Pour la plupart des vertébrés, la perte d'un membre est permanente, mais quelques espèces chanceuses – comme les salamandres et les têtards – ont la capacité de repousser complètement des parties complexes du corps.
Comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents à ce phénomène peut être la clé du développement de nouveaux types de médecine régénérative, nous donnant le pouvoir de guérir les lésions de la moelle épinière et d'autres tissus gravement endommagés.
Une nouvelle étude publiée dans le Actes de la Royal Society B des chercheurs de l'Université de Chicago et de l'Universidade Federal do Pará explore pour la première fois cette capacité de régénération des queues de poisson-poumon d'Afrique de l'Ouest et constate que le processus partage bon nombre des mêmes traits que la régénération de la queue chez les salamandres.
Leurs résultats indiquent que ce trait a probablement été trouvé chez un ancêtre commun – et offre une nouvelle opportunité pour mieux comprendre et exploiter les mécanismes de la repousse des membres.
L'inspiration pour cette recherche est née d'une bourse postdoctorale au Shubin Lab à UChicago. Après avoir terminé ses études postdoctorales en biologie évolutionniste, Igor Schneider, PhD, a accepté un poste de professeur à Belém, au Brésil, où il a trouvé la diversité de la forêt amazonienne à portée de main.
Il s'est intéressé à l'exploration des traits évolutifs dans de nouveaux modèles animaux et s'est finalement concentré sur la biologie régénératrice. Il a commencé à explorer les mécanismes de régénération des poumons – d'abord chez les espèces sud-américaines, puis chez les poumons d'Afrique de l'Ouest.
« Quand nous parlons de la façon dont une salamandre fait repousser une queue perdue, nous parlons de la repousse de toutes sortes de tissus », a déclaré Schneider, professeur agrégé de sciences biologiques à l'Universidade Federal do Pará et professeur associé invité en biologie des organismes. à UChicago.
«Les vertèbres, la moelle épinière, les muscles, c'est une structure très complexe. Les mammifères, les oiseaux et la plupart des reptiles ne peuvent pas régénérer les tissus comme ça, mais les salamandres le peuvent. Nous connaissons une partie de la biologie de la façon dont cela se produit, mais nous ne savons pas vraiment beaucoup sur la façon dont il a évolué, ou quand. Nos ancêtres avaient-ils la capacité de régénérer un membre perdu? Avons-nous perdu cette capacité en tant que mammifères, ou les salamandres ont-elles eu la chance de l'inventer plus tard? «
Schneider, professeur agrégé et professeur associé invité, Département de biologie des organismes, Université de Chicago, médecine et sciences biologiques
Une façon de répondre à cette question est de déterminer si le trait existait ou non dans l'ancêtre commun entre les humains et les salamandres. Pour ce faire, les chercheurs ont adopté une approche phylogénétique, à la recherche de parents supplémentaires possédant un caractère régénératif similaire.
Le poumon est unique en ce qu'il est « notre cousin le plus proche du poisson », a déclaré Schneider. «Ils peuvent régénérer leurs queues, mais ils sont aussi nos plus proches parents dans l'eau. Cela nous permet d'explorer si cette capacité régénératrice était également susceptible d'être présente chez notre ancêtre commun, sans avoir à aller trop loin dans notre arbre phylogénétique. «
Les poumons représentent un modèle idéal pour plus d'une raison. «Ces animaux ont la bonne anatomie pour étudier cette question et peuvent également être facilement gérés en laboratoire», a déclaré Neil Shubin, PhD, professeur de service distingué Robert R. Bensley en biologie et anatomie des organismes à UChicago.
«Les poumons sont beaucoup plus étroitement liés aux humains que les autres espèces communes qui ont des capacités de régénération, comme le poisson zèbre. Par exemple, les poissons-poumons ont un humérus dans leur nageoire, tout comme l'os de nos bras. Ils ont des poumons similaires aux nôtres. Il existe une série de caractéristiques suggérant que ces animaux nous sont beaucoup plus étroitement liés que le poisson zèbre. «
Les chercheurs ont d'abord été mis au défi d'établir le poisson-poumon en tant que modèle à partir de zéro, d'apprendre à prendre soin du poisson dans un laboratoire, d'échantillonner des tissus et d'obtenir des données de séquençage de l'ADN pour obtenir une image plus claire de la génétique de l'animal et de tester de nouveaux anticorps. et techniques dans une toute nouvelle espèce.
Ce qu'ils ont découvert, c'est que le poisson-poumon d'Afrique de l'Ouest pouvait non seulement régénérer complètement une queue perdue, mais que la régénération utilisait des mécanismes moléculaires similaires à la repousse des membres observée chez les amphibiens. Cela comprend une molécule de signalisation critique, Shh, qui joue un rôle clé dans la croissance et l'organisation du cerveau et du corps pendant le développement embryonnaire.
Cela confirme l'hypothèse selon laquelle ce type de régénération était présent chez un ancêtre commun de ces espèces – et des humains.
Mais les différences sont peut-être encore plus intéressantes que les similitudes dans les processus de régénération. « Ce que j'ai trouvé particulièrement intrigant, ce sont certains des aspects de la repousse de la queue qui sont propres au poumon », a déclaré Schneider.
« Ces animaux sont connus pour avoir des génomes gigantesques – jusqu'à 40 fois plus grands que ceux d'un humain – parce que leurs génomes contiennent beaucoup d'éléments d'ADN dérivés de virus, appelés transposons. »
«Pendant la régénération, certains de ces gènes s’activent, mais nous ne savons pas si c’est simplement parce qu’ils sont proches d’autres gènes clés dans ce processus, ou si c’est parce que ces gènes sont activement impliqués dans la régénération. vu également dans la régénération des amphibiens, cela soulève donc la question de savoir si ces transposons jouent ou non un rôle particulier dans la régénération. «
En plus de fournir des informations sur l'origine évolutive de ce trait, les chercheurs affirment que ce nouveau modèle animal contribuera à faire avancer le domaine de la médecine régénérative. « Souvent, lorsque vous avez des modèles limités, vous essayez de très bien comprendre un processus dans une espèce donnée, puis extrapolez ce que vous apprenez à d'autres espèces », a déclaré Schneider.
«Mais vous pourriez rencontrer des choses qui sont propres à l’espèce que vous étudiez et qui ne s’appliqueront pas toujours aux autres animaux. Comprendre des phénomènes comme la régénération de manière comparative, voir comment d’autres organismes le font, peut nous aider à trouver des thèmes généraux. en régénération. «
Clarifier davantage l'évolution de la régénération des membres chez les poumons et d'autres espèces, ainsi que leurs mécanismes sous-jacents, pourrait révéler de nouveaux traitements pour les blessures graves, les lésions de la moelle épinière et les amputations.
« En fin de compte, nous essayons de comprendre la trousse d'outils ancestrale utilisée par ces espèces pour conduire le processus de régénération », a déclaré Shubin. «Cela nous aidera à déterminer quelles parties de cette trousse à outils nous, les humains, avons perdues, au niveau génétique et cellulaire, et, plus important encore, quelles parties pouvons-nous recréer?
La source:
Centre médical de l'Université de Chicago
Référence du journal:
Verissimo, K. M., et al. (2020) nRégénération de la queue de type salamandre chez le poisson-poumon d'Afrique de l'Ouest, Actes de la Royal Society B: Biological Sciences. doi.org/10.1098/rspb.2019.2939.
