Biologie du développement et évolution

Colloque organisé par André Adoutte & Walter Gehring, du 7 au 13 mars 1998.

 

Participants

André Adoutte (Université de Paris-Sud-Orsay), Michael Akam (University Museum of Zoology, Cambridge, Great-Britain), Maria Ina Arnone (Stazione Zoologica A. Dohrn, Napoli), Guillaume Balavoine (University of Cambridge), Rosa Barrio (European Molecular Biology Laboratory (EMBL), Heidelberg), Jose Bayascas (University of Barcelona), Van Den Jo Biggelaar (Utrecht University), Marie-Anne Félix (Institut Jacques-Monod, Paris), Walter Gehring (Biozentrum, Universitât Basel), Sacha Glardon (Biozentrum, Universitât Basel), Jennifer Grenier (University of Wisconsin), Peter Holland (University of Reading), Roberto Di Lauro (Stazione Zoologica A. Dohrn, Napoli), Hans Lehrach (Max-Planck Institut für Molekular Genetik, Berlin), Sylvie Mazan (Université de Paris-Sud-Orsay), Lex A. J. Neberbragt (Utrecht University), Claus Nielsen (University of Copenhagen), Nipam Patel (University of Chicago), Albert Poustka (Max-Planck Institut für Molekular), Emili Salo (University of Barcelona), Diethard Tautz (Zoologisches Institut der Universitaet, München).

 

Résumé

Le contexte

A l’initiative de Walter Gehring (Bâle) et d’André Adoutte (Paris), la Fondation des Treilles a accueilli, du 7 au 13 mars 1998, vingt et un biologistes venus discuter des rela­tions entre biologie du développement et évolution (“Developmental Biology and Evolution”). Ce thème, un “clas­sique” de la biologie, s’est trouvé profondément renouvelé ces dernières années par l’identification de nombreux “gènes de développement” chez la drosophile, puis par la mise en évi­dence de leur extraordinaire degré de conservation évolutive chez l’ensemble des animaux. Il s’agissait donc de faire le point sur la manière dont les modifications génétiques affectant les gènes de développement au cours de l’évolution pourraient rendre compte de la diversification des plans d’organisation et de la morphologie des métazoaires.

La reproduction à l’identique, génération après génération, de la morphologie globale de chaque espèce avait, de longue date, fait penser que le processus devait être sous contrôle géné­tique. Mais l’identification des gènes mis en jeu est en fait récen­te. C’est C. Nusslein-Volhardt et E. Wieschaus qui, les premiers, dans les années soixante-dix, ont entrepris la recherche systé­matique, chez la drosophile, de gènes affectant toutes les étapes du développement précoce, de l’ceuf à la larve. Ils ont ainsi identifié une large collection de gènes dont le rôle va de l’éta­blissement des axes de l’oeuf à la subdivision progressive de celui-ci en segments préfigurant ceux de la mouche adulte. Le travail d’ E. Lewis avait établi par ailleurs que la destinée ulté­rieure de chacun des segments est déterminée par une deuxiè­me série de gènes remarquables dits “homéotiques”, car leurs mutations transforment un segment en un autre. Ces gènes sont regroupés sur le même chromosome en un complexe de gènes adjacents appelé “complexe Hox”. Walter Gehring et ses colla­borateurs devaient montrer, dans les années quatre-vingts, que toutes les protéines codées par ces gènes partagent une remar­quable similitude moléculaire : elles possèdent toutes une séquence de 60 acides aminés, “l’homéoboîte”, leur permettant d’interagir avec l’ADN et de régler ainsi l’activité d’autres gènes en aval. Ces gènes Hox sont donc des régulateurs de la trans­cription par l’intermédiaire de leur “homéoboîte”.

A la fin des années quatre-vingts, à la surprise générale, le même type de complexe de gènes Hox a été découvert chez les mammifères et, peu après, il a été démontré que ces gènes inter­venaient également dans la spécification de domaines le long de l’axe antéro-postérieur de la souris. Depuis, le complexe de gènes Hox a été retrouvé chez tous les animaux à symétrie bilatérale.

