Un article de Nature de cette semaine [1] s’ouvre par cette phrase étonnante :

“The standard model is horribly ugly, but the data support it.”

“Le modèle standard est horriblement laid, mais est confirmé par les données.”

(Note de traduction : j’ai remis l’expression “modèle standard” suite à la remarque d’Eric C en commentaire)

Pour expliquer les observations cosmologiques, il est nécessaire de supposer l’existence de matière noire (dont nous avaient déjà parlé Matthieu et Sevene), et d’une “énergie du vide” ou “énergie noire”, qui se traduit dans les équations par une “constante cosmologique” (voir en fin de billet pour plus de détail). Seulement, le problème, c’est que cette explication est, je cite l’article de Nature “a profound problem from the viewpoint of fundamental physics”. Cette constante implique en effet qu’il est, en gros, possible d’extraire de l’énergie du vide, de créer quelque chose à partir de rien, et que cette création a lieu en tous points de l’univers en permanence ! Evidemment, c’est à la fois problématique théoriquement, et improbable scientifiquement; pourtant, cela marche très bien phénoménologiquement .

Naturellement, les physiciens théoriciens ne peuvent accepter cela. Quoi, un terme “ad hoc” dans un équation ! Quelle horreur ! De fait, on les comprend : la physique théorique s’est construite quasiment exclusivement sur l’idée de “beauté mathématique”. Par exemple, tout le modèle standard (le vrai) a été construit à l’aide de considérations de symétries, amenant à utiliser la théorie des groupes pour décrire et prédire l’existence des particules. Dans un autre domaine, c’est l’extension du principe de relativité de Galilée qui a amené Einstein à proposer sa théorie de la relativité. C’est évidemment une version un peu romancée de l’histoire de la physique, mais il y a un fond de vrai : les physiciens théoriciens ont remporté leurs plus grands succès en dérivant le maximum de choses de premiers principes simples. Et aujourd’hui, certaines théories des cordes sont jugées à l’aune de leur “beauté” mathématique …

La question se pose donc naturellement lorsque l’on vient de la physique théorique : la nature est-elle mathématiquement belle ? Entre deux théories scientifiques, la plus simple, la plus dépouillée mathématiquement (et donc la plus profonde) est-elle a priori la plus juste ? La science doit-elle être “jolie” ? Depuis que j’ai mis les mains dans le cambouis biologique, je suis bien obligé de constater que les physiciens font (parfois, mais pas souvent :P) fausse route.

La nature a en effet le mauvais goût d’avoir engendré des horreurs mathématiques. En particulier dans un de mes domaines favoris : le développement. L’image ci-contre représente l’expression d’un des gènes cruciaux de la segmentation de la drosophile: even-skipped, dit eve. Le motif observé naturellement est représenté sur les panneaux a à c.
Admirez l’espacement remarquable des bandes, leur caractère très homogène plutôt surprenant quand on sait le bruit existant dans toutes les interactions génétiques. Un physicien théoricien, voyant un tel motif, a un réflexe quasi-pavlovien : REACTION-DIFFUSION, MOTIF DE TURING ! Pour un théoricien, seul un processus “émergent”, auto-organisé, peut aboutir à une telle perfection, à une répétition de motifs aussi réguliers : c’est d’ailleurs un tel processus qui est probablement à l’origine des bandes des zèbres. Tous, biologistes y compris, pensaient bien qu’un tel mécanisme physico-chimique était à l’origine des bandes de segmentation. Or il se trouve que Stephen Small et son équipe ont en fait découvert qu’il n’en était rien : toutes les bandes se forment de manière indépendante, utilisant toutes des mécanismes différents. Ainsi, a-t-on pu identifier un module génétique associé à la bande numéro 2, un autre module pour la bande numéro 5, un module pour les bandes 3 et 7, un autre pour les modules 4 et 6… Des modules différents, régulés par des protéines différentes, amènent à la formation d’un joli quadrillage parfaitement régulier et de bandes apparemment identiques. Si le résultat est très joli, le mécanisme, d’un point de vue purement mathématique, est sans aucun doute très laid !

