux États-Unis, constituent une ressource importante qui servira à la fois à approfondir les éléments de génomique fonctionnelle conservés entre espèces et à étudier les changements qui ont donné naissance à la complexité des vertébrés.