Une étude d’Oxford lie d’anciennes duplications géniques à l’évolution du cerveau

Deux événements de duplication de l'ensemble du génome survenus il y a environ 520 et 500 millions d'années ont fourni le matériel génétique brut qui a permis aux vertébrés de développer leurs cerveaux complexes, selon une recherche publiée mercredi dans Nature.biology.ox+1

L'étude, menée par l'Université d'Oxford, aide à résoudre un débat de longue date sur la question de savoir si la diversité des types de cellules cérébrales provient d'événements rares de duplication à l'échelle du génome ou de changements génétiques plus graduels et à petite échelle. En comparant l'activité génique dans des cellules cérébrales individuelles chez cinq espèces — humains, souris, lézards, lamproies et amphioxus, l'un des parents invertébrés les plus proches des vertébrés — l'équipe a reconstitué l'évolution des types de cellules cérébrales au cours des temps géologiques.phys+1

Une boîte à outils génétique pour les cellules cérébrales

Les chercheurs ont découvert que bon nombre des principales familles de types cellulaires dans le cerveau des vertébrés sont apparues après une duplication du génome chez l'ancêtre commun des vertébrés il y a environ 520 millions d'années, une seconde duplication il y a environ 500 millions d'années venant renforcer cette base.phys+1

« Nos résultats révèlent que deux événements de doublement génétique ont été fondamentaux pour permettre l'évolution de cerveaux complexes », a déclaré l'auteur principal, le professeur Sebastian Shimeld du département de biologie d'Oxford. « En dupliquant chaque gène du génome, la nature a obtenu du matériel brut qui pourrait être réutilisé pour construire de nouveaux types de cellules cérébrales. »biology.ox+1

Les paires de gènes conservées à partir de ces duplications — appelées « ohnologues » — se sont révélées être impliquées de manière disproportionnée dans la définition de types distincts de cellules cérébrales. Ces gènes étaient plus susceptibles d'être actifs dans des cellules cérébrales particulières que les gènes dupliqués par d'autres mécanismes, et étaient particulièrement enrichis pour les rôles régulateurs qui contrôlent le développement et le fonctionnement des différents types de cellules.phys+1

Pas de nouvelles fonctions, mais des fonctions divisées

Plutôt que d'évoluer vers des fonctions entièrement nouvelles, la plupart des gènes dupliqués ont partagé les rôles de leur gène ancestral entre eux, aidant à affiner la diversité des types de cellules cérébrales. Chez des animaux plus simples comme l'amphioxus, les gènes régulateurs clés sont largement actifs dans toutes les cellules ; chez les vertébrés, les versions dupliquées de ces gènes sont déployées dans différents types de cellules, établissant des identités cellulaires distinctes.biology.ox

L'impact de ces événements anciens s'étend bien au-delà de l'évolution précoce des vertébrés. L'équipe a montré que les gènes issus des duplications ont continué à définir de nouveaux types de cellules cérébrales — y compris ceux de la matière grise du cervelet — pendant des centaines de millions d'années par la suite.phys+1

Un héritage durable

Le co-auteur de l'étude, le professeur Peter Holland, a résumé la portée des résultats : « Les analyses de données étaient incroyablement compliquées — tout le mérite revient à l'étudiant diplômé Yuanzhen Zhu — mais la conclusion est claire : les nouvelles cellules cérébrales avaient besoin de nouveaux gènes. Et pas n'importe quels gènes — il s'agissait des gènes supplémentaires engendrés par le doublement accidentel de l'ADN avant que le premier poisson ne nage dans la mer. »biology.ox