La conclusion, c’est que dans certains domaines de la science en tous cas, rechercher la “beauté” peut très certainement vous amener à faire fausse route. L’exemple de la segmentation de la drosophile est d’ailleurs typique : non seulement on s’attend naturellement à ce que toutes les bandes apparaissent contrôlées par un même mécanisme, mais le fait de savoir que ce n’est pas le cas devrait nous interpeler davantage encore. En effet, s’il y a un mécanisme physico-chimique à l’origine de motifs, rien de surprenant à ce qu’ils soient réguliers; mais si on a un motif d’origine d’origine purement génétique, comment se fait-il que l’évolution ait convergé vers la construction d’un motif régulier ? Autrement dit, si la bande 1 et la bande 7 se forment indépendamment, pourquoi ont-elles la même taille ? N’est-ce pas l’indication que plus tôt dans l’évolution, les bandes devaient se former à l’aide d’un processus plus auto-organisé, comme la somitogenèse ? Ainsi, peut-être qu’en biologie, à la différence de la physique, c’est en interrogeant les laideurs de la nature que nous la comprendrons le mieux…

Référence :

Comme promis, quelques critiques sur le livre de Vincent Fleury. J’avais prévu de faire un seul billet, mais je vais être obligé de le diviser en plusieurs parties. On commence par une partie assez technique tout d’abord, que je vais m’efforcer de vulgariser au maximum.

Je précise que cette critique est faite relativement rapidement, à chaud, et uniquement à la lumière de mes connaissances. Tout comme Fleury, je suis physicien, intéressé à la biologie, mais je ne suis pas omniscient. J’invite tout le monde à me corriger le cas échéant, et je serai heureux de discuter de toute cela, y compris et surtout (pourquoi pas) avec Vincent Fleury.

Le thème récurrent du livre de Vincent Fleury est une opposition que je qualifierai de “génétique-mécanique”. Il développe une théorie de l’évolution très déterministe, en affirmant que la génétique ne décide quasiment rien, que la mécanique décide de quasiment tout.

Je concentrerais mes critiques/questions sur ce point, tout d’abord en expliquant pourquoi cette affirmation me semble en partie fausse en ce qui concerne les vertébrés dans un premier temps.

Les déterminants génétiques de l’embryogenèse des vertébrés

Le problème de base rejoint à mon sens une vieille controverse de la biologie du développement : comment des embryons (ou des gamètes) ne possédant aucune structure apparente peuvent-ils donner naissance à un être vivant hautement complexe et organisé ?

Aristote fut l’un des premiers à répondre à cette question (Wolpert p3). Il considéra deux possibilités : soit toutes les parties du corps existent déjà dans l’embryon et ne font ensuite que grossir, soit les nouvelles structures naissent et s’organisent progressivement. Il pencha pour la seconde idée. Cependant, c’est la première qui rencontra le plus grand succès, aboutissant au cours du XVIIème siècle à la théorie de l’ homoncule. Cette théorie proposait que le corps humain était déjà préformé dans le spermatozoïde, et ne faisait ensuite que grossir. D’où la fameuse théorie scientifico-religieuse des “reins d’Adam”, stipulant que toute l’humanité devait être contenue dès la création dans la semence du premier homme, emboitée telle une poupée Russe !

Aujourd’hui bien sûr on sait qu’il en est tout autre et qu’ évidemment les structures apparaissent les unes après les autres. On sait en particulier que différents gènes sont exprimés successivement à différents endroits dans l’embryon, donnant naissance aux différentes structures. Cependant, Fleury nous explique ce qui le gène dans la biologie du développement moderne (p20):

La biologie actuelle “se rattrape” en supposant que les parties les plus complexes, un bras ou une tête d’homme, sont obtenues par des successions de bandes de produits chimiques s’organisant dans toutes les directions de l’espace.

Cette description de la formation de l’organisme est une description de la théorie dite “mosaïque”, version moderne de la théorie de l’ homoncule. Les structures finales ne préexistent pas, mais l’embryon serait quadrillé pour donner naissance aux futures structures. D’une certaine manière, si l’ homoncule n’est pas présent, il serait déjà esquissé et prêt à surgir. Fleury y préfère une théorie purement mécanique, que j’interprète comme basée sur l’auto-organisation (ce qu’il appelle le mécanisme physique sur son site lorsqu’il parle de la segmentation). Il est physicien : il connaît très bien la littérature sur la formation de structures complexes à partir de règles simples, lui -même a proposé des modèles de formation de vaisseaux sanguins. Pour lui il me semble, les structures vivantes ne peuvent se réduire à des quadrillages plaqués sur l’embryon : trop compliqué, pas assez robuste. La seule façon réaliste pour que ça marche est que les choses s’auto-organisent d’une certaine façon. Ainsi, on sait très bien que les tâches des léopards ou les bandes des zèbres ne sont évidemment pas codées individuellement génétiquement : en fait, il y a un processus physique sous-jacent (type mécanisme de Turing) qui créée ses structures spontanément. Dans un domaine différent, l’embryogenèse, il propose qu’un mécanisme simple de mouvements cellulaires locaux aboutit à la formation naturelle de la structure globale des tétrapodes (de même que de simples molécules qui diffusent à des vitesses différentes localement peuvent créér de jolis motifs à l’échelle globale).