D’autres gènes de développement se sont également révélés être extraordinairement conservés sur le plan évolutif. Il s’agit en particulier des gènes responsables de toutes les cascades bio­chimiques qui règlent les interactions entre cellules et l’échange de signaux entre elles. Ces “modules” complexes et interactifs sont généralement constitués d’un élément produit par une cel­lule ou un type cellulaire (le “ligand”) et de la protéine qui inter­agit avec ce ligand (le “récepteur”) dans un autre type cellulai­re ; l’interaction ligand-récepteur entraîne une cascade de réac­tions biochimiques à l’intérieur des cellules-cibles qui se tradui­sent in fine par l’activation de gènes spécifiques. Ces modules sont souvent intégralement conservés entre organismes aussi distants que la drosophile, le nématode C. elegans et les mam­mifères (souris, homme…).

Un paradoxe a donc émergé : si les gènes de développement sont tellement conservés entre les différents phylums animaux, comment la diversification morphologique de ces phylums a-t-elle pu donc avoir lieu ? Mais la question inverse est aussi devenue brûlante : si l’on voit les mêmes gènes à l’oeuvre dans la réalisation d’un organe donné entre espèces très éloignées, cela implique-t-il que cet organe est homologue entre les deux espèces (c’est-à-dire, hérite, dans les deux lignées, d’un ancêtre commun qui le possédait déjà) ? Ou bien, peut-on imaginer que les systèmes génétiques correspondants aient été indépendam­ment “cooptés” pour réaliser la fonction dans les deux lignées ? La question classique de l’homologie en anatomie comparée se trouve ainsi réactualisée.

Dans ce contexte, nous avions demandé aux intervenants d’apporter leur éclairage à cinq questions.

  1. Quelle est l’étendue de la conservation évolutive de l’em­bryogenèse précoce ?
  2. Quelle a été l’origine et l’évolution des complexes ? Que peut-on en inférer sur leur rôle ancestral ?
  3. Qu’est-ce qu’un “gène maître” du développement (le para­digme du gène Pax6) ? A quel degré les processus clés du déve­loppement sont-ils conservés et sous la dépendance de tels gènes (formation des axes antéro-postérieur et dorso-ventral, céphalisation, différenciation des organes des sens, etc.) ? Que nous disent les gènes de développement sur l’homologie des organes dans lesquels ils s’expriment?
  4. Possède-t-on de bonnes corrélations entre des change­ments dans des gènes de développement (nombre, domaine d’expression, moment et intensité de l’expression, gènes cibles) et des changements dans les plans d’organisation des animaux ? Quelles relations entre micro et macro-évolution ?
  5. Enfin, quelles pourraient être les contributions des approches génomiques à ces questions ?

Nous résumons fortement ici l’essentiel des exposés présen­tés en renvoyant le lecteur intéressé aux publications complètes correspondantes lorsque celles-ci sont disponibles.

 

Compte rendu

Les exposés

Jo van den Biggelaar et Claus Nielsen ont ouvert le colloque par un rappel de données “classiques”, portant respectivement sur l’embryologie expérimentale et comparée des Spiralia (annélides, mollusques…), ainsi que sur la phylogénie des méta­zoaires et l’origine du système nerveux.

Jo van den Biggelaar (Utrecht) a souligné les similitudes et les différences dans le mode de formation des axes de l’embryon des Spiralia, puis dans la détermination de la lignée cellulaire qui donne naissance à tout le mésoderme (le fameux blasto­mère 4d). Les homologies semblent indubitables dans l’en­semble de ce vaste groupe (dont on sait par ailleurs qu’il est phylogénétiquement apparent). Elles pourraient même s’étendre jusqu’aux arthropodes, ce qui signifie qu’elles couvri­raient l’ensemble des protostomiens (van den Biggelaar et al., Cell. 0., Dev. Biol. 8 : 367378, 1997). En revanche, les deutéro­stomiens (échinodermes, prochordés et chordés) réalisent le clivage de l’oeuf et la détermination du mésoderme par des mécanismes très différents, selon van den Biggelaar.

