Les génomes des céphalopodes sont tout aussi “merveilleusement bizarres” que les animaux

Les calmars, les poulpes et les seiches – même pour les scientifiques qui les étudient – sont des créatures merveilleusement étranges. Connus sous le nom de céphalopodes à corps mou ou colloïdaux, ils ont le plus grand système nerveux d’invertébrés, des comportements sophistiqués tels que le camouflage instantané, des mains avec des ventouses cloutées et d’autres caractéristiques évolutives uniques.

Les scientifiques ont maintenant étudié le génome des céphalopodes pour comprendre l’origine de ces animaux inhabituels. En cours de route, ils ont découvert que les génomes des céphalopodes sont aussi étranges que les animaux. Des chercheurs du Woods Hole Marine Biology Laboratory (MBL), de l’Université de Vienne, de l’Université de Chicago, de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa et de l’Université de Californie à Berkeley, ont annoncé les résultats de deux nouvelles études. Communications naturelles.

“Les cerveaux volumineux et complexes ont évolué à plusieurs reprises”, a déclaré la co-auteur Caroline Albertin, boursière Hibbitt du MBL. “Un exemple célèbre est celui des vertébrés. Un autre est celui des mollusques céphalopodes, qui sont un exemple unique d’assemblage d’un système nerveux vaste et complexe. Comprendre le génome des céphalopodes donne un aperçu des gènes qui sont importants dans la construction du système nerveux, ainsi que des fonctions neuronales. .

Albertini et alUn groupe de travail publié cette semaine a analysé et comparé trois espèces de céphalopodes, deux calmars (Transport de Doryteuthis et Champs d’application Eurymna) et poulpe (Octopus bimaculoïdes).

Le séquençage des génomes de ces trois céphalopodes, sans parler de leur comparaison, a été un effort financé par la Grass Foundation sur plusieurs années dans des laboratoires du monde entier.

“La plus grande avancée dans ce nouveau travail sera probablement la fourniture de kits au niveau des chromosomes pour au moins trois génomes de céphalopodes, tous disponibles pour étude au MBL”, a déclaré le co-auteur Clifton Ragsdale, professeur de neurobiologie, de biologie et d’anatomie. Université de Chicago.

“Les ensembles de niveaux chromosomiques nous ont permis de mieux spécifier quels gènes sont présents et quel est leur ordre, car le génome est moins fragmenté”, a déclaré Albertin. “Maintenant, nous pouvons commencer à étudier les éléments régulateurs qui peuvent piloter l’expression de ces gènes.”

Enfin, une comparaison des génomes a conduit les chercheurs à conclure que le développement de nouvelles caractéristiques des céphalopodes mous est en partie médié par trois facteurs :

  • Réarrangement étendu du génome des céphalopodes au début de l’évolution
  • Expansion de familles de gènes spécifiques
  • Modification extensive des molécules d’ARN messager, en particulier dans les tissus du système nerveux.

Ce qui est le plus frappant, c’est qu’ils ont découvert que le génome des céphalopodes était “incroyablement confus”, a déclaré Albertin.

Dans une étude connexe (Schmidbaur et al.), publié la semaine dernière, l’équipe a examiné comment le génome a été considérablement réorganisé Champs d’application Eurymna affecte l’expression des gènes. L’équipe a découvert que les réarrangements du génome provoquaient de nouvelles interactions qui pourraient être associées à la création de nombreux nouveaux tissus céphaliques, y compris leurs systèmes nerveux vastes et complexes.

“Chez de nombreux animaux, la séquence de gènes dans le génome a survécu au cours de l’évolution”, a déclaré Albertin. « Cependant, le génome des céphalopodes a subi des épidémies de restructuration. C’est une situation intéressante : les gènes sont placés dans de nouveaux endroits du génome où l’expression des gènes est pilotée par de nouveaux éléments régulateurs. Cela pourrait créer des opportunités pour le développement de nouveaux traits.

Qu’est-ce qui est si important dans les génomes des céphalopodes ?

Les principales connaissances sur les génomes des céphalopodes fournies par la recherche sont les suivantes :

  • Ils sont grands. Le Doryteuthis le génome est 1,5 fois plus grand que le génome humain et le génome de la pieuvre est 90 % plus grand que le génome humain.
  • Ils sont mixtes. “Les événements majeurs de l’évolution des vertébrés qui conduisent à l’homme impliquent deux cycles de duplication du génome entier”, a déclaré Ragsdale. “Avec ce nouveau travail, nous savons maintenant que l’évolution des céphalopodes de mollusques impliquait des changements génomiques tout aussi importants, mais les changements ne sont pas une duplication du génome entier, mais plutôt des réarrangements du vaste génome, comme si les génomes de leurs ancêtres étaient mélangés. “

“Sur la base de ces nouvelles informations, nous pouvons commencer à nous demander comment des changements génomiques à grande échelle peuvent sous-tendre les principales caractéristiques uniques de ces céphalopodes et vertébrés, en particulier leur capacité à recevoir de grands corps avec des cerveaux disproportionnés”, a déclaré Ragsdale.