Bien évidemment, tout est en fait question de dosage entre ces différents processus (mosaïque vs auto-organisé). Le premier reproche que je ferais à Vincent Fleury est d’omettre certains faits de bases : oui certaines structures sont codées génétiquement dès le départ, oui l’embryon a besoin d’un “quadrillage” génétique pour savoir ce qu’il va faire. L’exemple canonique est l’embryon du xénope dont j’ai déjà parlé dans un billet précédent. Il a été démontré sans ambiguité que des déterminants purement génétiques, des gradients de substances chimiques sont nécessaires pour définir les futures structures de l’embryon. La meilleure preuve est donnée par la fameuse expérience de Spemann : en transposant des cellules de la future région “dorsale” de l’embryon (qu’on appelle depuis organisateur de Spemann) sur le ventre de l’embryon, l’effet est de créer un deuxième dos, et en fait un deuxième axe tête queue qui aboutira plus tard à la formation de siamois. Ceci montre que les cellules ne sont pas interchangeables, qu’il y a des déterminants moléculaires contenus dans la cellule, et que donc les mouvements cellulaires dépendent en premier lieu d’une information purement génétique.

Là vient la deuxième critique que je ferais à ce livre : j’ai été très étonné de constater que Fleury passe totalement sous silence des faits expérimentaux… qui collent très bien à sa théorie ! Car oui, il y a effectivement des flots cellulaires qui définissent un axe tête queue. L’expérience qui le montre a été réalisée par Joubin et Stern, qui ont montré comment la notocorde se formait par la rencontre de deux jets de cellules précisément au niveau de l’équivalent poulet de l’organisateur de Spemann. Seulement, Joubin et Stern ont également montré que la formation de cet organisateur était dirigée génétiquement. Donc encore une fois, c’est un signal génétique qui dirige la formation de cette structure. J’ai été très surpris en lisant ce livre de ne voir absolument aucune référence à cette expérience, et je me demande pourquoi… D’ailleurs, il n’y a pour ainsi dire aucune référence à d’autres travaux scientifiques (à part la fameuse Anne Dambricourt), ce qui me semble être un choix un petit peu étrange compte-tenu de la quantité de littérature assez facilement vulgarisable sur le sujet, surtout que par ailleurs des illustrations tirées d’autres articles (Barabasi, Davidson…) sont utilisées, et que j’aurais beaucoup apprécié une discussion des “autres” travaux.

Venons-en donc au point suivant : la formation des membres et la segmentation. Je mets les deux exemple ensemble car il semble que là-encore, les mécanismes soient assez similaires. Fleury le répète plusieurs fois dans son livre : il n’y a pas de gènes associés à une vertèbre donnée. C’est vrai, mais ce que Fleury ne dit pas est qu’il y a au contraire sans aucun doute le même gène exprimé plusieurs fois définissant plusieurs vertèbres. De la même façon, il y a des marqueurs génétiques précis correspondant à l’avant et à l’arrière des vertèbres : si l’on tue ces gènes, toutes les vertèbres sont fusionnées et perdent leur structure. Donc là encore, la génétique a un grand rôle. Par ailleurs, comme je l’ai expliqué sur ce blog, la formation de ces structures est un mécanisme essentiellement génétique : une horloge génétique agit dans une zone de croissance déterminée génétiquement par des facteurs de croissance et définit un front de différentiation qui génère des zones d’expression génétiques régulières des marqueurs correspondant. Pas ou peu de mécanique ni de processus de Turing là-dedans, juste une expression temporelle de gènes un peu compliquée dépendant des interrégulations et du processus dynamique de croissance. La formation des membres semble obéir aux mêmes lois : une horloge de segmentation similaire a récemment été mise en évidence chez la poule (Pascoal et al.). Par ailleurs, à l’image de ce qui a été fait pour l’organisateur de Spemann, il y a de nombreuses expériences de transfert de cellules, montrant que si l’on met les bonnes cellules au bon endroit, on peut littéralement faire pousser un bras (Wolpert p 460 Fig. 13.7 pour les organismes capables de se régénérer) ou une colonne vertébrale (Wolpert p 169 Fig. 4.20 au stade embryonnaire) n’importe où… Cela montre bien selon moi que les mouvements cellulaires ne contraignent pas le plan d’organisation final et que tout est jeu d’expression localisées.

