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Comment les poissons ont-ils développé leur carapace osseuse écailleuse ?

Il y a environ 350 millions d’années, vos ancêtres évolutifs – et les ancêtres de tous les vertébrés modernes – n’étaient que des animaux marins au corps mou. Afin de survivre et d’évoluer vers ce que nous sommes aujourd’hui, ces animaux avaient besoin d’une certaine protection et d’avantages par rapport aux prédateurs des océans, qui étaient alors dominés par les crustacés.

L’évolution des armures de cuir, telles que les épines acérées trouvées sur le poisson-chat blindé ou les écailles osseuses en forme de losange appelées écailles qui recouvrent les esturgeons, a été une stratégie réussie. Des milliers d’espèces de poissons utilisent différents styles de boucliers dermiques, constitués d’os et/ou d’un matériau appelé dentine, un composant important des dents humaines modernes. Les revêtements protecteurs ont aidé ces vertébrés à survivre et à évoluer en de nouveaux animaux et éventuellement en humains.

Mais d’où vient ce bouclier ? comment Nos anciens ancêtres ont-ils évolué sous l’eau pour faire pousser ce manteau protecteur ?

Maintenant, en utilisant l’esturgeon, une nouvelle étude a découvert qu’un groupe spécifique de cellules souches, appelées cellules de la crête neurale du souche, sont responsables du développement de l’ostéosarcome chez le poisson. Les travaux ont été menés par Jan Stündl, aujourd’hui chercheur postdoctoral avec Marie Sklodowska-Curie au laboratoire Marianne BrunerProfesseur de biologie à l’Edward B. Lewis et directeur de l’Institut Beckman à Caltech. Un article décrivant la recherche paraît dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences Le 17 juillet.

Le laboratoire de Brunner s’intéresse depuis longtemps à l’étude des cellules des crêtes neurales. Ces cellules se trouvent dans tous les vertébrés, y compris les poissons, les poulets et nous-mêmes, et elles se spécialisent selon qu’elles proviennent de zones de la tête (le crâne) ou de la moelle épinière (le tronc). Les cellules de la crête neurale crânienne et du tronc migrent à partir de leurs points de départ dans tout le corps de l’animal en développement, donnant naissance aux cellules qui composent les mâchoires, le cœur et d’autres structures importantes. Après qu’une étude de 2017 de l’Université de Cambridge a montré que les cellules souches neurales donnent naissance à un bouclier cutané à base d’ivoire chez une espèce de poisson appelée raies minuscules, Stundell et ses collègues ont émis l’hypothèse que le même ensemble de cellules pourrait également donner naissance à des os. – Armure basée sur des vertébrés à grande échelle.

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Pour étudier cela, Stundl et l’équipe se sont tournés vers l’esturgeon, en particulier l’esturgeon sterlet (Acipenser Ruthénos). L’esturgeon moderne, connu pour produire le caviar le plus cher du monde, possède encore bon nombre des mêmes caractéristiques que ses ancêtres il y a des millions d’années. Cela en fait des candidats de choix pour les études évolutives.

À l’aide d’embryons d’esturgeon cultivés à l’Institut de recherche sur l’élevage de poissons et la biologie aquatique en République tchèque, Stundl et son équipe ont utilisé un colorant fluorescent pour suivre la migration des cellules de la crête neurale du tronc du poisson dans tout son corps en développement. Les esturgeons commencent à développer leurs osselets après deux semaines. Les chercheurs ont donc gardé les poissons en développement dans un laboratoire sombre afin qu’ils ne perturbent pas le colorant fluorescent avec de la lumière.

L’équipe a trouvé des cellules de crête neurale souches marquées par fluorescence aux sites exacts où se formaient les osselets de l’esturgeon. Ensuite, ils ont utilisé une technique différente pour mettre en évidence les ostéoblastes, un type de cellule qui forme l’os. Des signatures génétiques associées à la différenciation des ostéoblastes ont été trouvées dans des cellules fluorescentes dans des écailles de poisson en développement, fournissant des preuves solides que les cellules de la crête neurale de la tige donnent effectivement naissance à des cellules ostéogéniques. Combinés aux découvertes de 2017 sur le rôle des cellules de la crête neurale dans la formation d’un bouclier à base de dentine, les travaux montrent que les cellules dendritiques de la crête neurale sont bien responsables de l’émergence du bouclier dermo-osseux qui a permis le succès évolutif des poissons vertébrés.

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« Travailler avec des organismes non modèles est un défi ; les outils sur des organismes de laboratoire standard tels que la souris ou le poisson zèbre ne fonctionnent pas ou doivent être hautement adaptés », explique Stündl. « Malgré ces défis, les informations provenant d’organismes non modèles tels que l’esturgeon nous permettent de répondre de manière rigoureuse aux questions fondamentales de la biologie évolutive. »

« En étudiant de nombreux animaux sur l’arbre de vie, nous pouvons déduire les événements évolutifs qui ont eu lieu », explique Bruner. « Ceci est particulièrement puissant si nous pouvons aborder les questions évolutives du point de vue de la biologie évolutive, car bon nombre des changements qui conduisent à différents types de cellules se sont produits par de petites modifications du développement embryonnaire. Nous avons été très chanceux de recevoir un financement du Caltech Center for Sciences de l’évolution, ce qui contribue à rendre possibles des études de ce type.

Centre Caltech pour les sciences de l’évolution (CES) est une organisation multi-départementale à l’échelle de l’institut qui reconnaît et soutient l’étude des changements évolutifs dans le monde naturel via les forces biotiques et anthropiques.

« L’évolution est un thème central qui traverse toute la biologie ; il unit notre discipline », dit-il. Joe ParkerChen Scholar, professeur adjoint de biologie et de génie biologique et directeur associé du CES. « Caltech est un endroit formidable avec de nombreux groupes poursuivant des problèmes d’évolution dans divers contextes, y compris à l’interface de la biologie du développement et de l’évolution – comme le montre très bien cette étude. »

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L’article s’intitule « Évolution du bouclier cutané des anciens vertébrés à partir de la crête neurale du tronc ». En plus de Brunner et Stundell, les co-auteurs de Caltech sont l’ancienne chercheuse postdoctorale Megan Martic, maintenant à l’UC Berkeley, et la chercheuse postdoctorale Desingo Ayappa Raja. Les autres co-auteurs sont Donglei Chen, Tatjana Haitina et Per Ahlberg de l’Université d’Uppsala à Uppsala, en Suède. Roman Franch et Martin Psińska de l’Université de Bohême du Sud en République tchèque ; Anna Pospisilova et Robert Cerny de l’Université Charles de Prague, République tchèque ; Brian Mitscher de l’Université de Vienne en Autriche ; et Ingo Braasch de l’Université d’État du Michigan. Le financement a été fourni par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne ; Instituts nationaux de la santé ; Bourse Wallenberg de la Fondation Knut & Alice Wallenberg; Fondation Helen Hay Whitney; ministère de l’Éducation, de la Jeunesse et des Sports de la République tchèque ; Fondation scientifique tchèque ; et la Fondation nationale des sciences.

Bruner et Parker sont des professeurs affiliés Tianqiao et Chrissie Chen Institute of Neurosciences à Caltech.

Delphine Perrault

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