Claus Nielsen (Copenhague) a repris son schéma de l’évolu­tion des métazoaires qui fait une large place aux bandes ciliaires présentes sur les larves et l’a développé pour présenter une nou­velle hypothèse sur l’origine du système nerveux des deutéro­stomiens. Il a expliqué comment les neurones associés à ces bandes ciliaires auraient pu donner naissance respectivement au cordon nerveux ventral des protostomiens et à la corde ner­veuse dorsale des deutérostomiens, respectivement à partir d’une larve trochophore et de l’hypothétique larve ancestrale des deutérostomiens, la dipleurula. Au cours de cet exposé, Nielsen a adopté le point de vue classique qui consiste à postu­ler des origines indépendantes pour les systèmes nerveux des proto et des deutérostomiens (même point de vue que dans l’exposé précédent sur le mésoderme). Toutefois, devant l’abondance de données indiquant que les mêmes réseaux de gènes interviennent dans la mise en place et dans la subdivision du cerveau de la drosophile (protostomien) et de la souris (deutérostomien), Nielsen, dans une publication récente (Dev. Genes Evol., 209: 198205, 1999), est revenu sur ce point de vue. Il présente désormais une hypothèse synthétique dans laquelle les systèmes nerveux des proto et des deutérostomiens ont une lointaine origine évolutive commune, à partir des bandes ciliaires des larves, leurs différences de disposition actuelle s’expliquant plutôt par le percement secondaire de la bouche chez les deutérostomiens.

Parallèlement à ces deux exposés, André Adoutte (Paris-Orsay) a résumé la nouvelle vision de la phylogénie des méta­zoaires déduite de l’analyse comparative de séquences de gènes purgées de leurs artefacts. Le point saillant, quoique encore mal accepté par la communauté des zoologistes, est la remontée de plusieurs phylums réputés “primitifs” en raison de leur simplici­té morphologique (nématodes, plathelminthes) vers des posi­tions beaucoup plus élevées dans l’arbre phylogénétique des métazoaires. La simplicité apparente de ces groupes pourrait donc être survenue secondairement. Par ailleurs, l’arbre phylo­génétique des métazoaires se réduit désormais à trois grandes branches pour les animaux à symétrie bilatérale (Bilatéria) : la branche des deutérostomiens, d’une part (échinodermes, pro­chordés et chordés, dont les vertébrés), et celle des protosto­miens, qui se subdivise elle-même en deux rameaux, celui des “lophotrochozoaires” (annélides, mollusques, brachiopodes, plathelminthes,…) et celui des “Ecdysozoaires” (arthropodes, nématodes, priapuliens…) (Adoutte et al, Trends Genet., 15 :104108, 1999). Cette nouvelle phylogénie amène à reconsidé­rer la fameuse “explosion cambrienne”, à savoir l’apparition quasi simultanée, en termes paléontologiques, de la plupart des phylums animaux à la base du cambrien, il y a environ 540 mil­lions d’années. Plutôt qu’une seule explosion, il y en aurait eu trois, donnant naissance aux trois branches de l’arbre des Bilatéria, à partir d’ancêtres déjà relativement complexes sur le plan génétique et en raison de facteurs externes (Balavoine &,Adoutte, Science, 280 : 397398, 1998).

