Qu’est-ce que l’Evo Devo?

Définir l’Evo Devo

NOVA : Il y a eu tout ce buzz autour de l’Evo Devo. Quelle est l’idée clé, et pourquoi est-ce si excitant ?

Cliff Tabin : La biologie évolutive du développement, ou « evo devo », est un terme large qui englobe beaucoup de choses. Et différentes personnes utilisent ce terme légèrement différemment, et aussi ce qui le rend intéressant pour eux diffère d’un scientifique à l’autre.

Pour moi, je commence par jeter un coup d’œil sur le côté développemental. La révolution dans la biologie du développement, et la révolution dans les sciences biologiques dans son ensemble, nous a amené au point où nous pouvons réellement commencer à comprendre comment les gènes font qu’un embryon se forme de la façon dont il le fait, pourquoi un membre se forme en premier lieu, et ensuite pourquoi le bras est différent de la jambe, pourquoi le cœur qui commence comme un tube au milieu se replie pour être à gauche et non à droite. Nous commençons à comprendre ce genre de questions vraiment fondamentales, et c’est étonnant en soi.

Nous arrivons également au point où nous pouvons comprendre non seulement comment vous faites un membre, mais comment le processus peut être modifié de manière subtile, de sorte que le membre prend la forme d’une aile de chauve-souris, d’une main humaine ou d’une nageoire. Et cela, pour moi, est énormément excitant.

Donc, pour moi, l’aspect fondamental de l’evo devo est de comprendre comment le développement est fignolé au cours de l’évolution.

L’une des découvertes clés de l’evo devo est la similitude de nos gènes avec ceux de tous les autres animaux, n’est-ce pas ?

Oui. L’une des plus étonnantes surprises depuis que je fais de la science a été de constater que les gènes qui interviennent dans la fabrication d’animaux aussi différents qu’une mouche à fruits et un être humain sont fondamentalement les mêmes gènes. Lorsque nous pensions à ces choses, il y a 20 ans par exemple, nous devions supposer que les gènes permettant de fabriquer une mouche à fruits incluaient des instructions pour les ailes, des gènes dont nous n’avions pas besoin. Et, inversement, que nous aurions des gènes dédiés à la fabrication d’un membre ou d’un cœur humain qu’une mouche n’aurait jamais. La découverte stupéfiante a été que, en première approximation, les mêmes gènes sont présents dans les deux et sont utilisés dans les deux.

C’est le plus beau processus que de voir l’organisation émerger.

Maintenant, avec le recul, nous réalisons, bien sûr, que les mouches et les humains sont tous deux des animaux. Nous avons eu un ancêtre commun. C’était peut-être une petite chose indescriptible ressemblant à un ver, mais cette petite chose ressemblant à un ver possédait déjà l’ensemble des gènes qui rendaient sa tête différente de sa queue et son intestin différent de son cœur. Pour que ce ver évolue en une mouche, ou pour qu’il évolue finalement en un humain, ces gènes ont été utilisés de différentes manières, dans différentes combinaisons, avec un timing différent.

Fondamentalement, la boîte à outils génétique, comme nous l’appelons, était déjà là chez l’ancêtre commun. Et cet ensemble ancestral de gènes était suffisamment puissant et polyvalent pour fournir le matériel nécessaire à la génération des diverses formes de vie animale que nous voyons maintenant sur Terre. Personne ne s’attendait à cela, et cela a rendu l’étude de divers organismes très profonde. Cela signifie que ce que vous apprenez en étudiant le développement d’une mouche a vraiment des implications directes pour comprendre la façon dont nous sommes faits nous-mêmes, parce qu’aussi différent qu’une mouche soit d’un humain et aussi longtemps que nous avons divergé, nous utilisons fondamentalement les mêmes gènes pour faire la même chose – faire émerger l’organisation dans un embryon.

Et vous et d’autres biologistes ne l’avez jamais vu venir.

J’aurais parié n’importe quoi que ce ne serait pas le cas. J’aurais pensé que les gènes impliqués dans la fabrication d’une mouche seraient différents de ceux qui font un humain. J’aurais également pensé qu’il faudrait beaucoup plus de gènes fondamentaux dans cette boîte à outils pour faire un humain. J’aurais pensé que les gènes que vous utilisez pour déclencher la formation d’un cœur seraient totalement différents de ceux que vous utiliseriez pour fabriquer un os, qui seraient totalement différents de ceux que vous utilisez pour rendre la face avant d’un embryon différente de la face arrière d’un embryon, et ainsi de suite.

Il s’avère que le ou les mêmes gènes sont utilisés encore et encore, juste de différentes manières et combinaisons avec d’autres gènes dans une cellule. Et nous utilisons ce que je considérerais, d’après mon intuition antérieure, comme un nombre ridiculement petit de gènes.

TOUT SUR L’EMBRYON

Le fait que nous partageons tous un ensemble commun de gènes est facilement apparent au stade embryonnaire, n’est-ce pas ? Très tôt dans leur développement, tous les animaux se ressemblent largement.

