Encore et à nouveau sur Hsp90 et les liens du développement et de l’évolution

Encore et à nouveau sur Hsp90 et les liens du développement et de l’évolution

La dialectique de l’évolution et du développement

Du développement de la mouche à l’évolution

Une énigme majeure en biologie évolutive, à peu près aussi ancienne que la discipline elle-même, a été la question de savoir comment des changements majeurs dans la forme du corps peuvent se produire. Darwin lui-même insistait sur une progressivité stricte dans tout changement évolutif. Même la réorganisation radicale des plans corporels était supposée par Darwin passer par de nombreuses petites étapes graduées. Ce point de vue, encore largement répandu, comporte un certain nombre de problèmes, dont le moindre n’est pas l’absence flagrante dans les archives fossiles des formes intermédiaires nécessaires variant continuellement dans les lignées évolutives. L’évolution morphologique semble s’être déroulée de manière intermittente, avec de longues périodes de stase évolutive interrompues par de courts épisodes de changement rapide et de diversification. La rapidité d’évolution au cours de ces épisodes pose d’autres problèmes pour une interprétation strictement graduelle : la sélection naturelle, agir progressivement sur de petites variations continues, provoquer des changements rapides, et les populations naturelles abritent-elles suffisamment de variations génétiques pour supporter une évolution très rapide ? Un autre problème concerne la nature des processus de développement et leur architecture génétique sous-jacente. Alors que l’évolution morphologique nécessite une certaine plasticité dans le développement, l’embryogenèse chez la plupart des animaux est remarquablement stable. Les propriétés homéostatiques des systèmes en développement, tout en les protégeant contre les aléas des fluctuations environnementales et des variations génétiques, semblent imposer de sévères contraintes sur le potentiel d’évolution. De plus, la complexité et la sophistication mêmes des réseaux génétiques et régulateurs associés au développement dans des systèmes hautement évolués (y compris même des organismes "simples" avec de longues histoires évolutives), limitent considérablement les possibilités de bricolage fructueux avec le développement. Comment alors, compte tenu des exigences contradictoires de stabilité du développement en ontogénie et de flexibilité du développement en phylogénie, des changements morphologiques à grande échelle non seulement se produisent-ils, mais (apparemment) se produisent rapidement ? Un article passionnant de Rutherford et Lindquist (1998) sur la relation entre la protéine de stress Hsp90 et la stabilité du développement ouvre une nouvelle fenêtre sur cette question et suggère un mécanisme cellulaire possible qui pourrait lier ces problèmes. Le plus tentant est que ce mécanisme fonctionnerait dans des conditions de stress - des conditions déstabilisantes telles qu’elles auraient pu provoquer des changements évolutifs rapides, liant ainsi le développement aux conditions environnementales. Rutherford et Lindquist (1998) s’appuient sur des résultats antérieurs d’un certain nombre de laboratoires qui impliquent des membres de la famille des protéines de choc thermique Hsp90 dans un certain nombre de voies de signalisation. Hsp90 exerce ses effets en stabilisant les composants intrinsèquement instables de ces voies et en les maintenant prêts à être activés en réponse à des signaux appropriés. Beaucoup de ces protéines de signalisation sont des protéines kinases agissant dans des cascades de transduction de signal familières. Partant de l’hypothèse que certains éléments de la machinerie de repliement et de stabilisation des protéines cellulaires pourraient jouer un rôle dans la régulation des voies de signalisation (Rutherford et Zuker 1994), Rutherford et Lindquist (1998) ont entrepris une analyse des effets des niveaux altérés de l’activité Hsp90 sur le développement. chez la mouche des fruits Drosophila melanogaster. Les résultats plutôt dramatiques de cette analyse sont brièvement discutés ici et certaines de leurs implications possibles explorées. Bien que Hsp90 ne semble pas être impliquée de manière omniprésente dans le repliement et l’assemblage de polypeptides naissants ou dans le maintien de la structure protéique, elle est nécessaire au fonctionnement normal d’un certain nombre de protéines spécifiques. Drosophila Hsp90 est une protéine essentielle, puisque les mutants homozygotes de Hsp83 (le gène de Drosophila codant pour Hsp90) meurent au cours du développement. Les hétérozygotes Hsp83 - des mouches avec un mutant et une copie de type sauvage de Hsp83 - sont viables et la plupart ne présentent