Diethardt Tautz (Munich) a présenté les travaux extensifs de son équipe, visant à évaluer l’étendue de la conservation évo­lutive des mécanismes du développement précoce. L’équipe se concentre particulièrement sur la conservation évolutive des mécanismes de la segmentation, en partant du système géné­tique totalement disséqué de la drosophile pour aller progressi­vement de plus en plus loin au sein de la lignée des arthro­podes. Cette étude est d’autant plus importante que le mode très particulier de développement précoce de la drosophile, avec formation d’un syncitium de noyaux au sein duquel la délimitation des cellules s’opère tardivement, a pu faire penser que les gènes qui interviennent dans la segmentation de ce syn­citium seraient très particuliers à la drosophile. En fait, les tra­vaux de l’équipe de Tautz montrent qu’il n’en est rien. Utilisant un insecte plus “primitif”, Tribolium, qui forme ses segments de manière plus classique, par additions successives de tissus déjà cellularisés, Tautz montre que tous les gènes de segmentation identifiés chez la drosophile interviennent. Allant ensuite beau­coup plus loin sur le plan évolutif, chez les araignées, qui consti­tuent un groupe aussi distant des insectes ou plus encore que ne le sont les crustacés, Tautz montre que, dans plusieurs cas, les mêmes gènes de segmentation sont encore à l’oeuvre. Enfin, faisant le grand saut jusqu’aux deutérostomiens et choisissant même un vertébré, le poisson-zèbre, Tautz montre des expé­riences préliminaires indiquant que le gène de segmentation hairy, y interviendrait dans une fonction analogue à celle qu’il joue chez les arthropodes. Il s’agit là d’expériences spectacu­laires suggérant que l’ancêtre de tous les animaux à symétrie bilatérale pourrait avoir été segmenté.

Au cours d’un second exposé, plus tard dans le colloque, Tautz a décrit les travaux génétiques de son équipe, visant à comprendre comment le passage d’insectes à courte bande ger­minative, tels que Tribolium, à des insectes à longue bande ger­minative, tels que la drosophile, avait pu s’opérer. Le résultat le plus frappant de ces études est que seul un nombre restreint de changements génétiques semble être requis. Il apparaît en effet qu’une modification relativement discrète du promoteur du gène hunchback, l’une des cibles principales du gène bicoïd, lui-même responsable de la disposition de la bande germinative dans l’oeuf, suffit, en première analyse, pour rendre compte de la transition. Il s’agirait là d’un très bel exemple de modification majeure de l’embryogenèse due à un changement discret de régulation d’un seul gène (Wolff et al, Development, 18 : 3645- 3654, 1998).

Dans une veine similaire, mais chez de tout autres orga­nismes, les nématodes, Marie-Anne Félix (Paris) a montré tout le parti que l’on peut tirer de l’étude comparative du même pro­cessus de développement chez une série d’espèces voisines. La vulve se forme en effet par une série d’interactions cellulaires chez ces organismes, dont la base génétique a été entièrement décortiquée chez le nématode le mieux connu, Caenorhabditis elegans. Cependant, chez d’autres espèces de nématodes, ces processus d’induction sont légèrement ou radicalement diffé­rents ainsi qu’elle l’a établi (Félix. &Sternberg, Development, 124 : 253-259, 1997). La perspective est donc ouverte pour com­prendre, dans le détail, comment des modifications génétiques ont pu conduire à une modification du déroulement d’un pro­cessus de développement (Félix,/ Exp. Zool., 15:3-18, 1999).

Le second jour, Hans Lehrach (Berlin) a présenté de maniè­re détaillée les technologies lourdes, appuyées sur la robotisa­tion, que son laboratoire a développées pour étudier l’expres­sion de centaines, voire de milliers, de gènes simultanément. Il a ainsi illustré l’utilisation de filtres ordonnés à haute densi­té pour étudier l’expression de plusieurs milliers de gènes simultanément ou la réalisation de 50 000 réactions de PCR simultanées, ou bien encore l’utilisation de séquences définies d’oligonucléotides en petit nombre pour typer des milliers de gènes différents et évaluer le degré de redondance des banques génomiques ou d’ADNc. Parallèlement, le laboratoi­re a automatisé les procédures d’hybridation in situ sur des coupes d’organismes divers, et particulièrement chez la sou­ris. Là encore, des milliers d’ADNc différents sont passés en revue de manière systématique, 5 % d’entre eux donnant des profils intéressants. Des approches similaires à grande échelle sont également en cours au niveau protéique, telles que la réa­lisation des réactions de double-hybride sur filtres à haute den­sité. Albert Poustka (Berlin) a ensuite illustré l’utilisation de ces méthodes par l’étude des gènes exprimés lors du déve­loppement précoce de l’oursin, un modèle classique d’em­bryogenèse. La diversité totale des gènes exprimés a été éva­luée et leur regroupement en classes d’abondance réalisée.