Pour finir cette partie, juste un mot sur la symétrie gauche-droite. La symétrie bilatérale ne va pas de soi chez les vertébrés. En fait, plusieurs expériences récentes ont montré que cette symétrie était spontanément brisée (ce qui explique d’ailleurs que les structures à l’intérieur du corps ne soient pas symétriques), et qu’en fait certaines molécules étaient là pour littéralement rétablir la symétrie pour les parties importantes devant être symétriques, comme la colonne vertébrale (Vermot & Pourquié). Ainsi, une substance appelée “acide rétinoïque” est chargée de rééquilibrer la brisure de symétrie gauche-droite pour avoir des somites de même tailles des deux côtés. Ceci ne colle pas du tout avec la théorie de V. Fleury pour qui les organismes sont symétriques “par construction”. Maintenant, cela ne dit pas que les animaux primitifs n’étaient pas effectivement symétriques, mais si l’évolution a été capable de briser la symétrie globalement tout en la conservant pour le squelette, cela donne un contre-exemple à mon avis flagrant du fait que l’évolution du plan du corps des bilatériens est contrainte.

Références :

Lewis Wolpert, Principles of development, third edition, oxford (excellent bouquin, accessible aux profanes)
Joubin K & Stern CD, Molecular interactions continuously define the organizer during the cell movements of gastrulation. Cell. 1999 Sep 3;98(5):559-71.
Pascoal S, Carvalho CR, Rodriguez-Leon J, Delfini MC, Duprez D, Thorsteinsdottir S, Palmeirim I.,A Molecular Clock Operates During Chick Autopod Proximal-distal Outgrowth. J Mol Biol. 2007 Feb 9
Vermot J, Pourquié O, Retinoic acid coordinates somitogenesis and left?right patterning in vertebrate embryos, Nature 435, 215-220 (12 May 2005)

La brisure de symétrie est un mécanisme très intéressant permettant d’expliquer nombre de phénomène physiques. L’exemple “canonique” est le flambage d’une poutre. L’expérience est simple : considérez une poutre cylindrique rigide, et appuyez sur ses deux extrémités. A partir d’une pression critique, la poutre va se déformer sur le côté (on a tous fait la même chose avec une bonne vieille règle en plastique ). Cette expérience illustre simplement la violation d’un principe proposé par Pierre Curie :

« Lorsque les causes d’un phénomène possèdent des éléments de symétrie, ces éléments de symétrie se retrouvent dans les effets. »

En effet, si la poutre est parfaitement cylindrique et si la pression sur ses extrémités est exercée de façon homogène, le système possède une symétrie cylindrique. Donc si l’on en croit le principe de Curie, le système doit rester symétrique. Or le flambage montre que l’état symétrique est en fait instable : il se passe une bifurcation qui brise spontanément la symétrie du système. Mathématiquement, il se passe exactement la même chose que lors d’une transition de phase (type eau/glace par exemple) : tout d’un coup, un paramètre dépasse un seuil critique et le comportement du système change du tout au tout. Pour être un peu plus exotique, on pense aujourd’hui que les 4 forces élémentaires ne sont en fait que des états de symétrie brisée d’une seule force naturelle. Lorsqu’on parle “d’unifier” la physique, il s’agit en partie de trouver cette super-symétrie…

Venons-en maintenant à la biologie. Lors de la formation de l’embryon se passe un phénomène tout à fait intéressant de brisure de symétrie. En effet, l’embryon de la plupart des animaux semble être au départ une grosse cellule parfaitement sphérique. Comment aboutit-on alors à des animaux ayant deux axes bien distincts : un axe antéro-postérieur et un axe dorso-ventral ? Autrement dit, comment la nature a-t-elle réussi à briser la symétrie sphérique de l’embryon ?

L’exemple le mieux compris est celui de Xenopus (un crapaud, voir illustration ci-contre du procédé). Le premier mécanisme définit en gros l’axe antéro-postérieur. L’ovule est une grosse cellule, et c’est la mère qui crée la première brisure de symétrie en localisant des ARN messagers dans cette cellule, définissant deux pôles (qu’on appelle animal et végétal; le pôle végétal correspond au “jaune” de l’oeuf par exemple). Ce mécanisme est d’ailleurs dans le principe tout à fait similaire à la définition de l’axe antéro-postérieur de la drosophile. La symétrie passe alors de sphérique à cylindrique.

