Comment le poumon est sorti de l'eau et a conquis la terre

Il y a entre 420 et 360 millions d’années, dans une zone peu profonde proche du bord de l’eau, s’est produit quelque chose qui allait changer à jamais la vie sur notre planète : un poisson de la classe des poissons à nageoires lobes utiliserait sa paire de puissantes nageoires pectorales pour sortir des eaux peu profondes et atteindre la terre ferme. Cet animal pourrait respirer facilement, car il aurait déjà des poumons.

Tous les vertébrés terrestres ultérieurs peuvent être attribués à ces poissons. Cela couvre non seulement les amphibiens, les reptiles et les oiseaux, mais également les mammifères, y compris les humains.. Cependant, ce qui était inconnu jusqu’à présent, c’était pourquoi cette lignée était si bien préparée à conquérir la terre ferme.

Pour obtenir plus de données dans ce sens, une équipe scientifique, dirigée par Axel Meyerbiologiste évolutionniste et professeur de zoologie et de biologie évolutive à l'Université de Constance (Allemagne), et biochimiste à l'Université de Würzburg (Allemagne), Manfred Schartla analysé le matériel génétique des plus proches parents vivants de notre ancêtre dévonien : le poumon.

Aujourd'hui, il ne reste que trois lignées de ces « fossiles vivants » : une en Afrique, une en Amérique du Sud et une en Australie.

Une étude génomique qui marque une « étape importante »

Les génomes de poisson-poumon sont plus d'un ordre de grandeur plus grands que la plupart des génomes animaux séquencés jusqu'à présent, y compris ayant le plus grand nombre de nucléotides (les lettres du génome).

« Plus le génome est grand, plus le nombre de morceaux est grand et plus il sera fastidieux de les disposer correctement. Pour cette raison, un grand génome est plus complexe à déchiffrer qu’un petit. Et la corrélation n’est pas linéaire mais exponentielle », déclare Schartl.

L'équipe de recherche a réussi à séquencer complètement le génome du Poumon d'Amérique du Sud et celui d'un membre du Lignée africaine. La plus grande séquence génomique de Poisson-poumon australien (Neoceratodus) avait déjà été séquencé par la même équipe et les résultats de ces dernières recherches sont publiés dans la revue Nature.

« Personne ne sait pourquoi de nombreux génomes ont une taille moyenne comparable à leur taille, d’autres sont compactés à une taille miniaturisée et d’autres encore sont étendus à une taille gigantesque. « Nous avons trouvé un mécanisme permettant au génome de croître, mais nous ne savons pas quelle en est la raison biologique ni la signification évolutive (et il n'y a pas non plus de bonne hypothèse dans la littérature scientifique) », explique le biochimiste allemand.

La raison de la grande taille du poumon

Selon les recherches, le génome de Poisson poumon sud-africain a énormément augmenté en raison de l'expansion des soi-disant transposons cachés dans le génome entre les gènes et même à l'intérieur de ceux-ci.

« Ces transposons sont Segments d'ADN Ils produisent de nombreuses copies d'eux-mêmes, changent de position dans le génome et peuvent se multiplier – du moins en théorie – indéfiniment, ce qui fait croître le génome. Normalement, il existe une machinerie cellulaire qui contrôle l'expansion des transposons, mais dans les génomes des poisson-poumon C'est défectueux. Ainsi, l’expansion illimitée des transposons entraîne une croissance rapide des génomes.», souligne le scientifique.

A plus de 90 gigabases (soit 90 milliards de bases), l'ADN de cette espèce est le plus grand de tous les génomes animaux et plus de deux fois plus grand que le génome du précédent détenteur du record, le Poisson-poumon australien.

« Dix-huit des dix-neuf chromosomes de cet animal sont individuellement plus grands que l'ensemble du génome humain, avec ses près de 3 milliards de bases », explique Meyer.

Le transposons autonomes sont responsables du génome de poisson-poumon a gonflé jusqu'à atteindre cette taille énorme au fil du temps.

Bien que cela se produise également chez d'autres organismes, les analyses de cette équipe ont montré que le taux d'expansion du génome du Poumon d'Amérique du Sud C’est de loin le plus rapide jamais enregistré : tous les 10 millions d’années dans le passé, son génome a augmenté de la taille de l’ensemble du génome humain. « Et cela continue de croître », souligne Meyer.