Poursuivant la description de nouvelles technologies, Nipam Patel (Chicago) a fait le point sur les méthodes d’introduction d’ADN dans les cellules d’arthropodes basées sur l’utilisation de virus. De telles approches permettent de circonvenir l’absence de génétique chez les organismes en question et s’appliquent donc potentiellement au très grand nombre d’organismes qui ne sont pas des “modèles” de laboratoire. Patel a montré en par­ticulier les premiers résultats positifs obtenus par utilisation de baculovirus portant des gènes de segmentation chez divers insectes. Des rétrovirus modifiés entre autres par substitution de leur capside fonctionnent également et présentent un très large spectre d’hôtes.

L’après-midi du second jour, Walter Gehring a présenté une conférence de grande ampleur sur “la façon de faire un oeil”, récapitulant les travaux spectaculaires de son laboratoire au cours des dernières années et leurs implications évolutives. Gehring a d’abord retracé l’historique de la découverte de l’exis­tence de deux gènes, respectivement chez la drosophile (eye­less) et la souris (Pax6), dont les mutations entraînent l’absen­ce d’oeil puis la démonstration que ces deux gènes sont homo­logues et codent pour un facteur de transcription. Il a décrit ensuite l’expérience audacieuse qui a consisté à faire exprimer le gène eyeless dans différents disques imaginaux de la droso­phile, ce qui a conduit à l’apparition d’yeux bien constitués dans les organes correspondants de l’adulte, pattes, antennes, et autres ! De là, l’idée de “gène-maître”, c’est-à-dire un gène dont la seule expression entraîne la mise en route de tout un pro­gramme de développement, aboutissant à un organe bien proportionné, ici Gehring a ensuite décrit les premières données sur le réseau génétique dans lequel le gène eyeless est insé­ré chez la drosophile. Il s’agit en fait d’une cascade faisant inter­venir successivement le gène Otd, puis un gène issu d’une duplication récente d’eyeless, toy (Czerny et al, Mol Cell, 3 : 297- 307, 1999), puis eyeless lui-même, puis sine oculi et une série d’autres gènes aval (Haller et al, Development, 125 : 2181-2189, 1998). De manière spectaculaire, des homologues du gène eye­less ont été trouvés chez un nombre sans cesse croissant d’or­ganismes les plus divers et, chez tous, ils sont exprimés dans les yeux ou du moins dans ce qui leur tient d’équivalent, celles de divers invertébrés tels que les némertes ou les plathelminthes (Callaerts et al, Proc. Nati. Acad. Sci., 96 : 558-563, 1999), oeil complexe des céphalopodes (Tomarev et al, Proc. Nati Acad. Sci., 94 : 24212426, 1997), organe visuel des ascidies et de l’amphioxus, comme devait le montrer Sacha Glardon, du même laboratoire, pour ces derniers (Glardon et al, Development, 124: 817-825, 1997; Glardon et al, Development, 125 : 27012710, 1998). Ainsi, contrairement au point de vue classique qui veut que les yeux aient été “inventés” de nom­breuses fois de manière indépendante dans l’évolution, il semble bien qu’une machinerie génétique commune à tous les organes ayant fonction de photorécepteur soit apparue très tôt dans l’évolution et ait été réutilisée de diverses manières par la plupart des phylums animaux. Cette machinerie, sous sa forme initiale minimale, aurait pu être constituée d’une seule cellule photoréceptrice et d’un seul neurone, sous le contrôle d’eye­less/Pax6. Poursuivant sur ce thème, Gehring a présenté son modèle d’ “intercalation” au cours de l’évolution, processus par lequel des additions peuvent se faire dans une chaîne d’événe­ments génétiques par insertion entre deux étapes préexistantes. Il suffit pour cela que les promoteurs des gènes en question acquièrent des éléments les faisant passer sous le contrôle du même gène-maître. Ainsi pourrait s’expliquer sans trop de diffi­cultés l’accroissement de complexité des yeux au cours de l’évo­lution, l’un des problèmes les plus ardus auxquels aient eu à faire face les évolutionnistes depuis Darwin.

