Une plongée profonde dans le développement des sous-marins

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Les jets de mer tels que Ciona intestinalis sont les parents invertébrés les plus proches des vertébrés. Leurs larves ressemblant à des têtards présentent certains des mêmes organes et tissus que ceux trouvés chez les vertébrés en développement. , Cao et al. utiliser les données d'expression des gènes pour examiner le développement embryonnaire de C. intestinalis larves et de comparer son développement avec celui d’autres animaux à cordage, y compris les vertébrés et les céphalochordés, afin de révéler de nouvelles perspectives sur l’évolution des vertébrés.

Les analyses monocellulaires de l’expression des gènes ont révolutionné diverses sous-disciplines biologiques. De telles analyses à différents stades du développement embryonnaire ont révélé comment les cellules donnent naissance aux divers types de cellules qui remplissent des fonctions distinctes et constituent des parties spécifiques de l'embryon.,. À titre d’exemples, des études sur des embryons de grenouille et de poisson-zèbre ont démontré que les trois couches de cellules qui forment ces embryons – l’ectoderme, l’endoderme et le mésoderme – contiennent au moins 50 types de cellules présentant des profils d’expression génique similaires.,. Les études sur le développement des différentes espèces révèlent souvent des indices sur leurs origines évolutives.

L'étude du développement embryonnaire dans les sous-marins présente plusieurs avantages, également appelés ascidies. En tant que parents les plus proches des vertébrés, ils fournissent une référence pour comprendre l'évolution des plans du corps des vertébrés (Fig. 1). Dans C. intestinalis, l’embryogenèse – c’est-à-dire la période de développement qui commence lorsque les cellules sont réorganisées pour former un corps multicouche appelé gastrula, et se termine par une éclosion de larves – ne prend qu’une journée. UNE Ciona la larve ne comprend que 2 500 cellules environ, qui forment des organes et des systèmes distincts, y compris les muscles bilatéraux, le système nerveux central (SNC) et la notochorde – une structure en forme de bâtonnet qui donne naissance à la colonne vertébrale chez les vertébrés. caractéristique de tous les animaux en corde.

Figure 1 | Evolution du plan corporel du cordé. une, Les vertébrés ont évolué à partir d'un ancêtre commun partagé avec les urochordats, tels que les ascidies (y compris le Ciona intestinalis) et le céphalochordate amphioxus. b, Alors que l’amphioxus n’a pas de structures comparables au cerveau des vertébrés, les cellules de la vésicule sensorielle des pays en développement C. intestinalis Le système nerveux exprime des ensembles de gènes régulateurs qui sont également exprimés dans la crête neurale et le placode (structures du système nerveux des vertébrés en développement), ce qui suggère que le cerveau simple des larves d'ascidie contient des prototypes de ces régions. Cao et al. expression génique mesurée dans des cellules individuelles de pays en développement C. intestinalis embryons et décrivent une carte de lignage cellulaire qui révèle un prototype du télencéphale (une partie du cerveau des vertébrés qui, chez les vertébrés plus complexes, est nécessaire à la cognition) à l’avant du cerveau larvaire ascidien. La plaque neurale donne naissance au cerveau et à la moelle épinière (chez les vertébrés) ou au cordon nerveux (chez les urochordés). La position de la bouche éventuelle est également indiquée. Dans les deux panneaux, antérieur est à gauche et postérieur est à droite. (Images d'embryons adaptées de la référence 15; CC BY 4.0.)

Les lignées cellulaires comprenant des embryons d'ascidie ont longtemps été décrites; le développement des cellules est limité au début de l'embryogenèse, vers le stade de 110 cellules. le C. intestinalis le génome a été séquencé, et un réseau de gènes et de molécules régulatrices fournissant le schéma directeur du plan corporel de tous les animaux traités a été caractérisé C. intestinalis.

Cao et al. profilé l’expression génique de plus de 90 000 cellules individuelles à partir de C. intestinalis à 10 stades de développement, de la gastrula à la larve nageuse. Les auteurs ont utilisé ces données d'expression des gènes – en prenant en compte soigneusement l'expression de marqueurs moléculaires de différents types et lignées de cellules – pour construire des trajectoires de développement de types de cellules individuels. Alors que les larves de C. intestinalis on pensait auparavant avoir environ 20 types de cellules, Cao et ses collègues ont identifié 60 types de cellules distincts. Un profil complet similaire des types de cellules larvaires et embryonnaires chez les vertébrés et les céphalochordés ne serait actuellement pas réalisable.

