Développement et évolution des animaux - UTL

Développement et évolution des animaux
Résumé : La diversité des animaux est en partie le résultat de
l’évolution de mécanismes génétiques qui contrôlent leur
développement. Des gènes, parfois appelés gènes architectes,
sont particulièrement importants dans la mise en place de la
morphologie des différentes espèces. Des modifications de
l’endroit ou du moment de leur expression au cours du
développement peuvent changer, parfois de façon spectaculaire,
la forme adulte d’un animal. Nous présenterons les
connaissances actuelles et comment elles s’intègrent dans la
théorie de l’évolution.
Didier Casane
Professeur à l’Université Paris 7
Equipe « Réseaux de gènes, développement et évolution »
Laboratoire « Evolution, Génomes, Comportement, Ecologie » - 91198 Gif-sur-Yvette
e-mail : [email protected]
UTL 26 01 2015
Plan
1) La multicellularité a évolué plusieurs fois : les animaux, les plantes, les champignons et d'autres
organismes moins connus. Les principaux groupes d’animaux se sont différenciés il y a environ 540 Ma.
2) Des animaux sont constitués de quelques cellules, d’autres de plusieurs millions de milliards de cellules.
3) les organismes multicellulaires se forme toujours à partir d'une cellule unique. L'organisme qui est produit à
partir de cette cellule dépend essentiellement de son patrimoine génétique (les chiens ne font pas des chats),
mais l'impact de l'environnement peut être important (les castes chez les insectes sociaux).
4) Dans le génome, il existe des gènes "architectes" qui ont des effets particulièrement importants sur la
morphologie de l'organisme (exemple des mutations homéotiques chez la drosophile).
5) Les animaux présentent des plans d'organisation qui semblent si différents qu'on a du mal à imaginer
comment, à partir d'un ancêtre commun, ont évolué des espèces si différentes.
6) L'étude des gènes impliqués dans le développement montre que toute cette diversité de formes repose sur
des variations du moment, du niveau et de l'emplacement de l'expression d'un nombre réduit de gènes : c'est
un exemple du bricolage évolutif (F. Jacob) à partir d'une boîte à outils réduite. Elle met aussi en évidence des
relations entre plans d'organisation qui semblent à première vue très différents.
7) Exemple : l'étude des gènes impliqués dans l'organisation dorso-ventrale montre que celle des arthropodes
correspond à celle des vertébrés (notre dos correspond au ventre du homard et notre ventre à son dos).
8) Exemple : La disparition des yeux chez le poisson Astyanax mexicanus dépend de moment et du niveau
d'expression d’au moins trois gènes.
9) Conclusion : L'étude des mécanismes du développement indique que la diversité d'organisation des
animaux repose essentiellement sur des mutations qui modifient le moment, le niveau et l'emplacement de
l'expression de gènes "architectes" du développement. Des petits changements peuvent avoir de grandes
conséquences au niveau de la morphologie. La grande diversité morphologique des organismes
multicellulaires est donc compréhensible dans le cadre de la théorie standard de l'évolution.
La multicellularité a évolué plusieurs fois : les animaux, les plantes, les champignons et d'autres organismes
moins connus. Les principaux groupes d’animaux se sont différenciés il y a environ 540 Ma.
Des animaux sont constitués de quelques cellules, d’autres de plusieurs millions de milliards de cellules.
Trichoplax adhaerens
1 à 3 mm
Balaenoptera musculus
> 30 mètres, > 170 tonnes
La diversité des animaux
~ 600 Ma
les organismes multicellulaires se développent à partir d'une cellule unique. L'organisme qui est produit à partir de
cette cellule dépend essentiellement de son patrimoine génétique (les chiens ne font pas des chats).
mais l'impact de l'environnement peut être important.
Camponotus discolor
Schistocerca gregaria
Le développement du poisson zèbre
Le développement du poisson zèbre
Le développement du poisson zèbre
La génétique du développement
Drosophila melanogaster
La génétique du développement
Perte de fonction de Ubx : T3 →T2
Gain de fonction de Antp : antennes → pattes
La génétique du développement
Gain de fonction de Antp : antennes → pattes
La génétique du développement
Perte de fonction de Pax6
Gain de fonction de Pax6
Les facteurs de transcription
L’ADN, le génome, les gènes
ATGTCGTGCGTAAAGTCG…
TACAGCACGCATTTCAGC…
Le génome humain, c’est environ
2 x 3 200 000 000 paires de bases
ATGTCGTGCGTAGAGTCG…
TACAGCACGCATCTCAGC…
Entre deux hommes, environ une
différence pour 1000 paires de bases
=> 2 x 3 200 000 différences
L’organisation des génomes
séquence régulatrice
exon
région intergénique
intron
région intergénique
gène
transcription
épissage
Séquence éventuellement traduite en protéine
ARNm
Le code génétique
AUGGUGCUGUCUCCUGCCGACAAG
M
V
L
S
P
A
D
K
Les facteurs de transcription
exon
intron
région intergénique
La boîte à outils génétique pour contrôler le développement
ARN non-codant
Protéines sécrétés
Facteurs de transcription
La boîte à outils génétique pour contrôler le développement
La boîte à outils génétique pour contrôler le développement
L'étude des gènes impliqués dans le développement montre que toute cette diversité de formes repose sur des
variations du moment, du niveau et de l'emplacement de l'expression d'un nombre réduit de gènes : c'est un
exemple du bricolage (proposé par F. Jacob) à partir d'une boîte à outils réduite. Elle met aussi en évidence des
relation entre plans d'organisation qui semblent à première vue très différents.
La boîte à outils génétique pour contrôler le développement
Homologie de l’organisation dorso-ventral des bilatériens
E. GEOFFROY-SAINT-HILAIRE
Considérations générales sur la vertèbre.
Mémoires du Muséum d'histoire naturelle 1822 (9) : 89-119.
Homologie de l’organisation dorso-ventral des bilatériens
coeur
Tube digestif
Système nerveux
Homologie de l’organisation dorso-ventral des bilatériens
BMP4 = Dpp ; Chordin = Sog
Evolution du poisson cavernicole Astyanax mexicanus
Astyanax mexicanus
La perte des yeux chez les poissons cavernicoles
12 h
16 h
24 h
36 h
24 h
48 h
5 jours
3 mois
20 h
72 h
10 jours 1 mois
3 mois
Pax6, le retour…
1 cell
(0,2 h)
4 cell
(1 h)
512 cell
(2,75 h)
30% epiboly
(4,7 h)
75% epiboly
(8 h)
14 somites
(16 h)
26 somites
(22 h)
…sous-expression de Pax6
…sur-expression de Shh
Décalage temporel de l’expression de Fgf8
1 cell
(0,2 h)
4 cell
(1 h)
512 cell
(2,75 h)
30% epiboly
(4,7 h)
75% epiboly
(8 h)
14 somites
(16 h)
=> L’expression de Fgf8 débute 2 h avant
dans le télencéphale du poisson cavernicole
26 somites
(22 h)
Les gènes architectes
Réseaux de régulation
Bricolage
Nécessité
Hasard
Pour aller plus loin…