Évolution du développement et des génomes - Denis Duboule Collège de France

Denis Duboule
Collège de France
Évolution des génomes et développement (chaire internationale)
Année 2021-2022
Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un rappel des notions importantes développées lors de la cinquième leçon, l'expression des gènes Hox lors du développement de la nageoire pédonculée du poisson à poumon australien Neoceratodus forsteri est décrite à partir de deux études dont les conclusions sont quelque peu différentes. Ensuite, un schéma d'apparition de l'autopode basé sur l'une de ces deux études est discuté. Puis, la régulation fine des gène Hoxd pendant le développement du membre chiridien est décrite au niveau de la structure de la chromatine et des enhancers proximaux et distaux.

La présence de cette organisation particulière des paysages de régulation n'est pas observée chez le lancelet (amphioxus), un animal céphalochordé, mais est visible chez le poisson zèbre. Toutefois, l'analyse fonctionnelle de ces paysages de régulation téléostéens chez la souris ne révèle pas de capacité d'expression dans la partie la plus distale des membres, suggérant que si les structures de régulations nécessaires au déploiement des gènes Hox sont déjà présentes chez le poisson zèbre, les enhancers à potentiel distal ne sont pas présent. Par conséquent, à ce niveau d'homologie super-profonde, les poissons osseux ne semblent pas avoir de doigts ou des structures qui pourraient y être assimilées.

Denis Duboule
Collège de France
Évolution des génomes et développement (chaire internationale)
Année 2021-2022
Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un rappel des notions importantes développées lors de la troisième leçon, concernant en particulier le développement de la nageoire pectorale du poisson-zèbre et des deux types de squelettes qui la composent (endo- et exo-), l'utilisation de gènes marqueurs apparaît nécessaire pour essayer d'approfondir les homologies possibles avec le membre antérieur des tétrapodes. Comme marqueurs et déterminants de l'axe proximo-distal, les gènes Hox sont discutés et leur dynamique d'expression pendant le développement du membre chiridien est examinée en détail. Ensuite, le point est fait sur l'existence de ces gènes chez les poissons et leur expression est décrite dans le bourgeon de nageoire à différents stades.

Denis Duboule
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Évolution des génomes et développement (chaire internationale)
Année 2021-2022
Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un rappel des notions importantes développées lors de la troisième leçon, concernant en particulier le développement de la nageoire pectorale du poisson-zèbre et des deux types de squelettes qui la composent (endo- et exo-), l'utilisation de gènes marqueurs apparaît nécessaire pour essayer d'approfondir les homologies possibles avec le membre antérieur des tétrapodes. Comme marqueurs et déterminants de l'axe proximo-distal, les gènes Hox sont discutés et leur dynamique d'expression pendant le développement du membre chiridien est examinée en détail. Ensuite, le point est fait sur l'existence de ces gènes chez les poissons et leur expression est décrite dans le bourgeon de nageoire à différents stades.

Denis Duboule
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Évolution des génomes et développement (chaire internationale)
Année 2021-2022
Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un rappel des notions importantes développées lors de la deuxième leçon, en particulier concernant les approches génétiques et cellulaires du développement des membres chiridiens, cette troisième leçon commence par une discussion sur la difficulté de trouver de bons poissons modèles pour étudier le développement de la nageoire. Puis, le poisson-zèbre est présenté et le développement de ses nageoires pectorales discuté en détail. Alors que la phase précoce de ce développement ressemble à celle présentée précédemment chez les amniotes, le repliement de la couche ectodermique et la formation d'un exosquelette dans la partie le plus distale distingue clairement les développements des membres ptérygiens et des membres chiridiens. L'origine cellulaire de cet exosquelette, absent chez les tétrapodes, est ensuite discutée ainsi que son interaction avec l'endosquelette, le moment précis du repliement de la couche ectodermique ajustant peut-être les importances respectives de ces deux types de pièces osseuses.

