Populaire dans les aquariums du monde entier, le poisson zèbre est originaire d’Asie du Sud. Mais ici, dans un laboratoire pour enfants de Cincinnati, la variante d’eau douce joue un rôle essentiel dans la découverte scientifique.
Les rayures emblématiques sont accrocheuses, mais c’est la transparence du tissu embryonnaire de poisson zèbre qui est la plus prisée par des chercheurs comme Oriana Zinani, étudiante de cinquième année au doctorat en biologie du développement moléculaire à l’Université de Cincinnati College of Medicine. Le motif de la colonne vertébrale du poisson zèbre donne l’apparence de rayures; il est contrôlé par des gènes de segmentation qui fonctionnent comme une horloge.
Zinani fait partie d’une équipe de scientifiques du laboratoire d’Ertuğrul M. Özbudak, PhD, professeur agrégé de pédiatrie à l’UC et au centre médical de l’hôpital pour enfants de Cincinnati. L’équipe étudie une mutation génétique qui cause une scoliose congénitale, une anomalie congénitale caractérisée par un échec de séparation des vertèbres et des cages thoraciques désordonnées. Les œufs de poisson zèbre sont fécondés et se développent à l’extérieur du corps de la mère, ce qui facilite la visualisation avec une imagerie haute résolution pour les chercheurs. Le poisson zèbre et les humains partagent 70% des mêmes gènes.
Nous pouvons voir exactement ce qui se passe pendant que cela se passe chez le poisson zèbre, ce qui nous donne un aperçu du développement embryonnaire humain. Ma recherche pose la question suivante: «Comment l’embryon de poisson zèbre parvient-il à un développement précis et robuste dans une variété d’environnements qui tiennent compte de variables telles que les fluctuations de température et l’exposition à différents niveaux d’oxygénation? Nous avons réalisé que les embryons doivent développer des mécanismes pour filtrer le bruit du développement, et je me concentre sur ce que ces mécanismes impliquent. «
Oriana Zinani, étudiante au doctorat, Université de Cincinnati College of Medicine
Les scientifiques savent depuis un certain temps que des gènes spécifiques se couplent sur le même chromosome et apparaissent ensemble ou « co-expriment » dans les cellules et les tissus. Chez l’homme, au moins 10% des gènes se couplent sur le même chromosome. Pourquoi cela se produit est inconnu, mais l’équipe – comprenant Zinani, Özbudak, Kemal Kesero? Lu, chercheur à Cincinnati Children’s et Ahmet Ay de l’Université Colgate – a fait une expérience en séparant deux gènes qui ont été associés pour déterminer le rôle ils peuvent jouer dans le développement de la colonne vertébrale.
Les résultats de l’équipe ont été récemment publiés dans la revue savante La nature.
À l’aide de l’outil d’édition de gènes CRISPR-Cas9, l’équipe de recherche a réalisé une expérience simple en utilisant un modèle de poisson zèbre et a séparé deux gènes qui se couplent pour contrôler le développement sain de la colonne vertébrale. Les gènes séparés ont rompu leur co-expression. Au lieu des limites de segment précises que nous avons l’habitude de voir dans les embryons de poisson zèbre, nous voyons à la place un tissu fusionné, ce qui conduit finalement à l’échec de la formation des vertèbres.
«Avec deux gènes fonctionnels appariés, nous constatons un développement normal et sain», déclare Zinani. « S’il s’agissait d’un humain, la personne n’aurait aucune maladie. Si nous prenons les paires de gènes normales et les séparons, sans créer aucune mutation, nous voyons le développement de la maladie sous le stress environnemental. »
Les images d’un poisson zèbre avec les gènes séparés montrent une vertèbre déchiquetée qui est fissurée, cassée et fusionnée, explique Zinani. Le poisson zèbre a un phénotype malade conduisant à une scoliose congénitale. Les chercheurs ont également élevé le poisson zèbre avec des paires de gènes séparées à différentes températures pour mieux comprendre l’impact de la pression environnementale sur le développement. Des gènes appariés conduisent à un développement bénéfique de la colonne vertébrale, en particulier sous un stress environnemental. La séparation des gènes est plus susceptible d’entraîner des déformations de la colonne vertébrale et une scoliose congénitale chez le poisson zèbre.
« Ce qui est également passionnant, ce sont de nombreux gènes responsables du développement du diabète, du cancer et des maladies auto-immunes également présents dans les paires de gènes du génome humain », déclare Zinani. « Nous pensons que davantage de recherches montreront l’importance de maintenir ces gènes à proximité de leurs partenaires. Si le processus consistant à avoir des gènes côte à côte influence le développement sain et la vie adulte, nous avons un nouvel objectif à considérer dans l’étude de la formation de la maladie. »
Özbudak a déclaré que le travail de Zinani sera utile dans les recherches futures.
« Ce qu’Oriana a découvert au cours de ses études supérieures pourrait expliquer pourquoi les organismes maintiennent des ordres génétiques particuliers dans leur génome: coordonner l’expression de gènes fonctionnant dans les mêmes processus biologiques », a-t-il déclaré.
La source:
Référence du journal:
Zinani, OQH, et coll. (2021) L’appariement de gènes d’horloge de segmentation conduit à une formation robuste de modèles. La nature. doi.org/10.1038/s41586-020-03055-0.
