Sans la pandémie de COVID-19, une découverte importante sur le développement des nématodes, des vers cylindriques allongés, n’aurait peut-être pas été faite.
La plupart des cours et des réunions dans les universités et les écoles ayant été mis en ligne en 2020-2021, une équipe de recherche mari et femme de l’Université de Californie à Riverside a finalement trouvé le temps d’explorer une question sur laquelle elle réfléchissait depuis longtemps. : Comment les nématodes apparentés de loin au mieux étudié, Caenorhabditis elegans, fabriquent-ils leur intestin, étant donné que les gènes responsables de la spécification de l’intestin chez C. elegans sont absents chez les autres nématodes ?
« La pandémie nous a libéré du temps pour réfléchir aux recherches que nous aimerions poursuivre lorsque la pandémie s’est calmée », a déclaré Morris Maduro, professeur de biologie moléculaire, cellulaire et systémique et auteur correspondant de l’étude publiée dans Développement.
« Heureusement, une expérience que nous avons menée a généré un résultat surprenant. Il s’avère qu’un réseau de gènes plus simple semble être impliqué dans la spécification de l’intestin chez les nématodes apparentés à C. elegans. Une espèce ancestrale de C. elegans semble avoir dupliqué et étendu ce plus simple réseau de gènes pour en faire un plus compliqué, et ce réseau compliqué est celui que nous avons étudié tout ce temps chez C. elegans. »
En partie à cause de sa rapidité de développement, C. elegans est l’un des organismes modèles les plus largement utilisés dans toutes les disciplines biologiques, en particulier pour étudier comment les gènes orchestrent le développement. D’environ un millimètre de long, C. elegans vit comme un charognard dans le sol, où il se nourrit de microbes, tels que des bactéries, trouvés sur des aliments pourris. Le nématode est mâle ou hermaphrodite (avec des organes reproducteurs mâles et femelles) et vit librement. Ce n’est ni un parasite humain ni végétal et n’infecte ni ne nuit à aucun organisme connu des scientifiques.
Maduro, actuellement président du Département de biologie moléculaire, cellulaire et systémique, étudie C. elegans et d’autres nématodes depuis plus de deux décennies. Il a expliqué que les nématodes ont une anatomie simple. Le système digestif est un organe unique, l’intestin, et chez C. elegans, il est constitué des descendants d’une seule cellule de l’embryon précoce, appelée E.
« Nous et d’autres avons découvert il y a environ 20 ans que le réseau de gènes qui fait que la cellule E devient le progéniteur de l’intestin implique plusieurs gènes qui sont tous liés à une famille de facteurs de transcription appelés facteurs GATA », a déclaré Maduro.
En utilisant C. elegans, le laboratoire de Maduro a longtemps étudié comment les facteurs de transcription, qui sont des protéines qui activent l’expression des gènes, fonctionnent dans les embryons animaux précoces.
« Les facteurs de transcription fonctionnent dans ce que nous appelons les réseaux de gènes, qui sont importants en biologie non seulement pour le développement des plantes et des animaux, mais aussi pour la façon dont les organismes réagissent aux changements de leur environnement, et même comment les cellules cancéreuses modifient leurs propriétés dans les tumeurs », a déclaré Maduro. a dit.
Il a expliqué que les protéines des organismes vivants peuvent être considérées comme faisant partie d’une boîte à outils génétique.
« Imaginez une boîte à outils avec des outils tels que des marteaux, des tournevis et des perceuses », a-t-il déclaré.
« Vous pouvez utiliser les mêmes outils pour fabriquer une étagère ou construire une maison. Bien qu’une étagère semble différente d’une maison, elles peuvent être construites avec la même boîte à outils. De même, les formes de vie trouvent différentes façons d’utiliser les protéines, les outils génétiques qui sont les produits des gènes. Au fil du temps, cependant, différents gènes sont activés pour amener les cellules à remplir certaines fonctions chez un animal ou une plante. Les réseaux de gènes qui en résultent impliquent différentes façons d’utiliser les mêmes types de facteurs de transcription.