Le second mécanisme de brisure de symétrie va définir l’axe dorso-ventral et est tout à fait fascinant. Le spermatozoïde, lors de son entrée dans l’ovocyte va déclencher une sorte de transition de phase. Des microtubules, auparavant totalement désorientés, vont tout d’un coup s’orienter dans la même direction (à l’aide en particulier de rétroactions positives, typiques de phénomènes de multistabilité pouvant être associés à des transitions de phase). L’effet est spectaculaire : les microtubules tirent sur l’enveloppe rigide de l’ovocyte, appelée cortex, qui va alors littéralement “tourner” autour du cytoplasme de la cellule, (un peu comme si les plaques tectoniques au-dessus du manteau de mettaient toutes à bouger dans la même direction, si bien que l’Europe se retrouverait au pôle Nord !). Ainsi, l’ancien pôle végétal sur le cortex se retrouve “décalé” par rapport au pôle végétal du cytoplasme; une protéine appelée beta-caténine va alors s’y accumuler et ainsi définir la future zone dorsale ce l’embryon ! Le vivant, c’est vraiment merveilleux !

Référence : www.gastrulation.org

Vous avez sans doute déjà entendu parler de la Grande Odalisque d’Ingres, bien connue pour sa descente de rein très exagérée… Il se trouve en effet que l’anatomie de la belle n’est pas réaliste, puisqu’elle compterait trois vertèbres surnuméraires (une étude récente irait même jusque cinq). De fait, le nombre de vertèbres chez l’adulte est normalement très contrôlé : à l’intérieur d’une espèce, il n’y a en général pas de variabilité. J’ai déjà parlé ici du processus de somitogenèse lors de la formation de l’embryon, couplant une horloge de segmentation à un front de différentiation. Or, des expériences de chocs par température chez différents vertébrés ont montré qu’il n’y a rien d’intrinsèque dans le processus de formation limitant le nombre de somites. Cela signifie en fait qu’il y a un autre processus chargé d’arrêter la somitogenèse, mais indépendamment du nombre de somites déjà formé.

Cela rend par conséquent le processus assez plastique : en gros, il existe le module de formation de somites (horloge+front) qui est capable de générer des somites ad vitam aeternam, et un autre module qui va stopper le module précédent et fixer le nombre de somites. Une mutation sur ce deuxième module, et vous changez le nombre de vertèbres : c’est probablement ainsi que les serpents par exemple (plus de 200 vertèbres !) ont pu évoluer.

Des découvertes spectaculaires assez récentes viennent de confirmer cette vision. Retournons 500 millions d’années en arrière et rendons visite à l’ancêtre commun de tous les bilatériens (en gros tous les animaux ayant un plan de symétrie), j’ai nommé Urbilateria. Une des grandes questions du domaine de l’”Evo-Devo” est de savoir si Urbilateria était segmenté (i.e. son corps décomposable en segments “indépendants”) : si c’était le cas cela signifierait que tous les processus de segmentation connus sont homologues. Une vertèbre humaine et un segment du corps d’un insecte seraient des structures dérivant d’une même structure ancestrale ! Or, il se trouve que plusieurs indices récents confirment cette homologie (j’en parle dans le billet sur Urbilateria). Et il se trouve que du côté de nos amis invertébrés existent des animaux tout à fait fascinant, les mille-pattes. Le processus de formation des segments des mille-pattes est très analogue à celui des vertébrés, avec des segments se formant les uns après les autres dans une zone de croissance. En général et comme pour les vertébrés, le nombre de segments est fixé. Grosse surprise récente : dans certaines espèces, on s’est aperçu que le nombre se segments variait d’un individu à l’autre ! Ainsi, non seulement les femelles ont plus de segments que les mâles (comme notre Odalisque ), mais encore le nombre de segments dépend directement des conditions environnementales : lattitude, climat… confirmant de façon assez étonnante l’existence et la plasticité du second module arrêtant la segmentation. Je trouve cela fascinant !

Références :

Arthur W, Chipman AD (2005) The centipede Strigamia maritima: what it can tell us about the development and evolution of segmentation. BioEssays 27:653-660.

Un article plus détaillé sur pharyngula.org .

L’évolution de l’homme est un sujet fascinant et très chaud actuellement. Bruce Lahn et son équipe à l’université de Chicago ont choisi de s’attaquer à la comparaison de l’homme avec les autres espèces en se focalisant sur l’organe le plus spécifiquement humain : notre cerveau.