Oui. Une des choses dont on discute depuis les années 1800, c’est que si vous regardez les embryons de différents vertébrés – qu’il s’agisse d’un poisson, d’une salamandre, d’une grenouille, d’un poulet, d’une souris ou d’un humain – aux premiers stades, ils se ressemblent beaucoup. En fait, ils passent par des étapes où ils sont presque indiscernables. Un professionnel sérieux qui les observe de près au microscope peut bien sûr déceler des différences dès le départ. Mais la similitude aux premiers stades est vraiment remarquable.

L’une des raisons pour lesquelles je pense que c’est le cas, c’est que les premiers aspects consistant à mettre les jambes au bon endroit, à rendre la tête différente du corps, ces choses très précoces et très fondamentales doivent avoir lieu à une certaine échelle dictée par la gamme à laquelle les molécules clés sont capables d’agir. Ainsi, lorsque nous avons tous à peu près la même taille, que vous soyez un marsouin, un humain ou un singe, les mêmes types de processus se déroulent. Ensuite, vous élaborez les différences. Donc, aux premiers stades, ce n’est pas seulement un profane qui pense qu’ils se ressemblent ; de manière fondamentale, ils sont vraiment similaires.

L’un des grands moments de l’histoire de l’évolution est celui où une nageoire s’est transformée en membre.

C’est étonnant de regarder un time-lapse d’un embryon en développement, de n’importe quel animal. Vous devez avoir un travail amusant.

L’une des grandes choses dans mon domaine est juste l’opportunité de regarder les embryons se développer. C’est le plus beau processus de voir l’organisation émerger, que vous le voyiez en photographie time-lapse ou que vous le regardiez au microscope au fil du temps. C’est d’une beauté stupéfiante de le regarder se produire, et l’ensemble du processus lui-même est si fondamentalement beau que l’esthétique combinée à la logique est juste écrasante.

La formation du bec

Pourquoi avez-vous décidé d’étudier la formation du bec chez les pinsons de Darwin ?

Eh bien, au fur et à mesure que la technologie a progressé, et que nos connaissances sur le développement ont augmenté, on en est arrivé au point où il est devenu réaliste de penser à essayer de comprendre comment les instructions de développement ont été retouchées pour donner de la variété dans la nature. Nous ne voulions pas étudier des animaux très différents, car il y aurait beaucoup de différences entre eux et il serait trop difficile de comprendre ce qui se passe réellement. Nous voulions regarder des animaux qui sont très proches et qui, idéalement, n’ont qu’une seule structure qui diffère de manière très importante entre les espèces.

Les pinsons de Darwin aux Galápagos en sont un excellent exemple. Ce sont des oiseaux qui sont essentiellement le même organisme, mais ils ont des becs de formes très différentes. Cette diversité dans la forme du bec leur a permis d’avoir des modes de vie très différents. Le bec est une structure fondamentalement importante – il a une grande importance écologique – et ces différentes espèces de pinsons ne formaient qu’une seule espèce d’oiseau il y a un million d’années. C’est donc une des raisons pour lesquelles les pinsons de Darwin nous ont beaucoup séduits.

Et qu’avez-vous trouvé ?

Avant que nous fassions nos recherches, il était possible que des gènes complètement différents soient impliqués dans la fabrication de becs de formes différentes. Nous ne pensions pas que c’était probable, sur la base de ce que nous savions sur la façon dont les gènes contrôlent le développement, mais c’était possible. Ce que nous avons découvert a renforcé l’image générale qui se dégageait : les mêmes gènes sont impliqués dans la fabrication d’un bec pointu et aiguisé ou d’un bec large et gros capable de casser des noix. Ce qui fait toute la différence, c’est le degré d’activation d’un gène, le moment où il est activé et celui où il est désactivé – les différences subtiles de régulation. Des gènes spécifiques sont essentiels pour fabriquer n’importe quel bec, mais c’est le réglage – la quantité de gène, le moment où le gène est activé, la durée du gène – qui fait réellement la différence.

Un bras et une jambe

Est-ce que le même genre de bidouillage entre dans la formation des membres ?

Oui, et à ce stade, de manière très fondamentale, nous comprenons une grande partie de la régulation moléculaire, les gènes qui disent au membre comment se former. Nous comprenons comment une masse précoce de cellules reçoit des informations qui disent à un groupe de devenir une structure et à un groupe de devenir une autre. Nous comprenons comment un tissu commence à former un os par opposition à un tendon, par exemple. De manière très fondamentale, nous connaissons maintenant les gènes qui sont responsables de la fabrication de votre membre tel qu’il est.

Ceux qui font un bras par opposition à une jambe, par exemple ?

D’accord. Comme je l’ai dit précédemment, la structure fondamentale d’un membre que nous voyons dans notre bras, disons, est récapitulée avec quelques variations chez différents animaux pour servir d’aile ou de nageoire. Mais vous verrez également des variations dans la structure d’un membre dans votre propre corps. Un bras et une jambe sont des structures fondamentalement similaires. Par exemple, en partant de l’épaule ou de la hanche vers les doigts ou les orteils, on trouve un seul os dans le membre supérieur, suivi de deux os dans le membre inférieur, puis de nombreux os formant les cinq doigts. Le membre antérieur et le membre postérieur sont construits sur le même plan de base.

