Une invasion de gènes sauteurs serait à l’origine de la diversité des reptiles
L'équipe du prof. Duboule révèle comment les gènes architectes ont évolué pour aboutir à la formation des lézards et des serpents, tout en respectant les règles du plan de construction
Parmi les reptiles, ce sont les squamates, soit les serpents et les lézards, qui remportent la palme d’or de la diversité, avec un éventail de morphologies étonnamment variées. Saisir comment le «plan de construction» de ces animaux a évolué pour aboutir à la formation d’organismes aussi différents est un défi que vient de relever une équipe pilotée par Denis Duboule, directeur du Pôle de recherche national Frontiers in Genetics. Dans la revue Nature du 4 mars 2010, les chercheurs révèlent diverses astuces mises au point au cours de l’évolution dans plusieurs groupes de gènes architectes, les gènes Hox. Ceux-ci président à l’organisation des structures du corps durant le développement embryonnaire. Les réarrangements et mutations découverts dans ces gènes permettent désormais de visualiser la transition entre les lézards et les serpents. Les généticiens démontrent également qu’une invasion de transposons, ces gènes capables de se déplacer à l’intérieur du génome, est peut-être à l’origine de la grande souplesse observée dans le plan de construction des squamates.
Les quelque 7’000 espèces que regroupent les squamates constituent un groupe d’une immense diversité. On y trouve aussi bien le gecko nain, un lézard lilliputien mesurant seize millimètres de long, que l’anaconda vert, célèbre serpent de neuf mètres. Il en va de même pour le nombre de leurs vertèbres, qui peut frôler 400 chez ce dernier. Comment des lignes morphologiques si variées et audacieuses ont-elles pu être esquissées au cours de l’évolution, à partir d’un patron initial commun?
La contrainte «espace-temps»
Des éléments-clés pour répondre à cette question se trouvent justement dans les derniers travaux d’une équipe pilotée par Denis Duboule, généticien à l’Université de Genève (UNIGE) et à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Les scientifiques ont notamment démontré comment des modifications de structure et de fonction des «gènes architectes», les gènes Hox, se sont soldées par un remaniement complet du squelette des serpents.
Ces gènes orchestrent l’apparition des structures pendant la vie embryonnaire, telles que les vertèbres au sein de la colonne, en assignant à chacune d’entre elles une forme et une localisation précises. La synchronisation des opérations de construction se fait au prix d’une contrainte spatiale et temporelle: les gènes architectes sont en effet placés sur les chromosomes suivant l’ordre dans lequel ils vont s’exprimer. Les premiers seront ainsi actifs plus précocement au cours du développement embryonnaire et s’exprimeront dans les structures les plus antérieures de l’organisme.
Du relâchement chez les gènes architectes
«Etant donné leurs fonctions à la fois complexes et essentielles, les gènes Hox sont soumis à des règles très strictes. Ce qui, en principe, ne laisse que peu de latitude pour introduire des modifications drastiques», relève Nicolas Di-Poï, du Pôle de recherche national Frontiers in Genetics. Or, les biologistes ont constaté avec surprise que les segments de génome abritant les gènes Hox étaient bien plus longs chez les squamates que chez les autres reptiles. Ceci provient d’une invasion, massive et inattendue, de ces segments par des éléments d’ADN mobiles appelés transposons. Formés de séquences d'ADN capables de se déplacer de manière autonome dans le génome, présents chez tous les organismes vivants, ces «gènes sauteurs» sont considérés comme de véritables moteurs de l’évolution, leur mobilité étant source de mutations.
«Cette accumulation de transposons a vraisemblablement facilité les adaptations qui ont accompagné la transition morphologique entre le modèle ressemblant au lézard et celui du serpent, qui s’est fortement allongé», explique Denis Duboule. Une fenêtre d’opportunité s’est présentée au cours de l’évolution du plan de construction des squamates. Il en a résulté un relâchement dans la fonction et la régulation des gènes architectes et un remodelage intégral de la structure des serpents.
Comment les serpents ont perdu leur bassin
Ces changements se sont accompagnés d’une forte augmentation du nombre de vertèbres chez les serpents et de la disparition de la région lombaire. En effet, chez ces reptiles, toutes les vertèbres portent des côtes, à l'exception de celles du cou et de la queue. «Chez les serpents, les gènes architectes qui interviennent pour bloquer la formation des côtes ont muté. Leur perte d’activité a abouti à une expansion sans précédent de la région thoracique, par manque d’un signal d’arrêt», ajoute Denis Duboule. L’élongation de la région caudale serait due elle aussi à une altération dans les gènes Hox responsables de stopper la croissance de la queue.
La surprenante diversité morphologique des reptiles se reflète dans la façon audacieuse avec laquelle ces gènes se sont réorganisés, tout en respectant la contrainte spatiale et temporelle. Il serait intéressant de savoir si la sélection naturelle a exploité une flexibilité similaire dans les mécanismes de développement d’autres groupes de vertébrés.
Contact:
prof. Denis Duboule, au tél.: 022 379 67 71 ou 021 693 83 38