L’idée de base est assez simple : on connaît beaucoup de gènes impliqués soit dans le développement du cerveau, soit dans les processus neurologiques. Peut-on étudier spécifiquement l’évolution de ces gènes dans la lignée humaine en comparaison des autres lignées ? Les méthodes d’études sont relativement standards : on compare les séquences génétiques de ces gènes bien connus entre l’homme, le macaque, les souris, les rats, les oiseaux, les félins… et on regarde comment les séquences divergent en comparaison de séquences témoins, les “house-keeping” genes (i.e. les gènes standards communs à toutes les espèces veillant au bon fonctionnement cellulaire).

Premièr résultat : les gènes impliqués dans le développement du système nerveux ont évolué beaucoup plus vite dans la lignée humaine que dans les autres lignées animales. L’évolution ne concerne pas seulement les régulations génétiques : elle concerne aussi les séquences mêmes. Autrement dit, les protéines sont plus complexes chez l’homme que chez les autres animaux, ce qui est assez surprenant quand on sait que les gènes du développement sont en général plutôt conservés.

Lahn et son équipe ont alors regardé plus spécifiquement l’évolution de gènes ayant assez fortement divergé. Microcephalin en particulier est un gène qui régule la taille du cerveau. L’étude de ce gène est tout à fait fascinante : non seulement les allèles humains sont très différents des allèles des autres animaux, mais à l’intérieur de la population humaine même, les humains n’ont pas tous le même allèle. Un haplotype particulier domine dans la population mondiale, à 70 %. A l’image du chromosome Y de Genghis Khan, les données concernant cet haplotype suggèrent qu’il a été spécifiquement sélectionné. Le plus étonnant, est que toute la population humaine ne possède pas encore cet haplotype : cela signifie que pour cet allèle, le processus de sélection naturelle est encore en cours. Autrement dit, le cerveau humain est en ce moment même en train d’évoluer.

Autre fait très surprenant : les données montrent que cet haplotype est apparu dans la population humaine il y a 40 000 ans. Pourtant, quand on regarde les arbres phylogénétiques, on s’aperçoit que l’haplotype sélectionné est assez différent des haplotypes similaires dans la lignée humaine : il a divergé il y a un million d’années. Comment donc cet haplotype a pu apparaître chez homo sapiens après avoir évolué indépendamment pendant 1 million d’années ? La seule explication est que sapiens a dû alors se reproduire avec une autre espèce (humaine), possédant cet haplotype particulier, ce qui a ensuite donné un avantage sélectif décisif aux individus hybrides si bien que nous descendons tous aujourd’hui de ceux-ci. Il y a justement 40 000 ans disparaissait Néanderthal, et ces données suggèrent donc que celui-ci aurait pu nous léguer avant son extinction un héritage inestimable : un cerveau plus adapté…

Références :

Microcephalin, a Gene Regulating Brain Size, Continues to Evolve Adaptively in Humans, Evans et al., Science 9 September 2005, Vol. 309. no. 5741

Un article du New York Times où Lahn évoque (très brièvement) cette hypothèse novatrice, l’article scientifique est sous presse…

La plupart des animaux supérieurs sont donc ségmentés. Cependant, rien de commun a priori entre les segments des insectes et notre colonne vertébrale. Ceci pose une question importante d’un point de vue de l’évolution : le dernier ancêtre commun des bilatériens (i.e. des animaux avec un plan de symétrie), appelé “Urbilateria”, était-il segmenté ?
Pendant longtemps, les spécialistes ont pensé que ce n’était pas le cas et que la “segmentation” était apparue indépendamment chez les vertébrés et les invertébrés. L’organisation en segments répétés ne serait que le résultat d’une convergence évolutionnaire.
Le paysage a considérablement changé ces dernières années. Pourquié et ses collaborateurs ont tout d’abord découvert le mécanisme de la somitogenèse en regardant l’expression de l’homologue d’un gène capital de la segmentation de la drosophile. Réciproquement, on a également découvert que la segmentation des araignées était contrôlée par la voie Notch, cruciale pour la somitogenèse. Ainsi, les différents mécanismes de segmentation utilisent plus ou moins les mêmes protéines chez tous les bilatériens. Cela suggère évidemment que l’ancêtre commun de ces animaux non seulement possédait ces protéines, mais surtout était probablement lui aussi segmenté.
Pourtant, de nombreuses questions demeurent… Ainsi, si les protéines sont conservées, les mécanismes de régulation et les liens entre les protéines sont totalement différents d’une espèce à l’autre. La magie de l’évolution est d’avoir réussi à recycler constamment ces mêmes protéines dans des processus très différents. Par exemple, la somitogenèse, reposant sur une croissance de l’embryon liée à une oscillation est très différente dans le principe à la segmentation de la mouche, où tous les segments apparaissent en même temps. Comment l’évolution a-t-elle (continument ?) modelé les interactions génétiques pour passer d’un processus à l’autre ? Si l’on parvient à comprendre dans le détail ces différentes transitions on aura fait un pas gigantesque dans la compréhension des mécanismes de l’évolution. Et c’est l’un des buts fixés par une discipline scientifique spécifique : la biologie du développement évolutionnaire (pour faire hype, on dit Evo-Devo en anglais…).