Au cours de la troisième journée, Roberto di Lauro (Naples) a décrit deux des axes qui se développent à la station zoolo­gique de Naples utilisant les ascidies comme système modèle. Ces organismes sont des procordés, proches parents des verté­brés dans l’évolution, et on espère donc y trouver des indices de l’origine de plusieurs organes spécifiques des vertébrés. Un premier exemple concerne la thyroïde des vertébrés, dont l’équipe de Naples confirme que l’homologue suspecté est bien l’endostyle des ascidies chez lequel les mêmes gènes clés de dif­férenciation que chez la souris sont exprimés. L’un des résultats nouveaux présentés concerne l’expression très précoce et très localisée au cours de l’embryogenèse d’un gène (DTF 1) jouant un rôle dans un processus tardif de différenciation de la thyroï­de. Cela ouvre la possibilité d’identifier les déterminants cyto­plasmiques présents dans cet oeuf prototypique du développe­ment “mosaïque” qui règlent la transcription de ce gène. Le second exemple concerne le complexe de gènes Hox que l’équipe a isolé quasi au complet, qui est présent en un seul exemplaire (quatre chez les vertébrés) et dont les gènes s’ex­priment en respectant la règle de colinéarité.

Ina Arnone, également de Naples, a décrit le travail exhaustif et élégant qu’elle a réalisé dans le laboratoire d’Eric Davidson à CalTech. Il s’agit d’une des “dissections de promoteurs” les plus poussées réalisées à ce jour, visant à identifier les éléments cis­régulateurs qui permettent l’expression d’un gène donné en un lieu et à un moment précis du développement embryonnaire. Après avoir décrit l’astucieuse méthode de couplage du promo­teur étudié au gène codant pour une protéine fluorescente, la GFP (Arnone et al, Development, 124: 46494659, 1977), Arnone a décrit en détail ses résultats sur le promoteur du gène codant une actine cytoplasmique à. expression spécifique (Cylla). A la diffé­rence d’autres gènes exprimés plus précocement, dont les pro­moteurs sont très complexes, tous les éléments régulateurs du gène Cylla tiennent dans une région de 450 paires de bases (Arnone et al, Development, 125: 13811395, 1998). De tels gènes seraient donc eux-mêmes soumis à des régulateurs dont la transcription est réglée de manière complexe.

Une approche quelque peu semblable a été présentée par Rosa Barrio (Heidelberg) qui a “disséqué” le promoteur du gène spalt de la drosophile, identifiant ainsi les différents modules qui permettent l’expression très précise du gène dans le disque imaginal de l’aile. Cette expression joue elle-même un rôle clé dans l’établissement du patron des nervures de l’aile. On peut aisément comprendre alors comment de légères altérations de ces éléments régulateurs peuvent donner naissance à des mor­phologies alaires diversifiées au cours de l’évolution (de Celis et al, Development, 126: 26532662, 1999).

Jose Bayascas et Emili Salo (Barcelone) ont récapitulé l’en­semble des travaux menés par leur équipe sur les planaires, ani­maux aux pouvoirs de régénération exceptionnels. Ils ont d’abord montré qu’un gène de type Otd, connu pour détermi­ner des portions du cerveau antérieur chez la drosophile et la souris, est présent chez ces organismes d’apparence très “simple” et que ce gène est activé de manière asymétrique chez les animaux en cours de régénération, l’activité étant maximale dans la future région antérieure (Stornaiulo et al, Int. J. Dev. Biol., 4 : 11531158). Puis ils ont résumé leurs données sur le complexe Hox des planaires et montré que ces gènes s’activent également de manière différentielle durant la régénération sug­gérant que, comme chez les autres animaux à symétrie bilaté­rale plus “complexes”, ces gènes pourraient être impliqués dans la définition de l’axe antéro-postérieur (Bayascas et al, Dey. Genes Evol., 208: 467473, 1998).

