Qu’y a-t-il de commun entre les nageoires des poissons et nos doigts et orteils ?

Qu’ont en commun les humains avec les oiseaux, les poissons ou encore les lézards et les souris ?

Tous sont des vertébrés et, bien qu’ils soient profondément différents d’un point de vue biologique, ils partagent une histoire évolutive commune.

C’est un nouveau chapitre de cette histoire que viennent de mettre à jour des chercheurs de l'université de Chicago et du Centre andalou de biologie du développement en Espagne. Dans une étude publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, ils détaillent comment, grâce à des outils d’édition génétique, ils ont découvert un gène commun qui contrôle la croissance des os à l'extrémité des nageoires de poisson, ainsi que celle des doigts et des orteils chez les créatures à quatre pattes.

C’est aussi ce gène qui contrôle ce processus chez les nageoires appariées, qui sont les progéniteurs des membres, mais aussi chez la nageoire dorsale unique, qui n’est pas appariée, et qui est commune à tous les poissons. Cela suggère donc que le dernier ancêtre commun entre les poissons à nageoires à rayons et à nageoires lobées, il y a près de 500 millions d'années, disposait déjà de ce gène nécessaire à la formation de leurs appendices, partagé à ce jour par les poissons et les vertébrés à quatre pattes.

"Il existe une homologie ou une similitude profonde entre les nageoires et les membres, quelque chose d'ancien dans des structures qui ne se ressemblent pas vraiment, explique Neil Shubin, docteur en médecine et coauteur de la nouvelle étude. Nous montrons une fonction génique profondément conservée, très ancienne et préservée, qui existe depuis des centaines de millions d'années dans des structures très différentes. Ainsi, la boîte à outils moléculaire est ancienne, et elle fait la même chose dans différents types d'animaux."

gli3, le gène qui contrôle la structuration des membres

Dans une étude précédente datant de 2018, la même équipe de chercheurs avait découvert le gène Sonic hedgehog (Shh), largement utilisé dans une variété de fonctions biologiques de base, mais qui est particulièrement important dans la formation des membres.

Dans cette nouvelle recherche, l’équipe s’est cette fois-ci concentrée sur un autre gène qui fonctionne avec Shh, appelé gli3. Ce gène est déjà connu pour structurer les doigts d'un membre, contribuant à déterminer l'identité de chacun, du pouce à l'auriculaire. Chez les humains comme chez les souris, une mutation de gli3 aboutit souvent à des doigts supplémentaires, ce que l'on appelle la polydactylie. Les chercheurs ont voulu savoir si le gli3 fonctionnait de la même manière chez les poissons. En utilisant les outils d'édition génétique CRISPR, ils ont constaté que c’était le cas : les poissons présentant cette mutation avaient plusieurs os radiaux à la base de la nageoire et davantage de rayons de nageoire.

Surtout, cette mutation de gli3 a eu un effet non seulement au niveau des nageoires pectorales et pelviennes appariées (l'analogue des membres chez les poissons) mais aussi au niveau de la nageoire dorsale unique non appariée, qui plus ancienne dans l'évolution.

Un gène déjà présent il y a 500 millions d’années

En menant des recherches supplémentaires sur des embryons de souris et de poulet, les chercheurs ont constaté que le gène gli3 est impliqué dans le processus de prolifération cellulaire, ce qui explique son rôle dans la polydactylie : son élimination entraîne une augmentation du nombre de cellules dans l'appendice, il en résultera également un plus grand nombre de doigts. C’est aussi le cas chez les poissons, ce qui suggère de fortes similitudes évolutives entre les espèces. Au fur et à mesure que les animaux terrestres ont développé des membres plus évolués, gli3 a assumé un rôle plus spécialisé pour contrôler leur forme et leur configuration.

"L'hypothèse est que la fonction primitive de gli3 est présente dans tous les appendices des vertébrés depuis environ 500 millions d'années, et qu'elle favorise la prolifération, c'est-à-dire le nombre de cellules et donc le nombre d'os dans l'extrémité terminale, détaille le Pr Shubin. Lorsque les nageoires paires sont apparues, le gli3 était déjà là, il a donc été coopté et a acquis un nouveau rôle, à savoir le modelage antérieur/postérieur."

Cette découverte est importante car elle montre bien qu’il existe "un plan de base architectural et génétique sous-jacent pour un ensemble diversifié d'appendices chez tous les vertébrés", conclut le chercheur.