Illustration : reconsruction de Kimberella, l’un des bilateriens le plus anciens. Le gros problèmes concernant Urbilateria est qu’on ne trouvera vraisemblablement jamais son fossile… Source : université UC Davis.

Le processus de formation des somites n’est pas encore très bien compris en détail, mais le modèle qui tient la route actuellement est appelé “Clock and Wavefront model” et a été proposé dès les années 70 par Cooke et Zeemann. Pourquié et ses collaborateurs ont été les premiers à mettre en évidence la validité de ce modèle dans un papier absolument remarquable publié en 97 (Palmeirim et al. Cell. 1997 Nov 28;91(5):639-48).

Décrivons donc ce fameux modèle, qui repose en fait sur la théorie des “catastrophes”. Dans la queue de l’embryon, il y a une horloge moléculaire (”Clock”). Cette horloge est composée de deux parties : un mécanisme génétique (engrenages de la montre) va contrôler l’expression de certaine protéines qui donnent effectivement “l’heure” à l’organisme (aiguilles de la montre). Maintenant, que se passe-t-il si vous donnez un grand coup de marteau à votre montre ? Là est la catastrophe ! Vous risquez de briser le mécanisme (les engrenages) et les aiguilles vont alors s’arrêter, si bien que votre montre va donner pour l’éternité l’heure à laquelle le coup de marteau a été donné. C’est exactement ce qui se produit dans la somitogenèse : à une distance bien précise de l’extrémité de la queue de l’embryon, l’organisme met un coup de marteau sur l’horloge moléculaire et bloque ainsi les aiguilles de cette horloge. Mais pendant ce temps l’embryon croît par la queue, et dans les tissus nouvellement formés l’horloge continue de tourner. Du fait de la croissance, ces tissus finissent eux aussi par recevoir le coup de marteau, et l’heure indiquée par ces tissus sera en gros l’heure au moment de leur formation plus le temps de croissance nécessaire pour arriver dans la région “coup de marteau”. L’oscillation temporelle (horloge) est alors en quelque sorte gelée en oscillation spatiale ( par le coup de marteau qui arrête les aiguilles de la montre), et les motifs ainsi obtenus servent de base à la formation des somites.

Le réseau génétique à la base de la formation des différents segments des insectes est à la fois simple et élégant. Prenons l’exemple de la segmentation de la drosophile dans une version ultra-simplifiée. La maman mouche, lors de la ponte, attache des ARN messagers d’une protéine appelée Bicoid à un pôle de l’oeuf (qui comme tout oeuf qui se respecte est ovale). Ces ARN sont ensuite traduits et la protéine est produite et diffuse dans l’oeuf. Seulement, comme ces ARN sont très localisés, la concentration de Bicoid est inhomogène : il y a plus de protéines près du pôle où sont localisés les ARN. Il se forme donc un gradient de protéines Bicoid : cette protéine est davantage concentrée vers le pôle de l’embryon.

Or Bicoid est ce qu’on appelle un morphogène : cela signifie qu’en fonction de sa concentration, les cellules vont réagir et connaître des destins différents. Grosso-modo, les cellules exposées à de fortes concentrations de Bicoid vont donner des cellules de la tête, celles exposées à de moyennes concentrations, des segments thoraciques, tandis que celle exposées à de faibles concentrations vont donner des cellules de la queue. En fait, concrètement, il y a différents seuils d’activité de Bicoid, ce qu’on décrit commodément à l’aide du “French Flag Model”, proposé dans les années 60 par Lewis Wolpert. Deux seuils d’activation permettent de définir trois régions : à concentration haute de morphogène, les cellules ont un destin bleu, à concentration moyenne un destin blanc, et à basse concentration, un destin rouge.

Evidemment, le schéma général est un peu plus compliqué, mais cette figure très simple avec une inhomogénéité spatiale initiale d’un morphogène qui détermine des destins cellulaires différents est une constante dans le vivant et à ma connaissance, la formation de la quasi totalité des membres et des organes repose sur un tel mécanisme. Comme vous vous en doutez peut-être si vous avez lu mon billet d’introduction sur les gènes du développement, de nombreux morphogènes (dont Bicoid) sont des gènes Hox (ou en dérivent).