Je ne pense pas qu’il faille regarder des émissions sur la nature pour être renversé par la diversité de la vie sur Terre.

Nous savons maintenant qu’il y a des gènes spécifiques qui sont activés dans le membre postérieur, dans la jambe, qui ne le sont pas dans le membre antérieur, le bras. Lorsqu’ils sont activés, le bourgeon précoce du membre a davantage le caractère d’une jambe. D’autres gènes ne sont présents que dans le membre antérieur ou le bras aux premiers stades du bourgeon du membre. Ainsi, fondamentalement, la différence entre un bras et une jambe peut être attribuée à des différences de gènes dans le bourgeon précoce du membre. Ces gènes spécifiques du membre antérieur ou postérieur influencent l’ensemble général des instructions du membre établies par d’autres gènes, de sorte que le résultat est un bras ou une jambe.

Nous prenons nos membres pour acquis, mais l’évolution du membre à partir de la nageoire d’un poisson, il y a longtemps, était un énorme bond en avant, n’est-ce pas ?

L’un des grands moments de l’histoire de l’évolution est le moment où une nageoire a évolué pour la première fois en un membre. Cela s’est produit chez un poisson qui vivait dans des eaux peu profondes et qui apprenait à se manipuler dans ces eaux. Il a développé une structure capable de tourner et dont les segments pouvaient se déplacer indépendamment les uns des autres et se terminer par des doigts, ce qui a donné à ce poisson la capacité de se déplacer dans la boue. Il s’est avéré que c’était une caractéristique de base qui avait un énorme potentiel, une énorme flexibilité.

Parce que ce que nous voyons, c’est que le plan de base de ce membre – un os dans le membre supérieur, deux os dans le membre inférieur, des poignets qui se tordent, une série de cinq ou moins de doigts – a été élaboré pour vous donner tout, de l’aile de la chauve-souris pour planer, à la nageoire du marsouin pour nager et naviguer dans les océans, à la main pour saisir ou jouer du piano, au membre de la taupe pour creuser. Les énormes différences dans l’utilisation des membres ont permis aux animaux suivants – amphibiens, reptiles, oiseaux, mammifères – de se développer dans un éventail extraordinaire de modes de vie.

Une révolution de l’évolution

Le domaine de l’evo devo est vraiment en train d’exploser, n’est-ce pas ?

C’est juste incroyable. Le rythme rapide, je pense plus que tout autre chose, est ce à quoi je ne me serais pas attendu. Je pense que j’aurais prédit que nous finirions par arriver là où nous sommes en termes de compréhension ; je n’aurais jamais pensé que cela se produirait aussi rapidement. Il y a eu des révolutions technologiques – la révolution du séquençage qui nous a permis de séquencer des génomes entiers, la technologie permettant de traiter d’énormes quantités d’informations en même temps et de trier les choses. C’est incroyable ce que l’on peut faire et combien c’est plus facile et plus rapide aujourd’hui qu’à mes débuts. Je n’aurais jamais pensé que cela se produirait aussi rapidement.

Comment parvenez-vous à suivre ?

Il est très difficile de suivre lorsque les connaissances évoluent si rapidement. Je pense que ce que vous faites, c’est vous tenir au courant des choses qui vous intéressent le plus. Quand j’ai commencé en biologie, j’ai tout lu dans tout le domaine de la biologie moléculaire parce qu’il y avait, comparé à aujourd’hui, relativement peu de choses qui se faisaient. Vous pouviez lire deux ou trois revues, et vous étiez en mesure de vous tenir au courant de la biologie cellulaire, de la physiologie, de l’immunologie, de la biologie du développement et de la biologie du cancer. Mais maintenant, vous ne pouvez même pas vous tenir au courant de la biologie du développement ou de la biologie de l’évolution. Vous choisissez vos domaines, vous choisissez vos sujets, vous choisissez vos questions, et en gros vous vous tenez au courant de ce qui vous passionne le plus.

Et la diversité de la vie telle qu’elle est révélée par l’evo devo est ce qui vous excite vraiment.

Je ne pense pas que vous ayez besoin de regarder des émissions sur la nature pour être renversé par la diversité de la vie sur Terre. Vous pouvez simplement vous promener chez vous. Vous voyez des oiseaux, des écureuils, des chiens. Vous rentrez à la maison et vous prenez votre enfant dans vos bras. Ce sont des choses que vous prenez pour acquises. Mais si vous prenez un peu de recul et que vous regardez à quel point l’oiseau est étonnant en vol, l’écureuil si parfaitement adapté qui court le long de l’arbre, et ainsi de suite, c’est un monde tellement étonnant. Et ce qui est incroyable à cette époque de l’histoire, d’un point de vue scientifique, c’est que nous allons pouvoir comprendre cette diversité, et cela ne fait qu’ajouter à l’excitation. Ça ne le démystifie pas. Cela le rend encore plus magique.