Maduro et sa femme, Gina Broitman-Maduro, ont découvert que les gènes qu’ils avaient étudiés pendant de nombreuses années chez C. elegans qui spécifiaient l’intestin manquaient dans la plupart des autres nématodes, les laissant se demander comment l’intestin est fabriqué dans ces nématodes.
« Fin 2021, alors que la pandémie s’atténuait, nous avons décidé d’examiner un parent éloigné de C. elegans, appelé C. angaria, pour voir si nous pouvions comprendre comment il fabrique son intestin », a déclaré Maduro. « C’était une expérience de longue haleine car nous ne nous attendions pas à le comprendre. Cependant, en quelques mois, nous avons découvert que les nombreux facteurs GATA chez C. elegans n’étaient qu’un seul facteur chez C. angaria. Ce seul facteur, ELT-3, existe réellement chez C. elegans mais il n’a pas la même fonction. »
Chez C. elegans, le facteur ELT-3 est connu pour être impliqué dans les réponses au stress et sa fonction est remplacée par la fonction de deux autres gènes, END-1 et END-3. Tout comme chez C. angaria lorsque ELT-3 est supprimé, l’intestin de C. elegans ne peut pas se former lorsque END-1 et END-3 sont manquants.
« Essentiellement, nous examinons un système biologique qui conserve un réseau plus simple d’une époque antérieure de l’évolution – probablement il y a 20 à 50 millions d’années – et nous pouvons le comparer à une version plus complexe qui en a évolué », a déclaré Maduro.
« En regardant à l’intérieur des cellules, nous pouvons comprendre comment la machinerie du développement a changé au fil du temps. C’est comme si nous avions une machine à remonter le temps pour regarder les ancêtres de C. elegans et comprendre comment l’évolution a abouti à une version d’un réseau de gènes pour changer en un autre sans modifier de manière significative l’apparence du ver. Les changements sont internes et se produisent « sous le capot », et offrent une opportunité extraordinaire de comprendre comment la nature trouve différentes façons d’arriver au même point final. »
Pour s’assurer qu’ils étaient sur la bonne voie, Maduro et Broitman-Maduro ont pu forcer la protéine C. angaria ELT-3 à s’exprimer au bon moment et au bon endroit chez C. elegans. Ils ont montré qu’il pouvait spécifier l’intestin.
« Quand les gens pensent aux gènes subissant des changements au cours de l’évolution, ils pensent à une plante ou à un animal faisant quelque chose de différent, c’est-à-dire que les gènes changent de sorte que l’animal est plus gros ou plus rapide, ou peut faire quelque chose qu’une autre espèce ne peut pas, comme résister. certains agents pathogènes, ou se développer dans des conditions environnementales plus difficiles », a déclaré Broitman-Maduro, premier auteur du document de recherche et spécialiste associé au laboratoire Maduro.
« Ici, le changement de réseau de gènes ne semble pas faire quoi que ce soit de fondamentalement différent : l’anatomie et le développement de l’espèce éloignée, C. angaria, sont presque impossibles à distinguer de C. elegans. »
Une question que Maduro et Broitman-Maduro étudient actuellement est de savoir pourquoi, par rapport aux autres nématodes, C. elegans aurait besoin d’un réseau de gènes plus compliqué pour spécifier l’intestin.
« L’une de nos idées est que le nouveau réseau permet à C. elegans de se développer plus rapidement, et nous essayons d’examiner cette idée plus en détail », a déclaré Maduro.
« Maintenant que nous savons ce qui spécifie l’intestin de ces nématodes éloignés, nous prévoyons d’étudier si ce mécanisme est encore plus largement conservé en examinant une espèce plus éloignée, Pristionchus pacificus. »
Plus d’information:
Gina Broitman-Maduro et al, Le facteur GATA ELT-3 spécifie l’endoderme de Caenorhabditis angaria dans un réseau de gènes ancestraux, Développement (2022). DOI : 10.1242/dev.200984