Le CNRS, Weizmann (Israël) et Pasteur dévoilent l'incroyable complexité de l’anémone de mer
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L’anémone de mer possède environ 18 000 gènes contre 20 000 chez l’homme, et une bonne partie de ses gènes sont organisés en motifs similaires à ceux des gènes humains correspondants. Derrière son apparente simplicité, un cylindre surmonté de tentacules, l’anémone de mer recèle donc une grande complexité.
Des chercheurs de l’Institut Pasteur, du CNRS et de l’Institut Weizmann en Israël (Elad Chomsky, Aviezer Lifshitz, Zohar Mukamel, Amos Tanay, Arnau Sebé-Pedrós) viennent de découvrir plus d’une centaine de types cellulaires différents chez ce petit invertébré marin, et notamment une incroyable diversité de neurones. C’est en réalisant un véritable atlas cellulaire de l’animal que les chercheurs ont pu révéler cette étonnante complexité. Leurs résultats vont alimenter la réflexion sur la façon dont les cellules se sont diversifiées et regroupées sous forme d’organes au fil de l’évolution.
L’anémone de mer Nematostella vectensis a tout pour plaire aux chercheurs – mis à part peut-être ses tentacules urticants. Il s’agit d’un petit invertébré marin facile à maintenir en laboratoire, qui possède un génome suffisamment simple pour en étudier les rouages et suffisamment proche de celui de l’homme pour en tirer des enseignements. « Quand le génome de l’anémone de mer a été séquencé en 2007, on a découvert qu’il était très similaire à celui de l’homme, tant au niveau du nombre de gènes, avec environ 20 000 gènes, que de l’organisation, rappelle Heather Marlow, spécialiste en biologie du développement au sein de l’unité Génomique et épigénomique du développement des vertébrés à l’Institut Pasteur et principale auteure de l’étude. Ces similarités font de l’anémone de mer un modèle idéal pour étudier le génome animal et comprendre les interactions qui se jouent entre les gènes ». Autre point fort : sa position stratégique dans l’arbre du vivant. La branche évolutive des cnidaires à laquelle appartiennent les anémones s’est séparée de celle des bilatériens, autrement dit de la plupart des autres animaux y compris l’homme, il y a plus de 600 millions d’années. « L’anémone peut donc aussi nous aider à comprendre l’origine et l’évolution des multiples types cellulaires qui constituent les corps et organes des animaux, et notamment leur système nerveux », résume Heather Marlow.
Pour tenter d’en apprendre un peu plus sur les anémones de mer, et sur l’ensemble du règne animal, l’équipe de Heather Marlow a décidé d’ausculter ce cnidaire, cellule par cellule. Grâce à une technique innovante, les minuscules cellules de l’animal, qui ne font pas plus d’1 micron de diamètre, ont été isolées une à une, et leur ARN analysé. Car si l’ADN des chromosomes contient l’ensemble des gènes, l’ARN montre ceux-ci en activité. « Le développement d’approches génomiques à l’échelle de la cellule unique permet de répertorier avec une grande précision les différents types cellulaires, mais également d’identifier les gènes responsables du fonctionnement de chacune de ces cellules », décrit Heather Marlow. Au total, et contre toute attente, ce sont plus d’une centaine de types cellulaires différents qui ont été identifiés, regroupés dans huit familles principales de cellules (musculaires, digestives, neuronales, épidermiques, etc.). Et l’une des grandes surprises de ces travaux concerne le système nerveux. En effet, près d’une trentaine de type de neurones différents – peptidergiques, glutamatergiques ou encore insulinergiques – ont été identifiés, révélant un système nerveux et sensoriel d’une relativement grande complexité.
Ces travaux devraient ainsi aider les spécialistes de l’évolution à préciser le portrait de l’ancêtre commun dont dérivent d’une part les cnidaires (anémones) et de l’autre les animaux bilatériens (hommes). Ce dernier devait en effet déjà présenter une certaine complexité cellulaire. Par ailleurs, même si l’anémone semble très différente de nous, elle nous révèle les règles fondamentales qui permettent aujourd’hui à ses cellules comme aux nôtres de remplir autant de fonctions différentes. « La cellule est l’élément de base qui constitue les êtres vivants. En définissant comment les informations codées par le génome déterminent l’identité de chaque cellule, nous espérons mettre au jour les mécanismes conservés entre tous les animaux qui sont essentiels pour leur développement et leur homéostasie », conclut Heather Marlow.
Publication dans le journal Cell, 2018
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Despite its apparent simplicity – a tube-like body topped with tentacles –, the sea anemone is actually a highly complex creature. Scientists from the Institut Pasteur, in collaboration with the CNRS and Weizmann Institute of Sciences in Israel (Elad Chomsky, Aviezer Lifshitz, Zohar Mukamel, Amos Tanay, Arnau Sebé-Pedrós), have just discovered over a hundred different cell types in this small marine invertebrate as well as incredible neuronal diversity. This surprising complexity was revealed when the researchers built a real cell atlas of the animal. Their findings, which will add to discussions on how cells have diversified and developed into organs during evolution,
The sea anemone Nematostella vectensis provides a perfect model for researchers – apart from its stinging tentacles perhaps. It is a small marine invertebrate that is easy to keep in the laboratory and whose genome is simple enough to study its workings and close enough to that of humans for conclusions to be drawn. « When the sea anemone genome was sequenced in 2007, scientists discovered that it was very similar to the human genome, both in terms of the number of genes (roughly 20,000) and its organization, explains Heather Marlow, a specialist in developmental biology in the (Epi)genomics of Animal Development Unit at the Institut Pasteur and the main author of this study. These similarities make the sea anemone an ideal model for studying the animal genome and understanding interactions existing between genes« . It also has another advantage – its strategic position in the tree of life. The cnidaria branch that anemones belong to separated from the bilateria branch, in other words from most other animals, including humans, over 600 million years ago. « The anemone can therefore also help us to understand the origin and evolution of the multiple cell types making up the bodies and organs of animals, and particularly their nervous systems », sums up Heather Marlow.
To try and understand a little more about sea anemones – and consequently about the whole animal kingdom –, Heather Marlow’s team decided to examine this cnidarian, cell by cell. Thanks to an innovative technique, the animal’s tiny cells – that measure no more than 1 micron in diameter – were isolated one by one, and their RNA analyzed. As although chromosomal DNA contains all genes, RNA shows those that are active. « The development of genome approaches at single-cell level can be used to accurately list the different cell types and also identify the genes responsible for the function of each of these cells« , explains Heather Marlow. In total, and unexpectedly, over a hundred different cell types were identified, grouped into eight main cell families (muscle, digestive, neuronal, epidermal, etc.). And one of the greatest surprises of this research concerns the nervous system. Close to thirty different types of neurons – peptidergic, glutamatergic or even insulinergic – were identified, revealing a relatively complex nervous and sensory system.
This research should therefore help evolution specialists to establish the common ancestor of cnidaria (anemones) on the one hand and bilateria (humans) on the other. Undoubtedly this ancestor already had some level of cell complexity. In addition, even though the sea anemone appears to be very different from us, it reveals the fundamental rules that today enable its cells, and our own, to perform so many different functions. « The cell is the basic element making up living beings ». By defining how the information coded by the genome determines the identity of each cell, we hope to uncover the mechanisms conserved by all animals that are essential for their development and homeostasis« , concludes Heather Marlow.
Publication in the journal Cell, 2018
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