Les organismes évoluent à des vitesses différentes en fonction de leur composition cellulaire.
Les scientifiques ont découvert que deux types de vers qui se sont séparés au cours de l’évolution il y a 20 millions d’années présentent encore des schémas d’activation et de silençage génétiques remarquablement cohérents, Ces résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue scientifique Science.
Dr. Waterston, co-chercheur principal et président de la chaire des sciences du génome de l’UW, s’est dit étonné : « Maintenir une régulation génétique aussi coordonnée sur 20 millions d’années de divergence est extraordinaire. La cohérence que nous avons observée était vraiment remarquable.”
Les gènes pan-tissulaires présentent une résilience évolutive
Selon Waterston, ces modèles de régulation génétique ont montré une préservation évolutive – ce que les scientifiques appellent « conservée » – en particulier lorsque des altérations influenceraient de nombreuses catégories de cellules différentes.
« Les gènes actifs dans de nombreux types de cellules sont confrontés à des contraintes évolutives contre toute modification », a-t-il expliqué. « Cependant, celles exprimées dans une ou quelques cellules spécialisées seulement peuvent évoluer plus librement. »
L’évolution se déroule plus rapidement dans les cellules fonctionnellement dédiées
Les variations d’expression génétique entre les espèces de vers étaient concentrées dans des cellules spécialisées. Les cellules physiologiques de base ont conservé une activité constante, tandis que les cellules sensorielles et adaptatives ont présenté davantage de changements évolutifs.
« Nous observons une divergence plus rapide dans les gènes neuronaux, peut-être rendue nécessaire par les exigences environnementales, bien que cette interprétation nécessite une validation », a déclaré Christopher RL Large, chercheur principal de l’étude, qui a terminé sa formation doctorale en sciences du génome à l’UW avant de rejoindre le département de génétique de Penn.
Les vers transparents comme organismes modèles idéaux
Les chercheurs ont analysé deux nématodes du sol (C. elegans et C. briggsae) : de minuscules organismes transparents (1 mm) contenant précisément 550 cellules somatiques. Leur anatomie simple permet une observation directe de la division et de la différenciation cellulaire, tandis que leur génome (environ 20 000 gènes) partage des similitudes fondamentales avec les vertébrés comme les humains.
Les scientifiques ont entièrement catalogué chaque cellule des deux vers. Leurs structures corporelles et leurs types de cellules restent étonnamment similaires tout au long de 20 millions d’années d’évolution, maintenant une correspondance cellulaire presque parfaite qui facilite des comparaisons évolutives détaillées.
L’étude visait à examiner les profils transcriptionnels dans tous les types de cellules des deux vers, révélant comment l’expression des gènes a évolué après leur séparation phylogénétique.
La transcriptomique unicellulaire révèle des variations ontogénétiques
À cette fin, l’équipe de recherche a analysé l’expression de l’ARN messager dans chaque cellule à différents stades embryonnaires en appliquant le séquençage de l’ARN unicellulaire.
L’ARNm transporte les instructions génétiques pour la production de protéines des gènes actifs vers la machinerie cellulaire responsable de la fabrication des protéines. Des niveaux élevés d’ARNm signalent l’activité du gène, tandis que de faibles niveaux suggèrent que le gène est désactivé.
En appliquant le séquençage d’ARN unicellulaire, les chercheurs ont tracé la trajectoire de développement de chaque cellule de l’embryon de ver. Ils ont commencé avec une masse indifférenciée de 28 cellules et ont suivi le processus jusqu’à ce que la plupart des cellules se soient différenciées dans leurs états presque finaux, achevant cette transition en environ 12 heures.
Dr. Junhyong Kim, professeur de biologie et co-auteur principal de l’étude, a noté : « Les recherches sur l’évolution du développement sont en cours depuis les années 1970, mais c’est le premier cas où nous pourrions analyser le développement au niveau d’une seule cellule dans deux organismes distincts.
Kim a expliqué que la conservation de certains modèles d’expression génétique était attendue, compte tenu des similitudes physiques des vers. Cependant, l’absence d’impact des changements observés dans l’expression des gènes sur la structure corporelle était inattendue.
Selon le Dr John Isaac Murray, professeur associé de génétique et auteur principal, l’étude cartographie les différences spatiales et temporelles dans l’expression des gènes, mais ne détermine pas encore leur cause.
« On ne sait pas si ces différences proviennent d’une adaptation évolutive ou d’une dérive génétique aléatoire », a-t-il déclaré. « Mais cette méthode ouvre la porte à l’étude de nombreuses questions non résolues en biologie évolutive.
