Des animaux aussi différents que les guêpes et les serpents ont adopté des mécanismes moléculaires étonnamment similaires pour projeter des toxines à partir de leurs cellules spécialisées. C'est ce que révèle une étude menée par des scientifiques du SIB, qui ont réalisé la première analyse comparative des profils d'expression génétique des glandes à venin. Ce résultat, publié aujourd'hui dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, est particulièrement surprenant étant donné que les « usines à venin » se sont développées chez différents animaux à partir de zéro, plutôt que d'être héritées d'un ancêtre commun.
Les animaux venimeux représentent environ 15 % de la biodiversité animale mondiale estimée. On les trouve dans les mers les plus profondes comme sur les terres les plus arides, et tous ont développé indépendamment la capacité de sécréter du venin. Il semble désormais que toutes les usines à venin utilisent des mécanismes moléculaires similaires, que leur production provoque simplement une sensation de démangeaison ou une paralysie totale des muscles cardiaques.
Une similitude moléculaire surprenante entre des animaux éloignés sur le plan évolutif
Pour les organes essentiels ayant la même origine évolutive (c'est-à-dire hérités d'un ancêtre commun), tels que les bras humains et les ailes de chauve-souris, on s'attend à une grande similitude génétique. Mais les glandes à venin, en revanche, sont des structures hautement spécialisées qui ont évolué indépendamment et parfois récemment chez divers animaux. Et alors que le bras humain et l'aile de chauve-souris sont tous deux formés à partir du même tissu, les glandes à venin proviennent du tissu reproducteur chez les guêpes, contrairement aux pièces buccales chez les serpents. Enfin, les glands à venin sont surtout connus pour leur capacité à sécréter un cocktail de toxines qui possèdent certains des gènes évoluant le plus rapidement. Pour toutes ces raisons, on peut s'attendre à ce que différentes voies moléculaires soient impliquées dans les glands à venin.
Une similitude moléculaire surprenante entre des animaux éloignés sur le plan évolutif
Pour les organes essentiels ayant la même origine évolutive (c'est-à-dire hérités d'un ancêtre commun), tels que les bras humains et les ailes de chauve-souris, on s'attend à une grande similitude génétique. Mais les glandes à venin, en revanche, sont des structures hautement spécialisées qui ont évolué indépendamment et parfois récemment chez divers animaux. Et alors que le bras humain et l'aile de chauve-souris sont tous deux formés à partir du même tissu, les glandes à venin proviennent du tissu reproducteur chez les guêpes, contrairement aux pièces buccales chez les serpents. Enfin, les glands à venin sont surtout connus pour leur capacité à sécréter un cocktail de toxines qui possèdent certains des gènes évoluant le plus rapidement. Pour toutes ces raisons, on peut s'attendre à ce que différentes voies moléculaires soient impliquées dans les glands à venin.
D'où la surprise des auteurs lorsqu'ils ont comparé les gènes exprimés chez 20 espèces venimeuses du règne animal, des poissons aux guêpes et des scorpions aux mammifères. « Nous avons constaté une forte convergence dans les niveaux globaux d'expression génétique des glandes à venin chez des animaux très différents », explique Giulia Zancolli, boursière Marie Skłodowska-Curie au SIB, dans l'équipe dirigée par Marc Robinson-Rechavi et Frédéric Bastian (UNIL). « Il semble que la nature ait simplement trouvé le moyen optimal pour les cellules d'accomplir leur fonction spécifique de sécrétion de venin. »
Comparaison à grande échelle de l'expression génétique chez 20 espèces à l'aide des outils logiciels et des bases de données du SIB
Entre autres étapes, les scientifiques ont dû regrouper les séquences protéiques des espèces sélectionnées en « orthogroupes » liés au venin, c'est-à-dire des ensembles de gènes orthologues présents dans toutes les espèces. Ils ont effectué ce regroupement à l'aide d'OrthoDB et d'indices sur la fonction des protéines provenant d'UniProtKB/SwissProt. Pour trouver les entités anatomiques dans lesquelles les modules génétiques spécifiques aux tissus étaient enrichis, ils ont comparé les niveaux d'expression génétique reflétés par des ensembles de données RNAseq accessibles au public et se sont appuyés sur l'outil TopAnat de la ressource Bgee pour le profil d'expression génétique.
Quelles sont les prochaines étapes envisagées pour la recherche ?
Malgré la présence généralisée des systèmes venimeux dans le règne animal et l'intérêt médical porté aux toxines qu'ils produisent, nous en savons encore très peu sur leurs origines et leur base génétique. Les prochaines étapes de la recherche consisteront à combler les lacunes dans nos connaissances sur les mécanismes génétiques à l'origine de l'apparition et du développement des toxines. « Cette étude représente la première étape vers la compréhension des mécanismes moléculaires qui sous-tendent l'évolution répétée de l'un des traits adaptatifs les plus réussis du règne animal », conclut Zancolli.
Reference(s)
Zancolli G et al. Évolution convergente des transcriptomes des glandes à venin chez les métazoaires. PNAS, 2022.
