Il y a environ 350 millions d’années, vos ancêtres évolutifs – et les ancêtres de tous les vertébrés modernes – n’étaient que des animaux au corps mou vivant dans les océans. Afin de survivre et d’évoluer pour devenir ce que nous sommes aujourd’hui, ces animaux avaient besoin d’une certaine protection et d’un avantage sur les prédateurs de l’océan, qui étaient alors dominés par les crustacés.
L’évolution de l’armure cutanée, comme les épines acérées trouvées sur un poisson-chat blindé ou les écailles osseuses en forme de losange, appelées écailles, recouvrant un esturgeon, a été une stratégie réussie. Des milliers d’espèces de poissons utilisaient divers modèles d’armure cutanée, composés d’os et/ou d’une substance appelée dentine, un composant important des dents humaines modernes. Des revêtements protecteurs comme ceux-ci ont aidé les vertébrés à survivre et à évoluer vers de nouveaux animaux et finalement des humains.
Mais d’où vient cette armure ? Comment nos anciens ancêtres sous-marins ont-ils évolué pour développer ce manteau protecteur ?
Maintenant, en utilisant des esturgeons, une nouvelle étude révèle qu’une population spécifique de cellules souches, appelées cellules de la crête neurale du tronc, est responsable du développement des écailles osseuses chez les poissons. Les travaux ont été menés par Jan Stundl, maintenant chercheur postdoctoral Marie Sklodowska-Curie dans le laboratoire de Marianne Bronner, professeur de biologie 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 Bronner s’intéresse depuis longtemps à l’étude des cellules des crêtes neurales. Présentes chez tous les vertébrés, y compris les poissons, les poulets et nous-mêmes, ces cellules se spécialisent selon qu’elles proviennent des régions de la tête (crânienne) ou de la moelle épinière (tronc). Les cellules de la crête neurale crânienne et du tronc migrent à partir de leurs points de départ dans tout le corps en développement de l’animal, 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 de la crête neurale du tronc donnent naissance à une armure dermique à base de dentine chez un type de poisson appelé la petite raie, Stundl et ses collègues ont émis l’hypothèse que la même population de cellules pourrait également donner naissance à de l’os. -armure basée chez les vertébrés en général.
Pour étudier cela, Stundl et l’équipe se sont tournés vers les esturgeons, en particulier l’esturgeon sterlet (Acipenser ruthenus). Les esturgeons modernes, mieux connus pour leur production du caviar le plus cher du monde, ont encore bon nombre des mêmes caractéristiques que leurs ancêtres d’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 la pisciculture et l’hydrobiologie 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 écailles osseuses après quelques semaines. Les chercheurs ont donc gardé les poissons en croissance dans un laboratoire sombre afin de ne pas perturber le colorant fluorescent avec la lumière.
L’équipe a trouvé des cellules de crête neurale du tronc marquées par fluorescence aux endroits exacts où se formaient les écailles osseuses de l’esturgeon. Ils ont ensuite utilisé une technique différente pour mettre en évidence les ostéoblastes du poisson, un type de cellule qui forme l’os. Des signatures génétiques associées à la différenciation des ostéoblastes ont été trouvées dans les cellules fluorescentes des écailles en développement du poisson, fournissant des preuves solides que les cellules de la crête neurale du tronc donnent en fait naissance à des cellules formant des os.
Combiné aux découvertes de 2017 sur le rôle des cellules de la crête neurale dans la formation de l’armure à base de dentine, les travaux montrent que les cellules de la crête neurale du tronc sont en effet responsables de l’apparition de l’armure cutanée osseuse qui a permis le succès évolutif des poissons vertébrés.
« Travailler avec des organismes non modèles est délicat ; les outils qui existent dans les organismes de laboratoire standard comme la souris ou le poisson zèbre ne fonctionnent pas ou doivent être considérablement adaptés », explique Stundl. « Malgré ces défis, les informations provenant d’organismes non modèles comme l’esturgeon nous permettent de répondre de manière rigoureuse aux questions fondamentales de la biologie évolutive du développement. »
« En étudiant de nombreux animaux sur l’arbre de la vie, nous pouvons déduire quels événements évolutifs ont eu lieu », explique Bronner. « Ceci est particulièrement puissant si nous pouvons aborder les questions évolutives du point de vue de la biologie du développement, car de nombreux changements qui ont conduit à divers types de cellules se sont produits via de petites altérations du développement embryonnaire. »
L’article s’intitule « L’armure cutanée des vertébrés anciens a évolué à partir de la crête neurale du tronc ».
Plus d’information:
Jan Stundl et al, L’armure cutanée des vertébrés anciens a évolué à partir de la crête neurale du tronc, Actes de l’Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2221120120