Il y a environ 800 millions d’années, les éléments constitutifs de nos cellules cérébrales ont commencé à se former dans les océans peu profonds. Les recherches publiées dans la revue Cell apportent de nouvelles informations sur l’évolution des neurones, en se concentrant sur les animaux vivipares, un animal marin de taille millimétrique. Des scientifiques du Centre de régulation du génome de Barcelone ont découvert que les cellules sécrétoires spécialisées de ces animaux anciens et uniques pourraient avoir donné naissance aux neurones d'animaux plus complexes.
Les animaux vivipares sont de minuscules animaux, de la taille d'un gros grain de sable, qui se nourrissent dans les mers chaudes et peu profondes d'algues et de micro-organismes qui vivent sur les surfaces rocheuses et autres substrats. Les créatures en forme de boule et de crêpe sont très simples et n'ont aucune partie du corps ni organe.
On pense que ces animaux sont apparus pour la première fois sur Terre il y a environ 800 millions d'années et constituent l'un des cinq principaux phylums animaux, avec Ctenophora, Porifera, Cnidaria (coraux, anémones de mer et méduses) et Bilateria (tous les autres animaux).
Ces créatures marines coordonnent leur comportement grâce à des cellules peptidergiques, un type spécial de cellules qui libèrent de petits peptides pour diriger les mouvements ou l'alimentation de l'animal. Poussés par la curiosité quant aux origines de ces cellules, les auteurs de l’étude ont utilisé une gamme de techniques moléculaires et de modèles informatiques pour comprendre comment les types de cellules animales vivipares ont évolué et reconstituer l’apparence et le fonctionnement de nos anciens ancêtres.
Reconstruire d'anciens types de cellules
Les chercheurs ont d’abord créé une carte de tous les différents types de cellules animales vivipares, en notant leurs caractéristiques chez quatre espèces différentes. Chaque type de cellule a des rôles spécifiques qui découlent d’un ensemble spécifique de gènes. Ces cartes, ou « atlas cellulaires », permettent aux chercheurs de cartographier des groupes, ou « modules », de ces gènes. Ils ont ensuite cartographié les régions régulatrices de l’ADN qui contrôlent ces modules génétiques, montrant clairement ce que fait chaque cellule et comment elles fonctionnent ensemble. Enfin, ils ont effectué des comparaisons entre espèces pour reconstruire l’évolution des types cellulaires.
La recherche montre que les neuf principaux types de cellules des animaux vivipares semblent être reliés par de nombreux types de cellules « intermédiaires » qui passent d'un type à un autre. Ces cellules croissent et se divisent constamment, maintenant un équilibre délicat entre les types de cellules dont l’animal a besoin pour se déplacer et se nourrir. Les chercheurs ont également découvert 14 types différents de cellules peptidergiques, mais ces cellules étaient différentes de toutes les autres cellules et ne présentaient aucun type intermédiaire ni aucun signe de croissance ou de division.
Étonnamment, les cellules peptidergiques présentent de nombreuses similitudes avec les neurones, un type de cellule qui n’est apparu que des millions d’années plus tard chez des animaux plus avancés tels que les dichètes. L'analyse inter-espèces a montré que ces similitudes étaient uniques aux animaux vivipares et n'étaient pas observées dans d'autres clades précoces tels que les éponges ou les cténophores.
tremplin vers l'évolution
Les similitudes entre les cellules peptidergiques et les neurones sont évidentes sous trois aspects. Premièrement, les chercheurs ont découvert que ces cellules animales vivipares se différenciaient d’une population de cellules épithéliales natives grâce à des signaux de développement similaires au processus de neurogenèse, la formation de nouveaux neurones, chez les vers et les diplopodes.
Deuxièmement, ils ont découvert que les cellules peptidergiques possèdent de nombreux modules génétiques nécessaires à la construction de la partie du neurone qui envoie des messages (l’échafaudage présynaptique). Cependant, ces cellules sont loin d’être de véritables neurones car il leur manque les composants à l’extrémité réceptrice d’informations d’un neurone (post-synaptique) ou les composants nécessaires pour conduire les signaux électriques.
Enfin, les auteurs ont utilisé des techniques d’apprentissage profond pour montrer que la communication entre les types de cellules animales vivipares se fait via un système intracellulaire dans lequel des protéines spécifiques appelées GPCR (récepteurs couplés aux protéines G) détectent des signaux externes et déclenchent une série de réactions au sein de la cellule. Ces signaux externes sont médiés par des neuropeptides, des messagers chimiques utilisés par les neurones dans de nombreux processus physiologiques différents.
"Nous avons été frappés par les similitudes", a déclaré Sebastián R. Najle, Ph.D., co-premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral au Centre de régulation génomique. "Les cellules peptidergiques des animaux vivipares présentent de nombreuses similitudes avec les cellules nerveuses primitives, même si elles n'en sont pas encore là. C'est comme regarder un tremplin évolutif."
L'aube des neurones
L’étude montre que les éléments constitutifs des neurones se formaient il y a 800 millions d’années chez des animaux ancestraux qui paissaient dans les mers peu profondes de l’ancienne Terre. D'un point de vue évolutif, les premiers neurones pourraient avoir initialement ressemblé aux cellules sécrétoires peptidergiques des animaux vivipares d'aujourd'hui.
Les cellules utilisaient des neuropeptides pour communiquer, mais ont finalement acquis de nouveaux modules génétiques qui leur ont permis de créer des échafaudages postsynaptiques, de former des axones et des dendrites et de créer des canaux ioniques qui génèrent des signaux électriques rapides – des innovations qui ont été essentielles à l’émergence des neurones environ 100 millions d’années après l’apparition des ancêtres des animaux vivipares sur Terre.
Cependant, l’histoire complète de l’évolution du système nerveux reste à déterminer. On pense que les premiers neurones modernes proviennent de l’ancêtre commun des cnidaires et des amphibiens, il y a environ 650 millions d’années. Cependant, des cellules de type neurone existent également dans les cténophores, bien qu'elles soient structurellement très différentes et n'expriment pas la plupart des gènes présents dans les neurones modernes. Certains de ces gènes neuronaux sont présents dans les cellules animales vivipares mais pas chez les cténophores, soulevant de nouvelles questions sur la trajectoire évolutive des neurones.
"Les animaux vivipares manquent de neurones, mais nous avons maintenant découvert qu'ils présentent des similitudes moléculaires frappantes avec nos cellules nerveuses. Les cténophores ont des réseaux neuronaux qui présentent des différences clés, ainsi que des similitudes, avec les nôtres. Les neurones évoluent-ils une fois puis se différencient, ou progressent-ils en parallèle plus d'une fois ?" S’agit-il de mosaïques, chaque pièce ayant une origine différente ? Ce sont des questions ouvertes auxquelles il faut répondre", a déclaré Xavier Grau-Bové, Ph.D., co-premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral au Centre de régulation du génome.
Les auteurs de l'étude estiment qu'à mesure que les chercheurs du monde entier continuent de séquencer des génomes de haute qualité de différentes espèces, les origines des neurones et l'évolution d'autres types de cellules deviendront de plus en plus claires.
"Les cellules sont l'unité de base de la vie, donc comprendre comment les cellules apparaissent ou changent au fil du temps est essentiel pour expliquer l'histoire de l'évolution de la vie. Les animaux vivipares, les cténophores, les éponges et autres animaux modèles non traditionnels détiennent des secrets que nous commençons tout juste à découvrir", conclut Arnau Sebé-Pedros, auteur correspondant de l'étude, chef de groupe junior au Centre de régulation génomique et professeur de recherche à l'ICREA.