Une longue session consacrée au complexe Hox s’est ensui­te ouverte. Guillaume Balavoine (Cambridge) a reconstitué l’origine et la diversification du complexe sur la base de ses données sur les planaires et après une analyse approfondie de l’ensemble des complexes connus. La conclusion majeure est qu’un complexe Hox déjà très élaboré (de 8 à 10 gènes) exis­tait déjà chez l’ancêtre de tous les animaux à symétrie bilatérale (Balavoine, Am. Zool., 38 : 843-858, 1998). Contrairement à l’idée la plus répandue, il est donc possible que l’ancêtre des Bilatéria ait été un animal déjà assez complexe et, en tout cas, un animal au patrimoine génétique très riche. Ces résultats s’ac­cordent très bien avec la “nouvelle” phylogénie des métazoaires et lui apportent en fait un fort soutien.

Peter Holland (Reading) a apporté un élément nouveau de très grand intérêt à l’histoire évolutive du complexe Hox. Il a montré en effet que celui-ci avait subi une duplication complè­te à une époque précoce de son histoire, engendrant un deuxiè­me complexe appelé “ParaHox” que l’on retrouve chez bon nombre de Bilatéria, sinon tous. Fait encore plus frappant, ce complexe, sur la base de données d’expression de ses gènes chez l’amphioxus et les vertébrés, semble intervenir de maniè­re préférentielle dans l’organisation de l’endoderme (Brooke et al, Nature, 392 : 920922, 1998).

Jennifer Grenier (Madison) a ensuite décrit ses résultats récents sur le complexe d’un ver priapulien que la phylogénie place à la base de la branche des arthropodes. Leur complexe Hox s’avère effectivement très voisin de celui des arthropodes. Il présente par ailleurs la particularité de contenir deux gènes AbdB, une première chez les protostomiens.

Diethardt Tautz a décrit le complexe d’une araignée et a mon­tré son extraordinaire ressemblance avec celui des insectes. Il s’est ensuite étendu sur la caractérisation des gènes intervenant dans les segments de la tête, montrant que l’on résoud ainsi de très anciens problèmes d’anatomie comparée entre chélicérates et insectes en établissant une homologie parfaite entre leurs seg­ments antérieurs (Damen et al, Proc. Natl. Acad. Sci., 95 : 10665­10670, 1998). Cela apporte un fort argument supplémentaire en faveur de la monophylie des arthropodes. 

Il est tout à fait remarquable, comme indiqué plus haut, qu’un bon nombre de ces gènes qui interviennent pour établir le patron du cerveau des arthropodes soient retrouvés au niveau du cerveau des vertébrés. Sylvie Mazan (Paris-Orsay) a récapitulé ces données en portant une attention particulière aux gènes Otx qu’elle étudie chez toute une série de “craniates” (ver­tébrés et leurs ancêtres immédiats sans vertèbres). Elle a retracé en particulier l’histoire de la duplication de ce gène et la diver­sification fonctionnelle qui en est résultée, bel exemple de spé­cialisation de fonction après duplication chez les vertébrés.

Nipam Patel a ensuite décrit la série de travaux qu’il mène depuis plusieurs années visant à établir une corrélation entre l’étendue des domaines dans lesquels se déploient les gènes Hox chez les arthropodes et l’évolution de leur plan d’organisation. Pour cela, quittant les insectes, il s’est interessé aux crus­tacés en collaboration avec Michalis Averof (qui n’a pu assister au colloque). Le résultat le plus net concerne une série d’es­pèces de crustacés qui présentent toute une gradation dans la transformation de leurs appendices thoraciques. Il montre que le segment au niveau duquel ces transformations apparaissent chez les différentes espèces est en parfaite corrélation avec la frontière d’expression du gène Ubx (Averof G, Patel, Nature, 388: 682686, 1997), établissant ainsi la première relation nette entre une évolution du plan d’organisation et les domaines d’expression de gènes homéotiques.