aucune anomalie morphologique. Cependant, environ 1 à 5% de ces individus présentent des aberrations de développement affectant une variété de traits morphologiques (tels que des yeux déformés et une nervation des ailes altérée). Des anomalies similaires ont également été obtenues lorsque des lignées de drosophiles récemment établies à partir de populations sauvages, ou des mouches sauvages collectées sur le terrain, ont été rendues hétérozygotes pour une mutation Hsp83. Ces effets étaient sans ambiguïté dus à des niveaux réduits de Hsp90 et pouvaient être obtenus non seulement dans des stocks de mutants, mais également dans des stocks de type sauvage nourris avec un inhibiteur de Hsp90. La nature des anomalies dépendait du fond génétique. Lorsque des mutants Hsp83 ont été croisés avec une souche particulière, plusieurs des descendants ont fréquemment montré des défauts similaires, distincts de ceux obtenus lorsqu’ils ont été croisés avec d’autres souches. Une analyse génétique plus approfondie a établi qu’il existait plusieurs facteurs génétiques qui prédisposaient différents stocks de drosophile à différents défauts de développement lorsque la fonction Hsp90 était compromise. Les mouches affectées pouvaient être élevées pour ces défauts : lorsque des lignées établies à partir de mouches présentant un type particulier de défaut (nervations alaires épaissies ou yeux déformés) étaient soumises à une sélection pour ces caractères, elles montraient une augmentation de la proportion de mouches affectées et de la gravité de la maladie. les défauts. Remarquablement, après une sélection sur aussi peu que quatre générations, les traits sont devenus indépendants de la mutation Hsp83. Les résultats de Rutherford et Lindquist rappellent fortement les travaux vieux de plusieurs décennies de Waddington et d’autres sur la canalisation et l’assimilation génétique (par exemple, Waddington 1942). Waddington a introduit le concept de canalisation pour les propriétés homéostatiques du développement. Il a affirmé que dans des conditions normalement rencontrées, les mécanismes homéostatiques tamponneraient (et donc confineraient à un développement « canal » ou « canal ») les déviations dues aux fluctuations environnementales et à la variation génétique. Cependant, des conditions de stress, telles que des températures élevées, pourraient perturber la canalisation et conduire à des résultats anormaux. Une anomalie pourrait être sélectionnée et deviendrait avec le temps génétiquement fixée ; il apparaîtrait même en l’absence de stress. Dans le langage de Waddington, le phénotype anormal deviendrait « assimilé ». Il a interprété l’assimilation génétique comme étant le résultat de la sélection de combinaisons de gènes régulateurs déjà présents dans la population mère. Les travaux sur Hsp90 cadrent très bien avec les travaux plus anciens sur la canalisation et l’assimilation génétique, et fournissent une explication cellulaire et moléculaire plausible de ces phénomènes. Les populations de laboratoire ainsi que les populations sauvages de Drosophila semblent abriter une variation génétique à un certain nombre de loci nécessaires au développement normal. Dans des conditions dans lesquelles la fonction Hsp90 est normale, le développement serait tamponné contre les effets de la variation des gènes codant pour les membres des voies dépendantes de Hsp90, telles que la voie de signalisation sans sept (Cutforth et Rubin 1994). Cependant, lorsque les niveaux de Hsp90 sont diminués, le développement peut mal tourner chez les individus porteurs de combinaisons d’allèles variants de certains gènes. En raison de la diminution de l’activité du ou des composants stabilisés par Hsp90 de la voie, la force du signal d’une voie peut chuter en dessous du seuil requis pour un développement normal. Le système peut également générer des sorties excessivement élevées si Hsp90 est nécessaire pour la stabilisation de certains composants régulateurs négatifs de la voie. Une sélection plus poussée, dans laquelle seuls les individus affectés sont utilisés pour la reproduction à chaque génération, conduit à un enrichissement pour les allèles variants instables sur le plan du développement. Si la sélection est poussée assez loin – quatre générations suffisent dans l’étude de Rutherford et Lindquist – les effets cumulatifs des combinaisons d’allèles variants deviennent suffisamment forts pour se manifester même lorsque la fonction Hsp90 est normale. Les résultats de Rutherford et Lindquist suggèrent un certain nombre de pistes d’expérimentation. Des expériences immédiatement évidentes concernent l’élaboration du caractère de Hsp90 dans cette nouvelle incarnation. Les mécanismes par lesquels Hsp90 facilite l’action de