Le dernier ancêtre commun du poumon et des vertébrés terrestres

Au cours de l'évolution, des morceaux sont souvent échangés entre les chromosomes (translocations) ou encore changer de position sur un même chromosome. Cela rend la structure globale des chromosomes très divergente, même entre espèces étroitement apparentées dans certains cas, et généralement comparée à leur dernier ancêtre le plus commun.

Les transposons ont été blâmés pour cette « instabilité génomique évolutive ». « Nous nous attendions à ce que les chromosomes du poisson-poumon Ils étaient très différents entre les trois espèces, et encore plus par rapport au dernier ancêtre qu'ils partagent avec les vertébrés terrestresy compris l'être humain. Étonnamment, les chromosomes sont structurellement très similaires et ont même permis de reconstituer ceux du dernier ancêtre commun des poisson-poumon et les vertébrés terrestres qui vivaient il y a des centaines de millions d'années », souligne Schartl.

Parce que les transposons se répliquent et sautent dans le génome, contribuant ainsi à sa croissance, ils peuvent considérablement altérer et déstabiliser le matériel génétique d'un organisme. Ceci n'est pas toujours préjudiciable, et peut même être un moteur important de l'évolution, car ces« sauter des gènes » Ils provoquent aussi parfois des innovations évolutives en modifiant les fonctions des gènes.

Le génome de poisson-poumon Il est étonnamment stable et la disposition des gènes est étonnamment conservatrice.

Partager les trois lignées de poumon

La comparaison des génomes du poisson-poumon Le courant leur a permis de tirer des conclusions sur les bases génétiques des différences entre eux.

Par exemple, le Poisson-poumon australien Il possède encore les nageoires en forme de membres qui permettaient autrefois à ses congénères de se déplacer sur terre. Chez les autres espèces actuelles de Poisson-poumon africain et Amérique du Sudces nageoires, dont la structure osseuse est similaire à celle de nos bras, ont évolué pour devenir des nageoires filamenteuses au cours des 100 derniers millions d'années environ.

«Dans nos recherches, nous avons également utilisé des expériences avec des souris transgéniques CRISPR-Cas démontrer que cette simplification des nageoires est due à un changement dans ce que l'on appelle la voie de signalisation Shh », indique le scientifique de l'université de Constance.

La voie de signalisation chut est un mécanisme génétique de communication cellulaire qui est activé dans les membres embryonnaires des animaux terrestres pour fabriquer leurs doigts. Par exemple, si cette voie est perturbée expérimentalement, les embryons de souris perdent leurs doigts.

Ailerons précurseurs des doigts

« On ne sait pas depuis longtemps si les éléments des nageoires externes (radiaux) présents de manière ancestrale dans les nageoires des poissons tels que le Poisson-poumon australien Ce sont en fait les précurseurs évolutifs des doigts. Faites la même expérience sur le Poisson-poumon australienc'est-à-dire supprimer le chemin chut et voir si les rayons disparaissent (ce qui montrerait qu'ils sont faits de la même manière que les doigts) n'est pas techniquement possible », précise Schartl.

Cependant, Poisson pulmonaire d'Afrique et d'Amérique du Sud Ils ont naturellement perdu les radiales de leurs nageoires. En comparant les génomes de trois poissons-poumonsont découvert que les commutateurs génétiques de chut sont très différents dans le Poisson pulmonaire d'Amérique du Sud et d'Afrique.

« Nous avons testé ces commutateurs sur des embryons de souris transgéniques et avons pu montrer qu’ils ne fonctionnent plus pour activer chut (mais le font toujours chez le poisson-poumon australien qui conserve les radiales). Ainsi, en identifiant les mécanismes évolutifs par lesquels les poumons sud-américains et africains ont perdu leurs nageoires radiales, nous avons pu démontrer que celles-ci sont fabriquées par le même mécanisme génétique que chez la souris », explique le scientifique.

Cela montre que ces éléments sont liés au cours de l'évolution et que les rayons des nageoires sont devenus des doigts pendant la transition des nageoires aux membres il y a environ 380 millions d'années.

Ces séquences complètes du génome de toutes les familles actuelles de poisson-poumon permettra d’autres études génomiques comparatives. Un chemin pour en apprendre davantage sur nos ancêtres à nageoires lobes et pour résolvez le mystère de la façon dont les vertébrés sont arrivés sur Terre.