Marie Rousseau
Les humains se sont séparés de nos in addition proches mothers and fathers animaux, les chimpanzés, et ont formé notre propre branche sur l’arbre de l’évolution il y a environ sept hundreds of thousands d’années. Dans le temps qui s’est écoulé depuis – bref, d’un place de vue évolutif – nos ancêtres ont développé les attributes qui font de nous des humains, y compris un cerveau beaucoup in addition gros que les chimpanzés et des corps mieux adaptés à la marche sur deux pieds. Ces différences physiques sont sous-tendues par des changements subtils au niveau de notre ADN. Cependant, il peut être difficile de dire lesquelles des nombreuses petites différences génétiques entre nous et les chimpanzés ont été importantes pour notre évolution.
Nouvelle recherche de Jonathan Weissman, membre du Whitehead Institute Université de Californie, San Francisco Professeur adjoint Alex Pollen Richard She, article-doctorant au laboratoire Weissman Tyler Honest, étudiant diplômé du laboratoire Pollen et ses collègues utilisent des outils de pointe développés dans le laboratoire Weissman pour cerner les principales différences dans la façon dont les humains et les chimpanzés dépendent de certains gènes. Leurs découvertes, publiées dans la revue Cell le 20 juin, peuvent fournir des indices uniques sur la façon dont les humains et les chimpanzés ont évolué, y compris la façon dont les humains sont devenus capables de développer des cerveaux relativement gros.
Étudier la fonction plutôt que le code génétique
Seule une poignée de gènes sont fondamentalement différents entre les humains et les chimpanzés les autres gènes des deux espèces sont généralement presque identiques. Les différences entre les espèces se résument souvent au second et à la manière dont les cellules utilisent ces gènes presque identiques. Cependant, seules quelques-unes des nombreuses différences dans l’utilisation des gènes entre les deux espèces sous-tendent de grands changements dans les traits physiques. Les chercheurs ont développé une approche pour réduire ces différences importantes.
Leur approche, utilisant des cellules souches dérivées d’échantillons de peau humaine et de chimpanzé, repose sur un outil appelé interférence CRISPR (CRISPRi) que le laboratoire de Weissman a développé. CRISPRi utilise une version modifiée du système d’édition de gènes CRISPR/Cas9 pour désactiver efficacement les gènes individuels. Les chercheurs ont utilisé CRISPRi pour désactiver chaque gène un par un dans un groupe de cellules souches humaines et un groupe de cellules souches de chimpanzé. Ensuite, ils ont regardé pour voir si oui ou non les cellules se multipliaient à leur rythme regular. Si les cellules cessaient de se multiplier aussi rapidement ou s’arrêtaient complètement, alors le gène qui avait été désactivé était considéré comme essentiel : un gène dont les cellules ont besoin pour être actif – produisant un produit protéique – afin de prospérer. Les chercheurs ont recherché des cas dans lesquels un gène était essentiel chez une espèce mais pas chez l’autre afin d’explorer s’il existait des différences fondamentales dans le fonctionnement fondamental des cellules humaines et chimpanzées.
En recherchant les différences dans le fonctionnement des cellules avec des gènes particuliers désactivés, plutôt que d’examiner les différences dans la séquence d’ADN ou l’expression des gènes, l’approche dismiss les différences qui ne semblent pas avoir d’impact sur les cellules. Si une différence dans l’utilisation des gènes entre les espèces a un effet critical et mesurable au niveau de la cellule, cela reflète probablement une différence significative entre les espèces à une as well as grande échelle physique, et donc les gènes identifiés de cette manière sont susceptibles d’être pertinents pour les qualities distinctifs qui ont émergé au cours de l’évolution de l’homme et du chimpanzé.
“Le problème avec l’examen des changements d’expression ou des changements dans les séquences d’ADN est qu’il y en a beaucoup et que leur relevance fonctionnelle n’est pas claire”, explique Weissman, qui est également professeur de biologie au Massachusetts Institute of Know-how et chercheur au Howard Institut médical Hughes. “Cette approche look at les changements dans la façon dont les gènes interagissent pour effectuer des processus biologiques clés, et ce que nous voyons en faisant cela, c’est que, même sur la courte échelle de temps de l’évolution humaine, il y a eu un recâblage fondamental des cellules.”
Une fois les expériences CRISPRi terminées, elle a compilé une liste des gènes qui semblaient essentiels chez une espèce mais pas chez l’autre. Puis il a cherché des modèles. Bon nombre des 75 gènes identifiés par les expériences se sont regroupés dans les mêmes voies, ce qui signifie que les grappes étaient impliquées dans les mêmes processus biologiques. C’est ce que les chercheurs espéraient voir. De petits changements individuels dans l’utilisation des gènes peuvent ne pas avoir beaucoup d’effet, mais lorsque ces changements s’accumulent dans la même voie ou processus biologique, ils peuvent collectivement provoquer un changement substantiel dans l’espèce. Lorsque l’approche des chercheurs a identifié des gènes qui se regroupent dans les mêmes processus, cela leur a suggéré que leur approche avait fonctionné et que les gènes étaient probablement impliqués dans l’évolution de l’homme et du chimpanzé.
