Comment les raies ont-elles évolué pour développer des nageoires en forme d’ailes ?

La danse d’une raie sur le fond de l’océan est gracieuse : ses énormes nageoires avant battent comme des ailes lorsqu’elle glisse sous le sable. Précisément, la cause génétique derrière la forme de leurs nageoires a fait l’objet d’une étude qui révèle comment les raies ont évolué pour développer des nageoires en forme d’ailes.

L’étude est l’œuvre de spécialistes de l’Institut de recherche biomédicale de Barcelone (IRBB) et du Conseil supérieur de la recherche scientifique (CSIC) du Centre andalou de biologie du développement (CABD), à Séville, en Espagne.

Les résultats confirment que les altérations des structures tridimensionnelles que l’ADN forme lorsqu’il se replie sur lui-même, appelées domaines topologiquement associés (TAD), déterminent quels gènes sont activés et désactivés à un moment donné de l’évolution. .

Les chercheurs soulignent que les changements génomiques qui modifient les TAD peuvent être un moteur de l’évolution. Jusqu’à récemment, l’étude de l’évolution du génome se concentrait principalement sur les régions codantes, c’est-à-dire sur les parties qui contiennent les gènes qui donnent naissance aux protéines. Cependant, cette nouvelle étude se concentre sur le rôle des TAD et des régions non codantes. “Il s’agit d’une nouvelle façon de comprendre comment les génomes évoluent”, explique Darío Lupiáñez, généticien au Max Delbrück Center for Molecular Medicine (Allemagne) et l’un des principaux auteurs de l’étude.

Il y a plus de 450 millions d’années, le génome d’un poisson primitif, ancêtre de tous les vertébrés, a doublé. L’expansion du matériel génétique a alimenté l’évolution rapide de plus de 60 000 vertébrés, y compris les humains. L’un de nos parents vertébrés les plus éloignés sont les raies, des organismes très pertinents pour comprendre l’évolution des traits qui ont fait de nous des humains, comme les membres.

Pour ce faire, les chercheurs ont étudié un type de raie (Leucoraja erinacea) qui, du fait de la similitude de cette espèce avec des vertébrés ancestraux, “permet de comparer ses caractéristiques avec celles d’autres espèces pour déterminer ce qui est nouveau et ce qui est ancestral”. au cours de l’évolution », explique Christina Paliou, biologiste au CABD et l’un des premiers auteurs de l’étude.

Una Raya. (Photo : Claire Fackler/CINMS/NOAA)

Un tournant pour la génomique évolutive

En 2017, le regretté chercheur CABD José Luis Gómez-Skarmeta, figure essentielle de la génomique évolutive en Espagne, a réuni des scientifiques du monde entier pour étudier l’évolution de la raie. Son intérêt était d’étudier comment les génomes évoluent structurellement et fonctionnellement pour favoriser l’émergence de nouveaux traits.

Ce moment a été crucial pour le domaine de la génomique évolutive. Les scientifiques ont acquis une toute nouvelle compréhension de la façon dont l’ADN de chaque cellule, qui peut mesurer jusqu’à deux mètres de long, se replie en un noyau cellulaire de seulement 0,005 centimètre de diamètre. Ces nouvelles études ont montré que l’empaquetage de l’ADN dans le noyau est loin d’être aléatoire, mais plutôt organisé en structures 3D appelées TAD, qui contiennent des gènes et leurs séquences régulatrices. “Ces structures 3D garantissent que les gènes appropriés sont activés et désactivés à un moment donné, dans les bonnes cellules”, explique Juan Tena, l’un des principaux auteurs de l’étude.

Rafael Acemel, généticien au centre Max Delbrück et l’un des premiers auteurs de l’étude, a mené des expériences utilisant la technologie Hi-C pour élucider la structure 3D des TAD. Mais l’interprétation des résultats était difficile, car les scientifiques avaient besoin du génome complet de la raie comme point de référence. “A l’époque, la référence consistait en des milliers de petits morceaux de séquences d’ADN qui étaient complètement hors service, ce qui n’a pas beaucoup aidé.” Pour surmonter cette difficulté, les scientifiques ont utilisé une technologie de séquençage à lecture longue, ainsi que des données Hi-C, pour assembler les morceaux d’ADN comme un puzzle et cartographier les séquences mélangées aux chromosomes de la série. Avec cette nouvelle référence, la reconstruction de la structure 3D des TADs était enfin possible.

Avec ce nouveau génome, ils ont pu faire des comparaisons avec les génomes de leurs plus proches parents, les requins, afin d’identifier les TAD altérés au cours de l’évolution des raies. Ces TAD modifiés comprenaient des gènes pour la voie Wnt/PCP, qui est importante pour le développement des nageoires. Ils ont également identifié une variation spécifique dans une séquence non codante à proximité des gènes Hox, qui régulent également le développement des nageoires. “Cette séquence spécifique peut activer plusieurs gènes Hox dans la partie avant des nageoires de la raie, ce qui ne se produit pas chez d’autres poissons ou animaux tétrapodes”, explique Paliou. Par la suite, les scientifiques ont réalisé des expériences fonctionnelles qui ont confirmé que ces changements moléculaires contribuaient à l’évolution de la forme caractéristique des nageoires des rayons.

Les TAD sont le moteur de l’évolution

Des études antérieures ont montré que des changements dans les TAD peuvent affecter l’expression des gènes et provoquer des maladies. Dans cette nouvelle étude, les scientifiques montrent que les TAD sont également impliquées dans l’évolution des traits chez certaines espèces.

Les TAD sont importants pour la régulation des gènes, puisque 40 % d’entre eux sont conservés chez tous les vertébrés, tandis que les 60 % restants ont évolué d’une manière ou d’une autre. Ce mécanisme d’évolution pourrait être relativement fréquent et expliquer de nombreuses autres caractéristiques intéressantes des espèces que nous observons dans la nature. C’est une découverte importante, car elle suggère que la structure 3D du génome influence son évolution », conclut Lupiáñez.

L’étude s’intitule “Le génome de la petite raie et l’émergence évolutive d’appendices de nageoires en forme d’ailes”. Et il a été publié dans la revue académique Nature. (Source : SCCI)