Denis Duboule
Collège de France
Évolution des génomes et développement (chaire internationale)
Année 2021-2022
Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un bref rappel à la fois de la question fondamentale posée dans ce cours et des notions importantes développées lors de la première leçon, cette deuxième leçon commence par une discussion sur le concept d'homologie et sur les différentes profondeurs (structure, expression des gènes, mécanismes fins...) qui doivent être considérées lorsque l'on essaie d'établir des correspondances évolutives entre des structures aussi différentes que les parties les plus distales des membres ptérigiens et chiridiens. Ensuite, après quelques notions d'embryologie classique, un résumé des grandes étapes du développement des membres des tétrapodes est présenté, avec un accent particulier mis sur les réseaux génétiques impliqués. Puis, deux approches plus cellulaires sont décrites. La première concerne l'analyse des séquences des condensations de cellules cartilagineuses qui conduiront à l'organisation des pièces osseuses, et la conservation de cette séquence d'évènements chez les vertébrés amniotes. La seconde présente un développement technologique récent (séquençage des ARNs au niveau de cellules uniques) appliqué au membre chiridien, qui dès lors permet une redéfinition des linéages cellulaires et de leurs dynamiques dans le temps avec une très grande précision analytique. Ces avancées récentes vont-elles donner un nouvel éclairage à la question de la transformation d'une nageoire ancestrale d'un poisson sarcoptérigien vers le membre tétrapode actuel ?

Denis Duboule
Collège de France
Évolution des génomes et développement (chaire internationale)
Année 2021-2022
Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Ce cours portera sur l'implication des mécanismes de régulation des gènes du développement dans l'évolution des structures chez les vertébrés. En effet, alors que la sélection naturelle des formes biologiques les plus appropriées s'explique par la théorie de l'évolution, la production de la diversité de ces formes (la variation) reste encore à intégrer dans cette théorie. Plusieurs mécanismes touchant à notre patrimoine génétique sont probablement impliqués, tels que l'apparition de mutations dans des gènes importants, des remaniements chromosomiques, des sauts d'éléments transposables ou des modifications plus ou moins subtiles des systèmes complexes de régulations des gènes. Ce cours abordera certains de ces aspects en utilisant comme structure modèle les membres des vertébrés, ces appendices qui nous ont permis de coloniser le milieu terrestre à la période du dévonien, il y a quelque 370 Mio d'années, à la suite d'une série d'événements extraordinaires qui conduisirent à leur émergence à partir de nageoires ancestrales. La compréhension fine que nous avons aujourd'hui de la régulation des gènes qui construisent nos membres chez l'embryon nous permet-elle de proposer un schéma évolutif moléculaire de cette transition majeure qui a marqué l'apparition des tétrapodes et, par conséquent, celle des Homo sapiens quelques centaines de millions d'années plus tard ?

Dans cette première leçon, le contenu général du cours et ses objectifs sont définis. Il s'agira de traiter d'une des transitions morphologiques les plus importantes au sein des vertébrés, celle qui conduisit à l'apparition du membre archétype (chiridien) des tétrapodes (nos bras et nos jambes) à partir d'une structure ancestrale de type nageoire (membre ptérygien). Cette question très ancienne peut aujourd'hui être revisitée grâce à la fois aux outils les plus récents de la génétique moléculaire et de la génomique, à l'accès facilité (par la technologie) à l'étude d'espèces non modèles mais informatives grâce à leurs positions phylogénétiques, et également grâce à l'évolution des outils conceptuels utilisés dans ce domaine. L'objectif sera donc de faire le point sur les différentes théories et conclusions et d'essayer ainsi de reconstruire cette étape évolutive critique, qui a sans doute contribué à la colonisation du milieu terrestre.

Le cours commence avec un rappel de l'importance de cette question et de la nécessité d'une approche multidisciplinaire. Ensuite, cette transition évolutive est placée dans un contexte paléontologique (le dévonien supérieur) et la phylogénie des animaux impliqués dans cette transformation est discutée. Les fossiles essentiels sont brièvement présentés ce qui conduit directement à poser la question fondamentale des « homologies », à la fois entre les pièces osseuses des membres des poissons sarcoptérigiens, et entre celles-ci et les os qui composent le membre chiridien des tétrapodes.