Michael Akam (Cambridge) a présenté une importante contribution visant à réconcilier le rôle à grande échelle des gènes Hox dans la détermination globale des segments de la drosophile, avec leur fonction de “micromanagers” réglant des détails morphologiques au sein de ces segments. L’enjeu est considérable puisqu’il vise à rapprocher la “macroévolution”, difficile à conceptualiser, de la microévolution, plus appréhen­dable aux évolutionnistes. Akam, résumant les résultats de son laboratoire (Castelli-Gair, Int. j Dey. Biol., 42 : 437-444, 1998; Stem, Nature, 396: 463-466, 1998), a ainsi montré que les gènes homéotiques n’agissent pas seulement comme des com­mutateurs binaires entraînant des conséquences en tout ou en rien. Au contraire, une série d’expériences élégantes montre qu’ils exercent des effets sur la micromorphologie des seg­ments, que ces effets sont modulables au cours de l’évolution par modification des promoteurs de ces gènes et que la régula­tion fine de ces gènes, tant sur le plan de la quantité que du moment où ils sont exprimés, génère ces différences morpho­logiques de détail. C’est donc toute notre vision de leur rôle et de leur évolution qui doit être reconsidérée (voir aussi Akam, Cur. Biol., 8 : R 676R 678, 1998).

Lex Neberbragt (Utrecht), le plus jeune des participants, a eu le redoutable privilège de clore le colloque, tâche difficile dont il s’est acquitté en présentant un exposé théorique sur les rela­tions entre développement et évolution, et les relations de ces processus avec la théorie des équilibres ponctués.

Un bilan

Ce colloque, d’une rare intensité, se situait â une phase d’ébullition de la discipline nouvelle que constitue l’étude de l’évolution du développement. Ce champ implique en effet l’intégration des progrès extraordinaires qui sont faits chez divers organismes modèles dans la compréhension des mécanismes fondamentaux du développement et de leur base génétique avec les révisions massives en cours de nos schémas de l’his­toire évolutive des animaux. Plusieurs données nouvelles majeures y ont été rapportées ou synthétisées. Le temps n’est pas encore venu où l’on pourra décrire par le menu les change­ments génétiques qui ont sous-tendu la diversification évolutive des métazoaires, mais le sentiment général est que l’objectif se rapproche, du moins dans plusieurs systèmes modèles.

Plusieurs principes généraux émergent en effet. Le premier concerne l’ampleur du processus de bricolage génétique, pour reprendre le terme forgé par François Jacob. Plutôt que d’in­venter des gènes de novo, ce qui paraîtrait d’ailleurs bien diffici­le, les organismes utilisent une gamme de processus, d’abord pour dupliquer des gènes existants, mais aussi pour rabouter des gènes ou des morceaux de gènes préexistants et créer ainsi une panoplie de fonctions nouvelles. Plus encore, les résultats récents montrent l’ampleur, la relative facilité et l’importance des bricolages qui ont affecté les promoteurs des gènes. On peut ainsi, à moindre frais, changer la quantité de produit d’un gène, le lieu de son expression ou le moment de son expression. On peut aussi aisément coopter ce gène dans une voie nouvelle en insérant dans son promoteur une courte séquence reconnue par un régulateur transcriptionnel propre à cette voie. Il appa­raît d’ores et déjà que ces divers mécanismes sont à l’oeuvre, dans le cas des gènes Hox, ainsi que l’ont résumé Gellon et McGinnis (BioEssays, 20 : 116125, 1998) : tôt dans l’évolution des métazoaires, il y a eu genèse des gènes du complexe par des duplications successives. Plus tard, des mutations dans les promoteurs de ces gènes ont modifié les domaines du corps dans lesquels ils s’expriment. A l’intérieur de groupes taxono­miques encore plus restreints, des mutations à effet plus res­treint dans les promoteurs ont changé le détail du déploiement des gènes Hox au sein de segments différents. Enfin, à un niveau taxonomique encore plus fin, des mutations dans les promoteurs des gènes cibles des gènes Hox ont pu changer le détail de la morphologie des organes contrôlés par ces gènes.

L’atmosphère si particulière des Treilles a permis, une nou­velle fois, d’aller plus au fond des questions qu’on ne le fait nulle part ailleurs. Que tous soient remerciés pour ces moments d’exception.



Citer ce billet
ldiebold (1998, 4 mars). Biologie du développement et évolution. Les carnets de la Fondation des Treilles. Consulté le 29 mai 2024, à l’adresse https://doi.org/10.58079/quu0

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