ses différentes cibles sont encore loin d’être bien compris. Les détails sur les caractéristiques de ses protéines cibles qui sont reconnues par Hsp90, la nature des contacts qu’elle établit avec elles, les changements conformationnels qu’elles subissent lors de l’association et de la dissociation de Hsp90, et comment ces changements sont liés à leurs rôles de signalisation, aideront à clarifier juste ce que fait Hsp90. Liée à la recherche de cibles Hsp90 et de voies de signalisation dépendantes de Hsp90, se pose la question de savoir quels types de processus pourraient nécessiter la fonction Hsp90. Hsp90 peut-il agir pour réguler les effets de la variation génétique uniquement dans les processus de développement ? Il ne semble pas y avoir de raison a priori pour qu’il en soit ainsi. Considérant l’origine ancienne de la machinerie pour le repliement et le maintien de la structure des protéines, il se pourrait bien que Hsp90 et d’autres protéines de type chaperon aient également été exploitées pour la régulation des processus métaboliques. Les cibles connues de la régulation de Hsp90 ne sont pas entièrement limitées aux éléments des voies de signalisation complexes, mais incluent des membres de la superfamille des récepteurs d’hormones stéroïdiennes, qui agissent de manière relativement simple en tant que facteurs de transcription, ainsi que des protéines qui ne sont pas connues pour agir dans les voies de signalisation intracellulaires. , comme le canal chlorure CFTR et l’enzyme oxyde nitrique synthase (Mayer et Bukau 1999). Par ailleurs, une des kinases dont l’activité montre une sensibilité à Hsp90 est la protéine WEE1, un régulateur de la division cellulaire (Aligue et al 1994). Ainsi, il existe déjà des preuves que la signalisation dans des processus qui ne sont pas, à proprement parler, concernés par le développement, peut être dépendante de Hsp90. Hsp90 pourrait, par conséquent, grâce à son action tampon dans des conditions "normales", masque également la variation génétique dans ces voies. Bien que des traits altérés dans des caractéristiques telles que les capacités de dégradation et de biosynthèse puissent sembler moins dramatiques que les variations morphologiques observées avec une activité Hsp90 réduite, l’importance évolutive d’un "condensateur" pour la variation génétique affectant les propriétés métaboliques ne serait pas moindre. L’importance centrale de la découverte de Rutherford et Lindquist est son implication pour l’évolution. En masquant une variation génétique qui ne serait pas neutre si elle n’était pas masquée, et en rendant cette variation visible à la sélection naturelle dans des conditions de stress, Hsp90 pourrait fournir un mécanisme de "stockage" de la variation génétique. Le stress environnemental rendrait cette variation disponible précisément dans des conditions où la sélection a une marge d’action. Références Aligue R, Akhavan-Niak H et Russell P 1994 Un rôle de Hsp90 dans le contrôle du cycle cellulaire : l’activité de la tyrosine kinase Wee1 nécessite une interaction avec Hsp90 ; EMBO J. 13 6099–6106 Cutforth T et Rubin GM 1994 Des mutations dans Hsp83 et cdc37 altèrent la signalisation par la tyrosine kinase du récepteur sevenless chez la drosophile ; Cellule 77 1027–1036 Mayer MP et Bukau B 1999 Chaperons moléculaires : la vie bien remplie de Hsp90 ; Courant. Biol. 9 R322–325 Rutherford SL et Lindquist S 1998 Hsp90 comme condensateur pour l’évolution morphologique ; Nature (Londres) 396 336–342 Rutherford SL et Zuker CS 1994 Repliement des protéines et régulation des voies de signalisation ; Cellule 79 1129–1132 Waddington CH 1942 Canalisation du développement et hérédité des caractères acquis ; Nature (Londres) 150 563–565
J Manjrekar Microbiology Department and Biotechnology Centre, MS University of Baroda, Vadodara 390 002, India (Email, jmanj10@hotmail.com) Complexité neuronale sous-jacente à un comportement simple Un problème central en neurobiologie concerne la manière dont les modèles d’activité électrique transmettent des informations significatives. Que les neurones et les circuits neuronaux de complexité variable déterminent le comportement ne fait plus de doute. Mais identifier les "réseaux" de neurones qui contrôlent un comportement spécifique et les règles que ces réseaux utilisent pour initier et moduler les réponses appropriées restent des questions difficiles. Les invertébrés simples présentent une gamme de comportements bien étudiés et dans de nombreux cas, tous ou la plupart des neurones participants ont été identifiés. Les connaissances acquises grâce à ces études peuvent être appliquées aux animaux supérieurs, y compris les primates. Nous décrivons ici quelques études récentes dans les systèmes modèles