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Vers les origines de la minéralisation chez les vertébrés: l'apport du séquençage de transcriptomes à grande échelle – JAWS

A la recherche des origines de la minéralisation chez les vertébrés

La possibilité de minéraliser un squelette (os et dents) a été un évènement majeur dans l'avènement des vertébrés. Toutefois, alors que les tissus minéralisés des premiers vertébrés fossiles indiquent la présence d'émail, de dentine et d'os, suggérant une origine très ancienne des protéines de minéralisation, les données génomiques actuelles ne permettent pas d'accéder aux gènes codant les protéines impliquées dans le contrôle de la minéralisation des dents et des os chez tous les vertébrés.

Retracer l'histoire des protéines de minéralisation chez les vertébrés

Remonter dans les temps géologiques, vers les origines de la minéralisation des tissus osseux et «dentaires« des premiers vertébrés et comprendre comment cette minéralisation a évolué dans les différentes lignées (requins et raies, poissons à rayons osseux, tétrapodes) sont les enjeux majeurs de ce projet. Pour atteindre cet objectif seul le séquençage de transcriptomes peut nous apporter les données qui nous manquent concernant les gènes des protéines impliquées dans la minéralisation dans toutes les lignées actuelles de vertébrés non mammaliens. En effet, si le génome de plus de 60 espèces de mammifères est séquencé ou en cours de séquençage, il n'en est pas de même pour les non mammaliens chez lesquels moins de 30 génomes sont disponibles.

Nous avons identifié des espèces représentatives des principales lignées de vertébrés non mammaliens (crocodile, lézard, salamandre, dipneuste, polyptère, lépisostée, téléostéens, requin et raie) et extrait les ARN des mâchoires dans le but de séquencer le transcriptome (= tous les transcrits de gènes présents dans les cellules à un temps donné) dans lesquels se trouvent (entre autres) les gènes des dents et des os en développement. Ces gènes cibles sont recherchés dans ces transcriptomes à l'aide de méthodes de bioinformatique et leur structure et composition analysés dans un contexte évolutif afin de retracer les évènements qui ont marqué leur histoire.

Après seulement 6 mois, nous disposons de trois transcriptomes séquencés de mâchoire d'un crocodile, d'un dipneuste et d'une salamandre. Ces résultats sont en cours d'analyse mais nous pouvons déjà annoncer que de nombreux gènes de protéines minéralisantes ont été identifiés dans chacun de ces transcriptomes. Cela illustre leur conservation
pendant de longues périodes évolutives et leur présence chez l'ancêtre commun des dipneustes et tétrapodes, il y a plus de 400 millions d'années.

A terme nous espérons disposer de 15 à 20 transcriptomes représentatifs des grandes lignes de vertébrés et ainsi retracer l'histoire évolutive de ces protéines dont le rôle est très important pour la minéralisation, comme l'indiquent les maladies génétiques résultant de mutations dans certains gènes. Nous procèderons également à l'annotation de ces transcriptomes afin de mettre ces résultats à la disposition de la communauté scientifique.

A ce stade du projet (6 mois) nous n'avons pas de production scientifique liée à ces études.


Il est bien admis que le recrutement, il y a plus de 460 millions d'années (Ma), d'un squelette minéralisé par du phosphate de calcium (CaPO4) a été une innovation cruciale qui a permis aux vertébrés de s'adapter efficacement à leur environnement et de se diversifier en facilitant, entre autres, protection, locomotion et comportement de prédation. Cet événement important a tout d'abord concerné le tégument dermique (plaques osseuses et odontodes) puis a permis le développement, entre autres, des dents et des os de l'endosquelette. Au cours de l'évolution, les tissus minéralisés (l'émail, la dentine, l'os) ont conservé leur structure et, par déduction, les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents. Cela signifie que les cellules spécialisées, les réseaux de régulation génique, les protéines spécifiques de la matrice extracellulaire et le type de minéral (hydroxyapatite) étaient présents il y a plus de 460 Ma.
Les composants majeurs de ces tissus minéralisés ont été recrutés après les deux duplications de génomes qui ont précédé la différentiation des vertébrés. Parmi les nouvelles molécules créées se trouvent les SCPPs (pour Secretory Calcium-binding PhosphoProteins) qui ont favorisé le développement d'un tégument minéralisé à base de CaPO4. Ces protéines sont phylogénétiquement liées et sont impliquées dans la régulation de la minéralisation de la matrice extracellulaire, comme cela a été démontré chez les mammifères. Certaines de ces protéines jouent un rôle si important qu'elles sont responsables de maladies génétiques si leur gène est muté chez l'homme. Les premiers gènes codant les SCPPs sont probablement dérivés de SPARCL1 (SPARC-like 1), lui même issu d'une duplication de SPARC (Secreted Protein, Acidic, Cystein-rich) et c'est vraisemblablement à la même époque que les gènes des collagènes fibrillaires utilisés pour la matrice de la dentine et de l'os se sont différenciés. La famille des gènes des SCPPs s'est ensuite agrandie dans diverses lignées par duplication en tandem. A ce jour, 22 gènes de SCPPs ont été identifiés chez l'homme. Ils sont distribués dans deux groupes : 17 gènes codant les SCPPs riches en proline et glutamine, parmi lesquels figurent au moins cinq gènes des protéines de la matrice de l'émail (AMEL, AMBN, ENAM, AMTN, ODAM) et 5 gènes codant les SCPPs riches en résidus acides de la dentine et l'os (DSPP, DMP1, IBSP, MEPE, SPP1).
Notre groupe de recherche a acquis une expertise de l'analyse évolutive de ces protéines qui est reconnue aux niveaux national et international. Récemment, nous avons mis en place une collaboration scientifique avec le Dr K. Kawasaki (Penn State University, USA) qui avait découvert la famille SCPP en 2003. Nos études ont bénéficié du grand nombre de séquences de génomes de vertébrés disponibles dans Genbank : en plus des mammifères et de quelques sauropsidés, plusieurs SCPPs ont été trouvées chez Xenopus tropicalis, chez d'autres amphibiens et chez cinq espèces de poissons téléostéens. Toutefois, les SCPPs sont des protéines non structurées et leurs gènes accumulent de nombreuses mutations qui rendent difficile leur identification, même dans le génome séquencé d'espèces phylogénétiquement éloignées. L'objectif principal de notre projet pour ces quatre années est de surmonter cette difficulté en utilisant le séquençage de transcriptomes à grande échelle ce qui permettra d'obtenir les transcrits des gènes codant les SCPPs et, par la même, de considérablement améliorer nos connaissances sur l'origine, l'évolution et les relations de parenté des SCPPs chez les vertébrés.
Nous projetons de séquencer le transcriptome de mâchoires (avec des dents et des os en formation) de 15 espèces représentant des lignées de vertébrés phylogénétiquement importantes, mais qui ne possèdent pas actuellement de génome séquencé (salamandre, dipneuste, polyptère, esturgeon, lépisostée, amie chauve, plusieurs poissons téléostéens, requin, ...). Nous avons déjà obtenu de bons résultats dans une anal

Coordinateur du projet

Monsieur Jean-Yves SIRE (Université Pierre et Marie Curie, UMR 7138) – jean-yves.sire@upmc.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UPMC Université Pierre et Marie Curie, UMR 7138
UMR 5554 CNRS-IRD-Université Montpellier Institut des Sciences de l'Evolution

Aide de l'ANR 379 991 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 48 Mois

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