Quand l’expression est-elle contrainte au cours du développement ?

L’étude de l’évolution de l’expression au cours du développement à une échelle globale, va per-mettre l’identification des périodes du développement pendant lesquelles l’expression des gènes est la plus contrainte. Ainsi, les premières études basées sur des ESTs (Expressed Sequenced Tags) et des puces à ADN chez le poisson zèbre et la souris, observent que les gènes exprimés précoce-ment sont plus contraints que les gènes exprimés plus tardiveprécoce-ment au cours du développeprécoce-ment [Roux & Robinson-Rechavi, 2008; Comte et al. , 2010]. Ces études proposent que l’existence d’une période phylotypique (contrainte morphologique) soit due à la contrainte génomique qui a lieu au début du développement.

Dans les études montrant l’existence d’une période de développement plus conservée à mi-embryogenèse, on distingue deux types d’approches. D’une part les études qui estiment l’âge du transcriptome. Irie & Sehara-Fujisawa [2007] définissent un“index ancestral”. Plus particulière-ment, l’index ancestral des vertébrés, qui est le ratio entre le nombre de gènes non-redondant spé-cifiques des vertébrés (possédant au moins un homologue chez les protostomes, les urochordés, les téléostes et les amphibiens) exprimés au stade k, sur le nombre total de gènes non-redondant exprimés au même stade k. Les auteurs font l’hypothèse que le stade phylotypique devrait être le stade qui est enrichi en gènes des vertébrés. Ainsi, ils identifient un stade (le “pharyngula state”) a mi-embryogenèse qui possède le plus fort ratio d’index ancestral des vertébrés, supportant

ainsi l’idée d’un stade fortement contraint,- le stade phylotypique. Domazet-Lošo & Tautz [2010] s’inspirent de cet index ancestral et proposent une nouvelle métrique, le TAI (Transcriptome Age Index), qui permet de dater l’âge d’un transcriptome. Ainsi ils identifient chez le poisson zèbre et la drosophile (données de puce à ADN), un stade à mi-embryogenèse où le TAI est le plus faible, c’est à dire que le transcriptome est ancestral. Quint et al. [2012] identifient aussi un stade phylotypique chez les plantes en utilisant le TAI. Cependant, Piasecka et al. [2013] montrent qu’après re-normalisation de ces données, l’âge du transcriptome ne permet pas de détecter la signature d’un stade fortement conservé à mi-embryogenèse. Bien qu’ils ne trouvent pas non plus ce patron d’hourglass au niveau des séquences ni au niveau de l’expression, ils identifient une forte conservation des séquences régulatrices à mi-embryogenèse. D’autre part, les études qui estiment le taux de divergence des niveaux d’expression entre espèces à différents temps de développement. Ainsi, Kalinka et al. [2010] montrent une plus forte conservation de l’expression à mi-embryogenèse entre six espèces de drosophiles (figure 2.6). De même Irie & Kuratani [2011] retrouvent ce patron de conservation entre le poisson zèbre, la grenouille, le poulet et la souris. Ainsi, l’affrontement entre les modèles entonnoir et sablier (présentés partie 1.4.2.1) se voit offrir de nouveaux arguments grâce aux études large échelle. Cependant, il n’y a pas de consensus clair quant à la prévalence d’un modèle par rapport à autre, bien que la signature du modèle sablier soit celle que les études cherchent à mettre en évidence [Irie & Sehara-Fujisawa, 2007; Irie & Kuratani, 2011; Domazet-Lošo & Tautz, 2010; Kalinka et al. , 2010; Prud'homme & Gompel, 2010; Quint et al. , 2012; Drost et al. , 2015]. Notamment, une des difficultés rencontrée est de rendre homologue des stades de développement entre différentes espèces, afin de pouvoir les comparer et aussi d’obtenir des niveaux d’expression comparables entre espèces (voir chapitre 9).

Chapitre 2. L’outil transcriptomique :

comprendre l’évolution de l’expression et l’évolution du développement

FIGURE2.5 – Identité des doigts de poulet.

(A.) Protocole expérimental montrant la dissection des doigts de poulet (rectangles rouge) des

membres antérieurs (forelimb) et postérieurs (hindlimb) de poulet à deux stades de dévelop-pement. Early : stade 28, représenté et Late : stade 31. Le membre antérieur possède 3 doigts notés a, b et c. Le membre postérieur possède quatre doigts notés a, b, c et d . (B.) La matrice des corrélations de Pearson par paire d’échantillon (heatmap), met en évidence la structuration des données en 2 groupes (cadre rouge et bleu). Le premier groupe (cadre rouge) est composé des échantillons antérieurs et postérieurs du doigt a. Cela suppose que le doigt a des membres postérieurs et inférieurs sont homologues. Le deuxième groupe (cadre bleu) est un mélange des échantillons des doigts b, c et d . Donc il n’y a pas de correspondance claire entre les doigts b/c du membre antérieur et les doigts b/c/d du membre postérieur. Les membres antérieurs sont symbolisés par un triangle ; les membres postérieurs sont symbolisés par un carré. Les symboles blanc représentent le stade early et les symboles noir le stade late. (C.) Représentation schéma-tique du développement des doigts dans les membres de poulet et le membre ancestral (exemple de la souris). La couleur représente l’identité moléculaire. Les données transcriptomiques de Wang et al. [2011] suggèrent que le premier doigt de l’aile de poulet, bien qu’il se développe en position 2, est homologue au premier doigt de la patte de poulet, d’où la couleur rouge partagée par tous les doigt a. (Adapté de Wang et al. [2011]) et Carkett & Logan [2011])

FIGURE2.6 – Contrainte type “hourglass” dans les embryons de drosophile.

Données d’expression pour 6 espèces de drosophile (D. melanogaster, D. simulans, D. ananassae, D. persimilis, D. pseudoobscura and D. virilis), dont le temps de divergence le plus important remonte à 40 millions d’années. La zone grisée représente une période du développement où le niveau d’expression est le plus similaire entre espèces. Cette période correspond au stade phylotypique. (D’après Kalinka et al. [2010])

Les dents reflètent assez bien l’historique de l’évo-dévo. Il y d’abord eu les études comparées du développement de la molaire, tout en essayant de replacer dans un contexte évolutif [Osborn, 1887]. Les conclusions de ces études du X I X^èmesiècles sont revues par Butler [1956] . Puis il y eut l’ère de la génétique qui éclipsa les données de morphologie comparées ainsi que le hypothèses sur la mécanistique du développement qui avaient alors été avancées. Les études génétiques du développement de la dent ont permis de mettre en évidence de nombreux gènes et réseaux génétiques (revue dans Tucker & Sharpe [2004]; Jernvall & Thesleff [2012]; Balic & Thesleff [2015]). Elles ont notamment mis en évidence et caractérisé les gènes qui permettent le dialogue entre l’épithélium et le mésenchyme,les deux tissus constitutifs de la dent [Mina & Kollar, 1987; Bei & Maas, 1998; Bei et al. , 2000; Munne et al. , 2009; Tummers & Thesleff, 2009]. Ces données de développement ont permis l’établissement d’un modèle in silico du développement de la dent de mammifère [Salazar-Ciudad & Jernvall, 2002] (que je détaillerai dans la partie 3.2.4). Ce modèle permet de répondre à des questions d’évo-dévo telles que l’émergence de la variabilité morphologique [Salazar-Ciudad & Jernvall, 2010; Harjunmaa et al. , 2014].

3.1 Les dents et leur évolution