Ce que la pieuvre et le cerveau humain ont en commun

Les céphalopodes comme les poulpes, les calmars et les seiches sont des animaux très intelligents dotés de systèmes nerveux complexes. Dans Avancées scientifiquesune équipe dirigée par Nikolaus Rajewsky du Max Delbrück Center vient de montrer que leur évolution est liée à une expansion spectaculaire de leur répertoire de microARN.

Si nous remontons assez loin dans l’histoire de l’évolution, nous rencontrons le dernier ancêtre commun connu des humains et des céphalopodes : un animal vermiforme primitif avec une intelligence minimale et des taches oculaires simples. Plus tard, le règne animal peut être divisé en deux groupes d’organismes, ceux qui ont une colonne vertébrale et ceux qui n’en ont pas. Alors que les vertébrés, en particulier les primates et autres mammifères, ont développé des cerveaux volumineux et complexes dotés de diverses capacités cognitives, les invertébrés ne l’ont pas fait. A une exception près : les céphalopodes.

Les scientifiques se sont longtemps demandé pourquoi un système nerveux aussi complexe ne pouvait se développer que chez ces mollusques. Maintenant, une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Max Delbrück Center et du Dartmouth College aux États-Unis a avancé une raison possible. Dans un article publié dans Avancées scientifiquesils expliquent que les pieuvres possèdent un répertoire massivement étendu de microARN (miARN) dans leur tissu neural, reflétant des développements similaires qui se sont produits chez les vertébrés.

« C’est donc ce qui nous relie à la pieuvre », déclare le professeur Nikolaus Rajewsky, directeur scientifique de l’Institut de biologie des systèmes médicaux de Berlin du Centre Max Delbrück (MDC-BIMSB), responsable du laboratoire de biologie des systèmes des éléments de régulation génétique, et le dernier auteur du journal. Il explique que cette découverte signifie probablement que les miARN jouent un rôle fondamental dans le développement de cerveaux complexes.

En 2019, Rajewsky a lu une publication sur les analyses génétiques menées sur les poulpes. Les scientifiques ont découvert qu’une grande partie de l’édition de l’ARN se produit dans ces céphalopodes, ce qui signifie qu’ils utilisent largement certaines enzymes capables de recoder leur ARN.

« Cela m’a fait penser que les pieuvres peuvent non seulement être douées pour l’édition, mais aussi avoir d’autres astuces d’ARN dans leur manche », déclare Rajewsky. Il entame alors une collaboration avec la station de recherche marine Stazione Zoologica Anton Dohrn à Naples, qui lui envoie des échantillons de 18 types de tissus différents de pieuvres mortes.

Les résultats des analyses ont été surprenants : « Il y avait en effet beaucoup d’édition d’ARN en cours, mais pas dans les domaines que nous pensons intéressants », déclare Rajewsky. La découverte la plus intéressante était en fait l’expansion spectaculaire d’un groupe bien connu de gènes d’ARN, les microARN.

Au total, 42 nouvelles familles de miARN ont été découvertes, en particulier dans le tissu neural et principalement dans le cerveau. Étant donné que ces gènes ont été conservés au cours de l’évolution des céphalopodes, l’équipe conclut qu’ils étaient clairement bénéfiques pour les animaux et sont donc importants sur le plan fonctionnel.

Rajewsky étudie les miARN depuis plus de 20 ans. Au lieu d’être traduits en ARN messagers, qui délivrent les instructions pour la production de protéines dans la cellule, ces gènes codent de petits morceaux d’ARN qui se lient à l’ARN messager et influencent ainsi la production de protéines. Ces sites de liaison ont également été conservés tout au long de l’évolution des céphalopodes, une autre indication que ces nouveaux miARN ont une importance fonctionnelle.

De nouvelles familles de microARN

« Il s’agit de la troisième plus grande expansion de familles de microARN dans le monde animal, et la plus importante en dehors des vertébrés », déclare l’auteur principal Grygoriy Zolotarov, MD, un scientifique ukrainien qui a effectué un stage dans le laboratoire de Rajewsky au MDC-BIMSB tout en terminant ses études de médecine à Prague. , et ensuite. « Pour vous donner une idée de l’ampleur, les huîtres, qui sont aussi des mollusques, n’ont acquis que cinq nouvelles familles de microARN depuis les derniers ancêtres qu’elles ont partagés avec les pieuvres, alors que les pieuvres en ont acquis 90. »

Les huîtres, ajoute Zolotarov, ne sont pas exactement connues pour leur intelligence.

La fascination de Rajewsky pour les pieuvres a commencé il y a des années, lors d’une visite nocturne à l’aquarium de Monterey Bay en Californie. « J’ai vu cette créature assise au fond du réservoir et nous avons passé plusieurs minutes – du moins j’ai pensé – à nous regarder. » Il dit que regarder une pieuvre est très différent de regarder un poisson : « Ce n’est pas très scientifique, mais leurs yeux dégagent un sentiment d’intelligence. » Les pieuvres ont des yeux de « caméra » tout aussi complexes que les humains.

D’un point de vue évolutif, les pieuvres sont uniques parmi les invertébrés. Ils ont à la fois un cerveau central et un système nerveux périphérique, capable d’agir indépendamment. Si une pieuvre perd un tentacule, le tentacule reste sensible au toucher et peut toujours bouger. La raison pour laquelle les pieuvres sont les seules à avoir développé des fonctions cérébrales aussi complexes pourrait résider dans le fait qu’elles utilisent leurs bras de manière très ciblée, comme des outils pour ouvrir des coquilles, par exemple.

Les pieuvres montrent également d’autres signes d’intelligence : elles sont très curieuses et peuvent se souvenir des choses. Ils peuvent également reconnaître les gens et en aimer certains plus que d’autres. Les chercheurs croient maintenant qu’ils rêvent même, puisqu’ils changent de couleur et de structures cutanées pendant leur sommeil.

Créatures ressemblant à des extraterrestres

« Ils disent que si vous voulez rencontrer un extraterrestre, faites de la plongée et faites-vous des amis avec une pieuvre », explique Rajewsky. Il envisage maintenant de s’associer à d’autres chercheurs sur le poulpe pour former un réseau européen qui permettra un plus grand échange entre les scientifiques. Bien que la communauté soit actuellement petite, Rajewsky dit que l’intérêt pour les pieuvres augmente dans le monde entier, y compris parmi les chercheurs en comportement.

Il dit qu’il est fascinant d’analyser une forme d’intelligence qui s’est développée entièrement indépendamment de la nôtre. Mais ce n’est pas facile : « Si vous faites des tests avec eux en utilisant de petites collations comme récompense, ils perdent vite tout intérêt. Du moins, c’est ce que me disent mes collègues », explique Rajewsky.

« Étant donné que les pieuvres ne sont pas des organismes modèles typiques, nos outils de biologie moléculaire étaient très limités », explique Zolotarov. « Nous ne savons donc pas encore exactement quels types de cellules expriment les nouveaux microARN. » L’équipe de Rajewsky prévoit maintenant d’appliquer une technique, développée dans le laboratoire de Rajewsky, qui rendra les cellules du tissu de poulpe visibles au niveau moléculaire.