Malgré leur réputation de fossiles vivants, les scorpions sont restés agiles sur le plan de l’évolution, en particulier dans le développement de venin pour repousser la montée des mammifères prédateurs. Une nouvelle analyse génétique de la fabrication de toxines de scorpions révèle des étapes évolutives récentes et pourrait en fait être une aubaine pour les chercheurs qui étudient les avantages du venin de scorpion pour la santé humaine.
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par des biologistes de l’Université du Wisconsin-Madison a assemblé le plus grand arbre évolutif de scorpions à ce jour, montrant sept cas indépendants dans lesquels les créatures distinctives à huit pattes ont développé des composés de venin toxiques pour les mammifères.
« Les derniers changements majeurs de la forme de leur corps, leur morphologie, se sont produits il y a environ 430 millions d’années, lorsqu’ils ont quitté l’eau et se sont déplacés vers la terre », explique Carlos Santibáñez-López, ancien chercheur postdoctoral à l’UW-Madison et auteur principal du nouvelle étude publiée aujourd’hui dans la revue Biologie systématique. « Mais nous savons maintenant qu’ils ont évolué de manière très importante beaucoup plus récemment. »
Avec l’aide de collaborateurs du monde entier, Santibáñez-López a collecté des spécimens représentant 100 espèces de scorpions et extrait de leurs glandes à venin des échantillons d’ARN, une bande d’instructions transcrites à partir d’ADN pour indiquer aux cellules quelles protéines (comme le venin) fabriquer. En collectant l’ARN peu de temps après que les scorpions aient tué un repas d’insectes, Santibáñez-López a pu se concentrer sur les gènes fabriquant activement des toxines pendant que le scorpion reconstituait son approvisionnement en venin.
En construisant un arbre généalogique basé sur les différences de venin, les chercheurs ont pu voir que si les scorpions s’étaient divisés en deux grandes familles il y a environ 300 millions d’années – les Buthidae et les Iuridae, qui donneraient naissance aux 22 familles de scorpions modernes – cette division a duré longtemps avant tout scorpion développé des toxines de venin qui ciblent les mammifères. Et pour cause : il n’y avait pas vraiment de mammifères.
Il y a plus de 70 millions d’années, à l’aube de l’âge des mammifères, l’ère cénozoïque, de nouveaux animaux comme les musaraignes – et plus tard les chauves-souris, les rongeurs, les mangoustes et les blaireaux – développeraient un goût pour les scorpions. Mais les scorpions avaient quelques tours dans leurs queues recourbées.
« Nous avons découvert que lorsque ces scorpions toxiques divergent de leurs proches, cela est en corrélation avec l’apparence des mammifères qui les chassent », explique Santibáñez-López, aujourd’hui professeur à la Western Connecticut State University. « Cela suggère que lorsque les mammifères qui mangent ces scorpions sont apparus, les scorpions ont commencé à développer ces armes pour se défendre. »
Cela ne faisait pas de mal que le venin que les scorpions utilisaient pour neutraliser les insectes qu’ils mangeaient n’était pas si éloigné, chimiquement parlant, des toxines qui agiraient sur leurs prédateurs en devenir.
« La boîte à outils était là », déclare Prashant Sharma, co-auteur de l’étude et professeur de biologie intégrative à l’UW-Madison. « Ils disposaient d’un pool de gènes à partir desquels ils fabriquaient des toxines pouvant cibler le système nerveux des insectes. Il n’a pas fallu beaucoup de changements pour adapter ces gènes afin de fabriquer des toxines qui ciblent des fonctions spécifiques dans les cellules nerveuses des mammifères. »
L’ampleur des nouvelles données génomiques est telle que les chercheurs peuvent suivre les étapes de développement à mesure que les scorpions devenaient plus dangereux pour les mammifères.
« Nous pensons avoir trouvé, grâce à ce vaste ensemble de données, des preuves de cette acquisition progressive des défenses », déclare Sharma, dont les travaux sont soutenus par la National Science Foundation. « Ils vont des scorpions qui ont une toxine spécifique aux insectes utilisée pour la capture de proies, à quelque chose qui, à un moment donné, avait des aspects toxiques pour les insectes et les mammifères, pour enfin des toxines spécifiques aux mammifères utilisées comme moyen de dissuasion, essentiellement ; comme moyen de tenir les prédateurs à distance. »
Même avant que cela ne se produise, les scorpions avaient divergé en un large éventail d’espèces sur une grande partie de la planète. Mais, selon la nouvelle analyse génomique, les toxines spécifiques aux mammifères ont évolué indépendamment dans cinq branches distinctes de la seule famille des Buthidae.
Les distinctions sont suffisamment fortes pour aider à réorganiser une grande partie de la taxonomie des scorpions. Ils peuvent également aider à faire avancer la recherche en plein essor sur les applications médicales humaines des composés de venin de scorpion.
Les scientifiques ont identifié des toxines de scorpion ayant un potentiel pharmaceutique, telles que des propriétés antimicrobiennes, anti-inflammatoires et antitumorales. Le venin de scorpion attiré par les cellules tumorales peut être recouvert d’une protéine brillante et utilisé comme « peinture tumorale », guidant les chirurgiens lorsqu’ils retirent les masses cancéreuses des patients.
Le hic, c’est que la plupart des chercheurs se limitent à étudier quelques espèces de scorpions qui leur sont utiles. La nouvelle étude, fondée sur les différences de composés toxiques entre les espèces de scorpions, pourrait ouvrir un monde de chimie du venin pour la recherche clinique.
« Maintenant, ces laboratoires auront cette bibliothèque en cours d’exécution de tous les gènes qui sont exprimés dans 100 espèces différentes, et ils peuvent étudier les organismes en fonction de ce dont ils disposent dans leurs glandes à venin, plutôt que simplement parce qu’ils se trouvent à l’extérieur en ce moment. « , dit Sharma. « Nous espérons que cela accélérera ce type de biologie translationnelle et la recherche d’applications biomédicales. »
Carlos Santibáñez-López et al, Phylogenomics of Scorpions Reveal Contemporaneous Diversification of Scorpion Mammalian Predators and Mammal-Active Sodium Channel Toxins, Biologie systématique (2022). DOI : 10.1093/sysbio/syac021