Étudier l’évolution en se concentrant uniquement sur les fossiles laisserait de nombreuses questions sans réponse, mais la biologie évolutive du développement (autrement connue sous le nom d' »evo-devo ») aide à combler les lacunes.
Les scientifiques d’Evo-devo étudient le développement des embryons d’animaux, ce qui leur permet de faire des déductions sur les changements évolutifs. En d’autres termes, ils examinent l’interaction des gènes, des cellules, des tissus et de l’environnement au cours du développement embryonnaire pour comprendre comment les différences dans ces facteurs peuvent conduire à des changements évolutifs sur plusieurs générations, comme la transformation d’une nageoire de poisson en un membre de vertébré. .
Andrew Gillis, qui rejoint MBL en tant que chercheur associé plus tard cet été, compare l’evo-devo à une forme de biologie comparative du développement. « Au lieu de vous concentrer sur l’étude d’un seul animal », explique Gillis, « vous comparez le développement de différents animaux afin de comprendre comment les changements de développement ont entraîné des changements dans la forme adulte. »
Le laboratoire Gillis se concentre sur les premiers événements de l’évolution des vertébrés, comme l’origine des nageoires, des branchies et des mâchoires. Afin de comprendre quelles caractéristiques étaient présentes chez nos plus anciens ancêtres vertébrés, le laboratoire étudie une grande variété de vertébrés issus de branches éloignées de l’arbre évolutif. En voyant si les caractéristiques sont partagées entre tous les animaux, ils peuvent déduire quels ancêtres de l’arbre évolutif peuvent avoir eu ces caractéristiques.
Evo-devo a connu des vagues d’excitation suite aux progrès technologiques depuis ses débuts à la fin du 19e siècle, lorsque les scientifiques ont commencé à rechercher des indices sur les tendances évolutives en examinant des tranches d’embryons à l’aide de l’histologie et de la microscopie. L’intérêt pour l’evo-devo a de nouveau été éveillé par les progrès de la biologie moléculaire qui ont permis aux scientifiques de rassembler des informations sur les gènes et l’expression des gènes au cours du développement. Ces dernières années, le domaine a connu une nouvelle renaissance alors que les outils d’édition et de séquençage des génomes ont progressé parallèlement aux nouvelles techniques de microscopie. Malgré la longue histoire d’evo-devo, « il y a de vieilles questions qui restent encore largement sans réponse », explique Gillis.
La distribution principale de personnages dans la recherche en biologie du développement a tendance à inclure des animaux comme les souris, les poulets, les poissons zèbres et les grenouilles. Les chercheurs Evo-devo comparent souvent ces organismes de recherche populaires à des organismes moins courants, comme la petite raie (Leucoraja erinacea). Dans le passé, les patins ont été utilisés pour étudier comment les nageoires se sont transformées en membres par des chercheurs du laboratoire de Neil Shubin, biologiste de l’évolution à l’Université de Chicago et ancien directeur par intérim du MBL. Gillis, un ancien Ph.D. élève de Shubin, a trouvé un nouveau rôle pour le petit patin dans la compréhension du développement de la mâchoire.
Gillis et son ancienne étudiante Christine Hirschberger, qui est actuellement associée de recherche postdoctorale à l’Université de Cambridge, ont publié un article dans Développement cette semaine qui a trouvé une petite structure à l’arrière de la mâchoire du patin qui donne des indices sur la façon dont les mâchoires ont pu évoluer. La structure en question, la pseudobranche, ressemble étroitement à une branchie et partage des types de cellules et des caractéristiques d’expression génique avec les branchies, ce qui laisse entendre que la mâchoire a probablement évolué à partir des mêmes structures qui créent les branchies.
La pseudobranche a également fait l’objet d’une étude sur le poisson zèbre par Mathi Thiruppathy, étudiant diplômé dans le laboratoire de Gage Crump à l’Université de Californie du Sud et étudiant dans le cours d’embryologie MBL cet été. En plus d’utiliser des techniques similaires à celles de Hirschberger et Gillis, le groupe de Thiruppathy a pu utiliser davantage d’outils génétiques. Ils ont utilisé des poissons zèbres mutants sans branchies pour montrer qu’un gène faisant partie intégrante du développement des branchies est également essentiel au bon développement des pseudobranches, ce qui renforce encore ses liens évolutifs avec les branchies.
« Notre approche est puissante pour répondre à de nombreuses questions de longue date en evo-devo dans un avenir proche : identifier les programmes réglementaires responsables de la spécification des tissus ou des types de cellules, puis suivre le déploiement de ce programme au sein et entre les espèces pour mieux comprendre comment ces les structures ont évolué », dit Thiruppathy. « Je pense que les avancées récentes dans les technologies unicellulaires et la génomique seront une partie importante de ce pipeline. »
Ces articles s’appuient sur des travaux antérieurs de l’équipe de Gillis décrivant les similitudes génétiques entre les structures supérieure et inférieure des mâchoires et des branchies. Ensemble, ces articles offrent des preuves convaincantes que la mâchoire a évolué par modification d’une branchie ancestrale.
Selon Gillis, la prochaine étape de cette ligne de recherche consistera à trouver des fossiles de vertébrés sans mâchoires et à évaluer s’ils ont aussi des branchies ou des structures semblables à des branchies qui pourraient être des précurseurs des mâchoires. Bien sûr, ce sera le travail des paléontologues plutôt que des biologistes du développement évolutionniste, mais il reste de nombreuses questions passionnantes auxquelles les chercheurs evo-devo devront répondre.
Christine Hirschberger et al, La pseudobranche des vertébrés à mâchoires est une branchie dérivée de l’arc mandibulaire, Développement (2022). DOI : 10.1242/dev.200184