Une étude sur l’expression génique révèle que les types de cellules du cerveau humain deviennent plus spécialisés, et non seulement plus nombreux

Notre cerveau est sans doute l’organe qui distingue le plus les humains des autres primates. Sa taille, sa complexité et ses capacités exceptionnelles dépassent de loin celles de toute autre espèce sur Terre. Pourtant les humains partagent plus de 95 % de notre génome avec les chimpanzés, nos plus proches parents vivants.

Soojin Yi, professeur à l’UC Santa Barbara, du Département d’écologie, d’évolution et de biologie marine, son doctorant Dennis Joshy et son collaborateur Gabriel Santepere, de l’Institut de recherche médicale de l’Hospital del Mar à Barcelone, ont récemment cherché à déterminer comment les gènes de différents types de les cellules cérébrales ont évolué par rapport à celles des chimpanzés. Ils ont découvert que même si nos gènes codent pour presque toutes les mêmes protéines que celles des autres singes, nombre de nos gènes sont beaucoup plus productifs que ceux des autres primates.

Leurs résultats, publié dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesmettent en évidence le rôle de l’expression des gènes dans l’évolution et le fonctionnement du cerveau humain.

Interpréter les plans de la nature

Chaque gène demande à une cellule de fabriquer une molécule spécifique, mais cette tâche n’est pas réalisée par l’ADN lui-même. Au lieu de cela, l’information est relayée à la machinerie cellulaire par une molécule appelée ARN messager. Les chercheurs mesurent l’expression des gènes en observant la quantité d’ARNm produite par un gène spécifique.

Lorsque les scientifiques ont commencé à comprendre le rôle du génome en tant que modèle de vie, ils ont pensé que le génome humain pourrait peut-être expliquer nos traits uniques. Mais une comparaison approfondie avec les chimpanzés en 2005 a révélé que nous partageons 99 % de nos gènes (bien que les scientifiques aient depuis révisé ce chiffre). Cela a confirmé des études antérieures basées sur un petit nombre de gènes qui suggéraient qu’il n’y avait qu’une petite différence entre les génomes humain et chimpanzé.

Les biologistes soupçonnent désormais que l’expression des gènes pourrait être à l’origine de ces différences. Considérez un papillon monarque. L’adulte possède le même génome que lorsqu’il était chenille. Les différences incroyables entre les deux étapes de la vie dépendent toutes de l’expression des gènes. Activer et désactiver différents gènes, ou les faire coder pour plus ou moins d’ARNm, peut modifier radicalement les caractéristiques d’un organisme.

Obtenir une image plus claire

Des recherches antérieures ont révélé des différences dans l’expression des gènes entre les humains et les chimpanzés, et que les cellules humaines ont tendance à avoir une expression génique plus élevée, mais le tableau était flou. Le cerveau est constitué de nombreuses variétés de cellules. Traditionnellement, les scientifiques organisaient les cellules cérébrales en deux grands types : les neurones et les cellules gliales. Les neurones transportent des signaux électrochimiques, un peu comme le câblage en cuivre d’un bâtiment. Les cellules gliales remplissent la plupart des autres fonctions, comme isoler les fils, soutenir la structure et éliminer les débris.

Jusqu’à récemment, les scientifiques ne pouvaient étudier que des échantillons de tissus composés de nombreux types de cellules différents. Mais au cours de la dernière décennie, il est devenu possible d’analyser les noyaux cellulaires un par un. Cela permet aux chercheurs de distinguer les types de cellules, et souvent même les sous-types.

Yi, Joshy et Santepere ont utilisé des ensembles de données générés à partir d’un appareil doté d’un canal très étroit pour séparer chaque noyau dans sa propre chambre dans un réseau. Ensuite, ils ont regroupé les cellules par type avant d’effectuer une analyse statistique.

L’équipe a mesuré l’expression des gènes en observant la quantité d’ARNm d’un gène spécifique produite chez les humains, les chimpanzés et les macaques. Un gène régulé positivement produit plus d’ARNm dans une espèce donnée par rapport aux autres, tandis qu’un gène régulé négativement en produit moins. La comparaison des chimpanzés et des humains avec les macaques a permis aux chercheurs de déterminer quand les différences entre les deux singes étaient dues à des changements chez les chimpanzés, à des changements chez les humains, ou aux deux.

Les auteurs ont enregistré des différences dans l’expression d’environ 5 à 10 % des 25 000 gènes étudiés. En général, les cellules humaines avaient des gènes plus régulés positivement que les chimpanzés. Il s’agit d’un pourcentage beaucoup plus élevé que celui découvert par les chercheurs lorsqu’ils ne pouvaient pas ventiler l’analyse par type de cellule. Le pourcentage est passé à 12-15 % lorsque les auteurs ont commencé à considérer les sous-types cellulaires.

« Maintenant, nous pouvons voir que les types de cellules individuelles ont leur propre chemin d’évolution et deviennent vraiment spécialisées », a déclaré Yi.

Pas seulement les neurones

La complexité de nos voies neuronales est sans égal dans le règne animal. Cependant, Yi soupçonne que notre intellect unique n’est pas le résultat de cela en soi. Les cellules gliales humaines représentent plus de la moitié des cellules de notre cerveau, un pourcentage beaucoup plus élevé que chez les chimpanzés.

Parmi les cellules gliales, les oligodendrocytes présentaient les plus grandes différences dans l’expression des gènes. Ces cellules créent l’isolation qui recouvre les neurones, permettant ainsi à leurs signaux électriques de se propager beaucoup plus rapidement et efficacement. Dans une étude collaborative publiée l’année précédente, l’équipe a observé que les humains ont un ratio plus élevé d’oligodendrocytes précurseurs que matures par rapport aux chimpanzés. Yi soupçonne que cela pourrait être lié à l’étonnante plasticité neuronale et au développement lent du cerveau humain.

« La complexité accrue de notre réseau neuronal n’a probablement pas évolué seule », a déclaré Yi. « Il n’aurait pas pu voir le jour sans que tous ces autres types de cellules aient également évolué et permis l’expansion de la diversité neuronale, du nombre de neurones et de la complexité des réseaux. »

Cette étude n’a pris en compte que les cellules de quelques régions du cerveau. Cependant, les cellules d’une zone du cerveau peuvent différer de leurs homologues d’autres zones. Yi prévoit d’étudier les mécanismes à l’origine des différences dans l’expression des gènes et la façon dont les gènes correspondent à différents traits.

Elle prévoit également de retracer l’expression différentielle des gènes encore plus tôt dans notre histoire évolutive en incorporant des lignes de base provenant d’animaux encore plus éloignés. Elle s’intéresse également à l’étude des différences génomiques entre nous et d’autres humains archaïques, comme les Néandertaliens et les Dénisoviens.

L’évolution ne se résume pas à la simple modification des gènes. « L’expression différentielle des gènes est en réalité la manière dont le cerveau humain a évolué », a déclaré Yi.