Étonnamment, ils ont découvert que les trois génomes de céphalopodes étaient fortement réarrangés les uns par rapport aux autres et aux autres animaux.

“Les poulpes et les calmars différaient il y a environ 300 millions d’années, il est donc logique qu’ils aient des histoires évolutives très différentes”, a déclaré Albertin. “Ce résultat passionnant suggère que des réarrangements spectaculaires des génomes des céphalopodes ont créé de nouvelles séquences de gènes qui ont joué un rôle important dans l’évolution des calmars et des poulpes.”

Ils contiennent de nouvelles familles de gènes. L’équipe a identifié des centaines de gènes propres aux céphalopodes dans de nouvelles familles de gènes. Bien que certains des nouveaux groupes de gènes communs à d’autres animaux aient été préservés dans ces nouvelles familles de gènes de céphalopodes, la régulation des gènes semble être très différente. Certaines de ces familles de gènes spécifiques aux céphalopodes sont fortement exprimées dans des traits de céphalopodes uniques, y compris le cerveau de calmar.

Certaines familles de gènes sont exceptionnellement étendues. “Un exemple passionnant de ceci est les gènes de la protocadhérine”, a déclaré Albertin. “Les céphalopodes et les vertébrés ont indépendamment dupliqué leurs protocadhérines, contrairement aux mouches et aux nématodes qui ont perdu cette famille de gènes au fil du temps. Cette duplication a conduit à un cadre moléculaire riche qui peut être impliqué dans le développement de systèmes nerveux vastes et complexes chez les vertébrés et les céphalopodes eux-mêmes. .

Ils ont également trouvé des extensions de familles de gènes spécifiques à l’espèce, telles que le bec de calmar ou les gènes de production d’imines. “Aucune de ces familles de gènes n’a été trouvée sur les pieuvres. Donc, ces groupes d’animaux séparés inventent de nouvelles familles de gènes pour réaliser leur nouvelle biologie », a déclaré Albertin.

Édition d’ARN : une autre flèche pour créer de la nouveauté dans Quiver

Des études antérieures de MBL ont montré que le taux d’édition de l’ARN chez les calmars et les poulpes est extrêmement élevé, ce qui rend les types de protéines produites par les animaux plus diversifiés. Pour suivre cette trouvaille, Albertin et coll. ARN séquencé de 26 tissus différents Doryteuthis et examiné le taux d’édition d’ARN dans divers tissus.

“Nous avons trouvé un signal très fort pour l’édition de l’ARN, qui modifie la séquence d’une protéine confinée au système nerveux, en particulier dans le cerveau et dans un lobe fibreux géant”, a déclaré Albertin.

“Ce répertoire de différentes éditions de tissus fournit une ressource pour poser des questions de suivi sur les effets de l’édition. Par exemple, l’édition d’ARN est-elle effectuée pour aider un animal à s’adapter aux changements de température ou à d’autres facteurs environnementaux ?

Encadré : pourquoi ces céphalopodes ont-ils coupé ?

Ces trois espèces de céphalopodes ont été sélectionnées pour la recherche, compte tenu de l’importance de leur passé et de leur avenir dans la recherche. “Nous pouvons en apprendre beaucoup sur un animal en séquençant son génome, et le génome est un ensemble d’outils important pour toute recherche ultérieure”, a déclaré Albertin.

Ils sont:

  • calmar de l’Atlantique (Doryteuthis pealii). Près d’un siècle de recherche sur ce calmar à MBL et ailleurs a révélé les bases de la neurotransmission (certaines des découvertes sont lauréates du prix Nobel). Cependant, il s’agit du premier rapport sur la séquence du génome de ce calmar bien étudié (Albertinis et al., financé par la Grass Foundation). Il y a deux ans, l’équipe MBL a réalisé la première perte de gènes de céphalopodes Transport de Doryteuthisen tirant parti des données préliminaires de séquence génomique et en éditant le génome CRISPr-Cas9.
  • Calmar bobteil hawaïen (Champs d’application Eurymna). La bactérie rougeoyante vit dans “l’organe lumineux” unique du calmar, qui profite aux deux. Cette espèce est devenue un système modèle pour l’étude de la symbiose et d’autres aspects du développement des animaux et des bactéries. Mustand E. scolopes l’assemblage du génome a été publié en 2019.
  • Pieuvre à deux points de Californie (Octopus bimaculoides). Relativement nouveau dans le bloc de recherche, il s’agissait du premier génome de poulpe jamais séquencé. En 2015, Albertin a dirigé une équipe qui a publié une ébauche de son génome.

Références:

1. Schmidbaur H, Kawaguchi A, Clarence T et al. Émergence d’une nouvelle régulation et expression de gènes de céphalopodes par réarrangement à grande échelle du génome. Communications nationales. 2022 ; 13 (1) : 2172. doi : 10.1038 / s41467-022-29694-7.

2. Albertin CB, Medina-Ruiz S, Mitros T et al. Des mécanismes génomiques et transcriptomiques régissent l’évolution des céphalopodes. Communications nationales. 2022 ; 13 (1) : 2427. doi : 10.1038 / s41467-022-29748-w.

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