d’invertébrés qui démontrent l’utilité de l’approche. Le codage spatial utilisant les taux de décharge neuronale ("Où est le neurone qui déclenche le mieux") a été bien étudié dans plusieurs zones du cerveau telles que le système visuo-moteur et le système somatosensoriel. Cependant, le codage temporel (« Quand le neurone se déclenche-t-il après le début du stimulus ») et son utilité pour le cerveau ont-ils fait l’objet de débats. Une série récente d’expériences dans le système olfactif du criquet indique les oscillations neurales comme cadres de référence possibles dans lesquels un codage temporel peut se produire (Stopfer et al 1997, revu par Singer 1999). Une odeur est représentée dans le cerveau par un schéma de déclenchement unique de neurones olfactifs. La spécificité du codage est ainsi obtenue en ne permettant qu’à un sous-ensemble de neurones de répondre à une odeur donnée. Laurent et ses collègues (Singer 1997 et références) ont découvert que les neurones du lobe antennaire du criquet, Schistocerca americana, s’engagent dans une activité oscillatoire hautement synchronisée (autour de 40 Hz) lorsqu’ils sont stimulés par des odeurs. De telles oscillations neuronales ont été impliquées comme une sorte de codage temporel pour la représentation des odeurs. Seuls certains pics produits par un neurone dans une fenêtre temporelle spécifique (en fonction de l’odeur et du neurone) s’avèrent verrouillés en phase sur les oscillations du champ tandis que les autres sont distribués de manière aléatoire. Si l’on ne prend en compte que le code de taux, un neurone peut sembler répondre à deux odeurs différentes avec le même taux de déclenchement sur une large fenêtre. Cependant, une odeur peut l’amener à se déclencher préférentiellement dans un cycle particulier tandis que l’autre odeur suscite la même réponse du même neurone dans un autre cycle d’oscillations, et ainsi un code temporel clair émerge. Les informations sur l’odeur sont contenues dans la combinaison de pics (potentiels d’action) qui sont précisément synchronisés avec les oscillations. Comme indiqué ci-dessus, ces informations ne peuvent pas être récupérées en ne tenant compte que des changements dans la cadence de tir moyenne sur une large fenêtre temporelle. Dans une expérience avec des abeilles, le tir oscillatoire a été désynchronisé à l’aide de picrotoxine - un inhibiteur des neurones GABAergiques, qui sont importants pour ces oscillations. Les désynchronisations ont clairement altéré la capacité de l’abeille à faire la distinction entre les odeurs liées (mais pas entre celles qui ne sont pas liées) telles que mesurées par des tests comportementaux (Stopfer et al 1997). L’existence possible d’un code neuronal temporel est significative sur le plan comportemental car il augmente considérablement le nombre de stimuli qu’un groupe de neurones peut coder. Un tel code temporel, fonctionnant en conjonction avec un code de taux, peut également conférer un plus grand degré de fiabilité à la représentation du stimulus sur lequel les décisions seront basées. Peut-on montrer que des neurones isolés effectuent des calculs susceptibles de régir le comportement ? Deux séries d’expériences utilisant le criquet et la sangsue indiquent comment les taux de tir pourraient être utilisés pour effectuer les opérations mathématiques nécessaires. Enregistrements intracellulaires sur deux neurones visuels de criquets identifiés - le détecteur de mouvement géant lobula (LGMD) et sa cible post-synaptique, le détecteur de mouvement controlatéral descendant (DCMD), ont étudié la mise en œuvre biophysique d’une opération de multiplication (Gabbiani et al 1999). Les objets s’approchant sur une trajectoire de collision avec l’animal excitent vigoureusement le LGMD. La réponse du LGMD et du DCMD s’est avérée être corrélée à l’angle visuel sous-tendu par l’objet sur la rétine du criquet. Cet angle représente la taille de l’objet ainsi que sa distance par rapport à l’œil et est appelé "taille angulaire". On a constaté que la réponse commençait tôt lors de l’approche de l’objet avant qu’il n’atteigne 10° d’angle visuel. La cadence de tir a progressivement augmenté comme si les neurones suivaient l’objet qui s’approchait. La cadence de tir maximale a été atteinte après que l’objet ait atteint une taille angulaire de 24° sur la rétine du criquet. Les paramètres critiques dont dépendait la cadence de déclenchement du neurone étaient la taille angulaire et la vitesse angulaire de l’objet qui s’approchait. Étant donné que le LGMD reçoit des entrées de neurones sensibles à la taille et au mouvement, les auteurs proposent qu’une opération de multiplication puisse être mise en œuvre par LGMD afin de calculer son taux de déclenchement. DCMD, la