Explorer les gènes uniques derrière nos grands cerveaux
Un groupe de gènes que l'on ne trouve que chez les humains et qui est apparu chez nos ancêtres il y a 3 à 4 millions d'années peut avoir conduit l'évolution de nos plus gros cerveaux.
Cette révélation - et les travaux qui y ont conduit - fait l'objet de deux études désormais rapportées dans la revue Cellule.
Une étude a été menée par l'Université de Californie (UC) Santa Cruz et l'autre par l'Université Libre de Bruxelles en Belgique.
Les résultats comblent une lacune dans nos connaissances sur les changements qui ont conduit à l'évolution de nos cerveaux plus larges et nous ont donné la capacité de penser et de résoudre des problèmes.
Les gènes - nommés NOTCH2NL - appartiennent à une très ancienne famille appelée Notch qui a été identifiée pour la première fois chez les mouches des fruits; ils ont obtenu leur nom parce qu'ils étaient liés à des défauts génétiques qui faisaient que les mouches avaient des ailes entaillées.
Comment NOTCH2NL augmente le nombre de neurones
Les gènes Notch remontent à «des centaines de millions d'années» et «jouent un rôle important dans le développement embryonnaire», explique David Haussler, professeur de génie biomoléculaire à l'UC Santa Cruz et co-auteur principal du premier article d'étude.
«Découvrir», poursuit-il, «que les humains ont un nouveau membre de cette famille qui est impliqué dans le développement du cerveau est extrêmement excitant.»
Les chercheurs ont découvert que les gènes NOTCH2NL, uniquement humains, semblent avoir un rôle clé dans le développement du cortex humain, siège de capacités cognitives avancées telles que le raisonnement et le langage.
Les gènes sont fortement exprimés dans les cellules souches neurales du cortex et retardent leur maturation en types de cellules spécifiques.
Ce retard entraîne l'accumulation d'un plus grand pool de cellules souches, ce qui, à son tour, conduit à la production de plus de neurones au cours du développement du cerveau.
Les gènes stimulent la signalisation pendant le développement
Les gènes NOTCH2NL sont situés sur une zone du génome humain - «le bras long du chromosome 1» - qui a été liée à plusieurs troubles neurodéveloppementaux tels que l'autisme, la microcéphalie, la macrocéphalie et la schizophrénie.
Certains des troubles sont liés à la duplication de grandes sections d'ADN, et certains sont liés à des délétions. Ils sont connus sous leur nom collectif de «syndromes de suppression / duplication 1q21.1».
Les protéines codées par la famille des gènes Notch sont concernées par la signalisation à l'intérieur des cellules et également entre les cellules.
Beaucoup de ces signaux dirigent le sort des cellules souches - par exemple, s'il faut se différencier en cellules cérébrales ou en cellules cardiaques - dans de nombreuses parties du corps.
Les chercheurs ont découvert que les gènes NOTCH2NL codent pour des protéines qui «améliorent» la signalisation Notch.
«La signalisation Notch», explique l'auteur principal de l'étude, le Dr Sofie R. Salama, qui est chercheur en génie biomoléculaire à l'UC Santa Cruz, «était déjà connue pour être importante dans le développement du système nerveux.
«NOTCH2NL semble amplifier la signalisation Notch, ce qui conduit à une prolifération accrue des cellules souches neurales et à un retard de la maturation neurale», ajoute-t-elle.
«Erreurs de copie d’ADN»
Cependant, le Dr Salama souligne que les gènes font simplement partie d'un processus beaucoup plus vaste qui contrôle le développement du cortex humain: ils n'agissent pas dans le vide.
Ils sont entrés en jeu à un «moment provocateur de l'évolution humaine». Elle et ses collègues ont également trouvé intéressant que les gènes soient associés à des troubles du développement.
Il apparaît que les «erreurs de copie d'ADN» survenues chez nos ancêtres qui ont donné naissance aux gènes NOTCH2NL sont d'un type similaire à celles qui donnent lieu à des troubles neurologiques dans le syndrome de délétion / duplication 1q21.1.
En règle générale, les erreurs se produisent à des emplacements sur les chromosomes qui ont de longues séquences d'ADN qui sont «presque identiques».
«Ces longs segments d'ADN qui sont presque identiques peuvent perturber le mécanisme de réplication et provoquer une instabilité dans le génome», explique le professeur Haussler.
Paradoxalement, il semblerait que le processus de duplication de gène dans la région du chromosome 1 qui nous a donné nos plus gros cerveaux puisse également être responsable de nous rendre vulnérables au syndrome de suppression / duplication 1q21.1.
À l’aide d’outils de séquençage, les chercheurs ont trouvé huit versions de NOTCH2NL chez les humains d’aujourd’hui, et ils soupçonnent qu’il y en a d’autres à découvrir.
Chaque version de NOTCH2NL varie légèrement dans le séquençage de son ADN, mais à quel effet reste un mystère.
Les gènes ont montré des différences subtiles lorsqu'ils ont été testés sur des cellules cultivées en laboratoire. Cependant, il reste «beaucoup plus de travail à faire» pour découvrir ce que signifient ces différences, dit le Dr Salama.
"Nous avons constaté que tous peuvent promouvoir la signalisation Notch."
Dr Sofie R. Salama