Réference : plein d’animations flash et de références sur FlyMove !

Continuons notre petite balade dans le monde merveilleux du développement. L’un des points communs de nombreux bilatériens est qu’ils sont segmentés. En clair, cela signifie que le plan d’organisation de leur corps est composé de modules, les segments. Ainsi, nous connaissons tous les segments des insectes, que nous avons appris à l’école. Les segments peuvent être spécialisés (par exemple, un segment peut porter des ailes ou des pattes) ou non. Regardez par exemple la structure des mille-pattes, constituée d’unités répétées à l’identique… En fait, cette segmentation se produit très tôt au cours de l’embryogénèse. Sur l’illustration ci-contre, vous pouvez voir un motif typique d’expression génétique dans l’oeuf de la drosophile. L’image n’est pas truquée : on a juste mis un marqueur fluorescent sur certaines protéines. Chaque bande fluorescente correspondra dans l’animal adulte à un segment bien particulier. Le point important est donc qu’à un segment donné est associé un gène du développement, exprimé localement dès la formation de l’embryon.
Notez que cette segmentation donne une grande souplesse quant à l’organisation du plan du corps. Ainsi, on connaît des mutations qui peuvent dupliquer une catégorie de segment, changer leur place, transformer un segment en un autre (on sait faire pousser des pattes à la place des antennes !), etc… Pour en revenir à l’évolution, par exemple, on pense maintenant que les mandibules que les crustacés utilisent pour manger sont en fait d’anciennes pattes, qui se sont progressivement modifiées au cours de l’évolution.
J’ai essentiellement parlé des invertébrés, mais ceci reste vrai pour les vertébrés. Les segments prennent la forme… de vertèbres, identiquement répétées tout le long de la colonne vertébrale! Mais les mécanismes moléculaires précis, s’ils impliquent bien souvent des gènes similaires -en particulier les voies Notch/delta- semblent néanmoins un peu différents. La suite au prochain épisode !

Image tirée de Dissecting the Transcriptional Control of Body Patterning. PLoS Biol 2(9): e319.

Si vous comparez les membres des différents animaux, vous verrez de nombreux points communs entre les vertébrés. Ainsi, les membres sont tous organisés de la même façon et semblent en fait dériver d’un même plan de base, révélant l’origine commune de tous les tétrapodes.
Examinons maintenant une autre branche du vivant, par exemple les insectes. Même s’ils ont la même fonction, il n’y a a priori, rien de commun entre une patte d’insecte et un bras, ou entre un oeil de mouche et un oeil de boeuf… Pourtant, aussi surprenant que cela puisse paraître, la machinerie de base dans le développement est quasiment identique chez la plupart des animaux, invertébrés y compris. En fait, l’une des grandes découvertes de la génétique a été de comprendre (très partiellement pour l’instant) comment les plans d’organisation des animaux étaient codés génétiquement de façon identique depuis les insectes jusqu’à l’homme !
Un ensemble de gènes, les gènes homéoboîtes (Homeobox, ou hox en abrégé) contrôlent ainsi le plan de développement de la plupart des animaux. Chez la plupart des organismes, ces gènes sont regroupés en “clusters” dans le génome et chacun de ces gènes contrôle le développement d’une partie bien précise du corps - tête, vertèbres, segments chez les insectes… Ces gènes sont tellement conservés qu’on peut par exemple remplacer le gène contrôlant le développement d’une partie de la tête chez une souris par le gène équivalent… de la mouche ! Je trouve cela énorme : le développement de notre cerveau est contrôlé à la base par le même gène que celui qui contrôle le développement du système nerveux de la drosophile. Depuis que j’ai réalisé cela, je ne regarde plus les mouches de la même façon…
Autre surprise, les gènes hox sont tous très proches les uns des autres, et en fait dérivent tous d’un même gène ancestral, qui est donc apparu il y a extrêmement longtemps (bien avant la séparation entre les vertébrés et les invertébrés). Il est ainsi certain que l’ancêtre commun de tous les bilatériens avait déjà ces gènes de développement fixant l’organisation antéro-postérieure ainsi qu’une batterie de gènes prêts à l’emploi pour évoluer finalement (de façon convergente) vers des structures aussi complexes qu’un oeil, un coeur ou des pattes… Autrement dit, le plan d’organisation général du monde animal est apparu extrêmement tôt, et toute la variété des organismes observés n’est en fait qu’une réorganisation relativement mineure de ce plan d’organisation si ancien. Nous sommes donc bien peu de choses, à peine plus compliqués en fait que le premier ver de terre venu…