cible post-synaptique de LGMD, projette vers les centres moteurs thoraciques impliqués dans la génération de manœuvres de saut et de vol qui pourraient conduire à un comportement d’évitement de collision. Un autre système qui a été utilisé avec profit pour comprendre les circuits neuronaux qui régissent le comportement est la sangsue médicinale, Hirudo medicinalis. La sangsue a un certain nombre de réflexes qui peuvent être étudiés. Ceux-ci incluent, entre autres, le réflexe de nage et le réflexe de flexion (Lewis et Kristan 1998). Au moyen d’enregistrements intracellulaires, il a été établi que les quatre cellules P d’un segment du corps de la sangsue contrôlent le réflexe de flexion ; on pense qu’ils détectent l’emplacement du stimulus et génèrent une réponse appropriée. De plus, 17 interneurones sont pilotés par les cellules P. Ces interneurones ont des propriétés de réglage spécifiques, en ce sens qu’ils stimulent au maximum les motoneurones en aval dans une direction particulière. Le résultat final est de définir ce qu’on appelle un code de population, où les réponses d’un certain nombre de neurones participants sont intégrées et traitées avant qu’une sortie ne soit générée. Il est important de comprendre que cette méthode de calcul est différente de celle dans laquelle la sortie dépend directement de la cellule qui se déclenche au maximum (winner-take-all). La sangsue offre un système maniable où les questions clés concernant le codage de la population peuvent être traitées avec succès. Une question connexe mais plus complexe est de savoir si des fonctions "supérieures" comme l’apprentissage et la mémoire peuvent être attribuées à des modèles spécifiques d’activité neuronale. Au cours des dernières années, les chercheurs ont étudié la limace marine Aplysia californica de manière suffisamment détaillée pour pouvoir attribuer une multitude de comportements bien définis à cet animal. La réponse alimentaire de la limace a été minutieusement documentée en termes de mouvements réels des organes d’alimentation, de l’odontophore et de la radula. Le schéma d’activité électrique dans les neurones qui détectent la présence de nourriture, initient la réponse alimentaire ou la modifie a également été identifié. La surveillance de l’activité concomitante dans des neurones spécifiques a permis d’identifier les schémas de déclenchement qui caractérisent soit la réponse d’alimentation, soit la réponse de rejet. La force de telles approches utilisant des systèmes d’invertébrés réside dans le fait que des comportements simples et leur cause peuvent être étudiés dans leur intégralité. Les années à venir verront probablement un amalgame de théories issues de la recherche sur les systèmes d’invertébrés et de vertébrés. Une explication tenable du traitement de l’information par le cerveau en émergera probablement. Références Gabbiani F, Krapp HG et Laurent G 1999 Calcul de l’approche objet par un neurone sensible au mouvement à champ large ; J. Neurosci. 19 1122–1141 Lewis JE et Kristan WB Jr 1998 Un réseau neuronal pour le calcul des vecteurs de population chez la sangsue ; Nature (Londres) 391 76–79 Nargeot R, Baxter DA et Byrne JH 1997 Amélioration dépendante du contingent des schémas moteurs rythmiques : un analogue in vitro du conditionnement opérant ; J. Neurosci. 17 8093–8105 Singer W 1999 Le temps comme espace de codage ; Courant. Avis. Neurobiol. 9 189–194 Stopfer M, Bhargavan S, Smith BH et Laurent G 1997 Discrimination altérée des odeurs lors de la désynchronisation des assemblages neuronaux codant pour les odeurs ; Nature (Londres) 390 70–74 Subhabrata Sanyal Amit Basole Department of Biological Sciences, Tata Institute of Fundamental Research, Homi Bhabha Road, Mumbai 400 005, Inde (Email, subsan@tifr.res.in) Smith BH et Laurent G 1997 Discrimination altérée des odeurs lors de la désynchronisation des assemblages neuronaux codant les odeurs ; Nature (Londres) 390 70–74 Subhabrata Sanyal Amit Basole Department of Biological Sciences, Tata Institute of Fundamental Research, Homi Bhabha Road, Mumbai 400 005, Inde (Email, subsan@tifr.res.in) Smith BH et Laurent G 1997 Discrimination altérée des odeurs lors de la désynchronisation des assemblages neuronaux codant les odeurs ; Nature (Londres) 390 70–74 Subhabrata Sanyal Amit Basole Department of Biological Sciences, Tata Institute of Fundamental Research, Homi Bhabha Road, Mumbai 400 005, Inde (Email, subsan@tifr.res.in)

Comment des changements brutaux de l’environnement produisent des évolutions des espèces

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article626

Le grand mythe de la fixité du génome

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4322

Sur hsp90

https://fr.wikipedia.org/wiki/Hsp90