On pense que les vertébrés et leur groupe de soeur, les urochordates – qui incluent les ascidiens – partagent un ancêtre commun avec les animaux céphalochordés, tels que l'amphioxus (Fig. 1a). L’étude de Cao et ses collègues fournit au moins deux informations sur l’évolution des vertébrés à partir de cet ancêtre commun: l’une concernant la notochorde et l’autre concernant le SNC, qui devient particulièrement complexe chez les vertébrés.

Les larves d'Amphioxus ressemblent à des poissons et leur notocorde est constituée de cellules musculaires rigides en forme de pièces de monnaie. En revanche, les notochords des larves et des vertébrés d'ascidie sont dépourvus de propriétés musculaires, et consistent plutôt en cellules contenant des vacuoles remplies de liquide qui offrent une rigidité aux mouvements musculaires de la queue. La manière dont ces types de notochord distincts ont évolué n'a pas été claire. Cao et al. fournir des preuves d'expression génétique que le C. intestinalis notochord présente des propriétés des deux types. Plus précisément, la partie antérieure de la notochorde est typique de celle des ascidies et des vertébrés, tandis que la partie postérieure est constituée de cellules possédant des propriétés musculaires, comme chez les larves d’amphioxus. Cependant, comment C. intestinalis produit les parties antérieure et postérieure indépendamment et les combine dans un seul organe n'est pas clair.

Selon l’hypothèse de la «nouvelle tête», l’évolution des vertébrés peut être largement attribuée à l’émergence des placodes et de la crête neurale, qui sont des populations de cellules de développement qui donnent naissance à la plupart des tissus de la tête et de la mâchoire. Des études antérieures sur l'évolution et le développement ont montré que C. intestinalis possède des versions rudimentaires de ces deux innovations clés des vertébrés,. Contrairement au système nerveux central des larves d’amphioxus, qui n’est pas très bien organisé, le système nerveux central des larves d’ascidie ressemble à un prototype du cerveau des vertébrés (figure 1b). Cao et ses collègues ont identifié 41 types de cellules neuronales dans C. intestinalis les larves, y compris les cellules sensorielles périphériques et les cellules interneuronales, et ont montré que chaque type correspondait à une région spécifique du SNC, y compris la vésicule sensorielle (la partie antérieure du SNC dans les urochordates), le ganglion moteur (un groupe de neurones qui contrôlent le mouvement) ) et le cordon nerveux (le faisceau de fibres neuronales longeant le corps des animaux traités).

Les données de Cao et de ses collaborateurs aident également à élucider les origines évolutives du télencéphale du cerveau des vertébrés; chez beaucoup de vertébrés supérieurs, le télencéphale est élargi et est crucial pour la perception et la cognition. Les profils d'expression génique et les trajectoires développementales des cellules dans les régions les plus antérieures de la plaque neurale (une structure développementale à l'origine du SNC) ont révélé que ces régions, en particulier les cellules sensorielles des palpes (protrusions de tissu ectodermique au niveau de la avant de la larve) et la vésicule sensorielle pro-antérieure (située à l’avant du système nerveux en développement) sont les homologues invertébrés du télencéphale des vertébrés. Le télencéphale des vertébrés est donc probablement né de l'incorporation de l'ectoderme non neural dans les régions antérieures du système nerveux en développement.

La découverte d'un prototype du télencéphale des vertébrés dans la larve d'ascidie soulève la question de l'évolution de la structure complexe du cerveau des vertébrés. Des trajectoires génétiques et développementales similaires sont probablement communes aux ascidiens et aux vertébrés, mais l'architecture beaucoup plus complexe du cerveau des vertébrés signifie qu'ils peuvent remplir des fonctions plus sophistiquées. D'autres expériences faisant appel à l'analyse monocellulaire sur des larves d'amphioxus seront nécessaires pour aider à déterminer la structure de l'architecture complexe du cerveau des vertébrés.

Au cours des deux dernières décennies, notre compréhension des mécanismes moléculaires, cellulaires et du développement impliqués dans l'origine des chordés a considérablement progressé. et l'évolution des vertébrés. Comme l'a montré Cao et al., les analyses monocellulaires de l’expression des gènes approfondissent notre compréhension de l’émergence au cours de l’évolution des types de cellules conférant des propriétés spécifiques aux vertébrés. Cette ligne de recherche met également en évidence l’importance de l’information génomique et le large éventail d’analyses des réseaux de régulation des gènes. Les mécanismes d’évolution des vertébrés mis au jour par les études évolutives sur le développement reposeront de plus en plus sur des données détaillées et précises issues des réseaux de régulation des gènes de cellules, tissus et organes individuels, ainsi que sur des données acquises à l’aide d’autres nouvelles techniques, telles que celles explorant l’architecture de complexes d’ADN. les noyaux de cellules individuelles et des outils informatiques sophistiqués.

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