“Isoler les changements génétiques qui ont fait de nous des humains a été comparé à la recherche d’aiguilles dans une botte de foin, motor vehicle il existe des millions de différences génétiques, et la plupart sont susceptibles d’avoir des effets négligeables sur les attributes”, explique Pollen. “Cependant, nous savons qu’il existe de nombreuses petites mutations à effet qui, dans l’ensemble, peuvent expliquer de nombreuses différences entre les espèces. Cette nouvelle approche nous permet d’étudier ces effets agrégés, ce qui nous permet de peser l’impact de la botte de foin sur les fonctions cellulaires.”
Les chercheurs pensent que les cerveaux as well as gros peuvent compter sur des gènes régulant la vitesse de division des cellules
Un groupe de la liste s’est démarqué des chercheurs : un groupe de gènes essentiels aux chimpanzés, mais pas aux humains, qui aident à contrôler le cycle cellulaire, qui régule quand et comment les cellules décident de se diviser. On a longtemps supposé que la régulation du cycle cellulaire jouait un rôle dans l’évolution du gros cerveau humain. L’hypothèse est la suivante : les progéniteurs neuronaux sont les cellules qui deviendront des neurones et d’autres cellules cérébrales. Avant de devenir des cellules cérébrales matures, les progéniteurs neuronaux se divisent plusieurs fois pour se développer davantage. In addition les progéniteurs neuraux subiront de divisions, additionally le cerveau contiendra finalement de cellules – et donc, in addition il sera gros. Les chercheurs pensent que quelque chose a changé au cours de l’évolution humaine pour permettre aux progéniteurs neuronaux de passer moins de temps dans une period de non-division du cycle cellulaire et de passer additionally rapidement vers la division. Cette basic différence conduirait à des divisions supplémentaires, dont chacune pourrait essentiellement doubler le nombre ultimate de cellules cérébrales.
Conformément à l’hypothèse populaire selon laquelle les progéniteurs neuraux humains peuvent subir plus de divisions, entraînant un cerveau as well as gros, les chercheurs ont découvert que plusieurs gènes qui aident les cellules à effectuer une transition plus rapide à travers le cycle cellulaire sont essentiels dans les cellules progénitrices neurales du chimpanzé, mais pas dans les cellules humaines. Lorsque les cellules progénitrices neurales du chimpanzé perdent ces gènes, elles persistent dans une period de non-division, mais lorsque les cellules humaines les perdent, elles continuent à se cycler et à se diviser. Ces résultats suggèrent que les progéniteurs neuraux humains pourraient mieux résister aux worry, tels que la perte de gènes du cycle cellulaire, qui limiteraient le nombre de divisions subies par les cellules, permettant aux humains de produire suffisamment de cellules pour construire un cerveau furthermore grand.
“Cette hypothèse existe depuis longtemps, et je pense que notre étude est parmi les premières à montrer qu’il existe en fait une différence d’espèce dans la façon dont le cycle cellulaire est régulé chez les progéniteurs neuronaux”, dit-elle. “Nous n’avions aucune idée des gènes que notre approche mettrait en évidence, et c’était vraiment excitant quand nous avons vu que l’une de nos découvertes les plus solides correspondait et élargissait cette hypothèse existante.”
In addition de sujets conduisent à des résultats furthermore robustes
Les recherches comparant les chimpanzés aux humains utilisent souvent des échantillons d’un ou deux individus de chaque espèce, mais cette étude a utilisé des échantillons de 6 humains et de six chimpanzés. En s’assurant que les modèles qu’ils ont observés étaient cohérents entre plusieurs individus de chaque espèce, les chercheurs ont pu éviter de confondre la variation génétique naturelle entre les individus comme représentative de l’ensemble de l’espèce. Cela leur a permis d’être sûrs que les différences qu’ils ont identifiées étaient vraiment des différences entre les espèces.
Les chercheurs ont également comparé leurs découvertes pour les chimpanzés et les humains aux orangs-outans, qui se sont séparés des autres espèces furthermore tôt dans notre histoire évolutive commune. Cela leur a permis de déterminer où sur l’arbre évolutif un changement dans l’utilisation des gènes s’est le in addition probablement produit. Si un gène est essentiel à la fois chez les chimpanzés et les orangs-outans, alors il était probablement essentiel chez l’ancêtre commun des trois espèces il est in addition probable qu’une différence particulière ait évolué une fois, chez un ancêtre commun, que d’avoir évolué indépendamment plusieurs fois. Si le même gène n’est moreover essentiel chez l’homme, son rôle a très probablement changé après la séparation de l’homme et du chimpanzé. En utilisant ce système, les chercheurs ont montré que les changements dans la régulation du cycle cellulaire se produisaient au cours de l’évolution humaine, conformément à la proposition selon laquelle ils contribuaient à l’expansion du cerveau chez l’homme.
Les chercheurs espèrent que leurs travaux améliorent non seulement notre compréhension de l’évolution humaine et des chimpanzés, mais démontrent également la power de l’approche CRISPRi pour étudier l’évolution humaine et d’autres domaines de la biologie humaine. Les chercheurs des laboratoires Weissman et Pollen utilisent maintenant l’approche pour mieux comprendre les maladies humaines – à la recherche des différences subtiles dans l’utilisation des gènes qui peuvent sous-tendre des characteristics importants tels que si quelqu’un risque de développer une maladie ou comment il réagira à un médicament. Les chercheurs prévoient que leur approche leur permettra de trier de nombreuses petites différences génétiques entre les personnes pour se concentrer sur celles qui ont un effect sur les features sous-jacents de la santé et de la maladie, tout comme l’approche leur a permis de se concentrer sur les changements évolutifs qui ont contribué à nous rendre humains.
