Octopus Intelligence met en lumière l'évolution des cerveaux complexes

Les pieuvres ont à la fois un cerveau central et un système nerveux périphérique, capable d'agir indépendamment. [Nir Friedman]

Rencontrer une pieuvre est, à bien des égards, ce qui se rapproche le plus de rencontrer des extraterrestres interplanétaires. Pourtant, de nouvelles recherches montrent que leurs cerveaux ont des points communs surprenants avec ceux des humains, peut-être plus particulièrement en termes de microARN (miARN) et du rôle qu'il joue dans le développement du cerveau. miARN peut être crucial pour le développement de cerveaux complexes.

"Les cerveaux complexes avec des caractéristiques cognitives supérieures n'ont évolué que chez les vertébrés… à une exception près : les céphalopodes à corps mou, par exemple les pieuvres", note Nikolaus Rajewsky, PhD, directeur scientifique de l'Institut de biologie des systèmes médicaux de Berlin du Centre Max Delbrück (MDC- BIMSB), et responsable du laboratoire de biologie systémique des éléments régulateurs des gènes. "C'est important parce que le cerveau de la pieuvre a évolué de manière complètement indépendante du cerveau complexe des mammifères."

Rajewsky a commencé ses recherches après avoir lu la littérature scientifique en notant que les pieuvres sont adeptes de l'édition d'ARN. Il a émis l'hypothèse que peut-être la pieuvre est donc un "artiste de l'ARN" et a développé d'autres mécanismes basés sur l'ARN. "Ces mécanismes seraient intéressants à identifier, non seulement pour mieux comprendre l'évolution de la pieuvre, mais aussi pour exploiter potentiellement de nouveaux outils pour les applications de l'ARN chez l'homme", a déclaré Rajewsky.

Il a dressé le profil des ARN messagers, des ARN non codants et, plus précisément, des petits ARN dans 18 types de tissus différents de pieuvres décédées. Alors que l'édition d'ARN s'est avérée moins intéressante parce que les sites d'édition ne correspondaient pas à des sites importants, les chercheurs ont découvert 42 nouvelles familles de miARN dans le tissu neural, principalement dans le cerveau.

Les 42 familles de miARN que Rajewsky et son équipe ont identifiées ne sont pas partagées avec les humains. En fait, l'ancêtre commun le plus récent des pieuvres et des humains était un ver plat primitif qui vivait il y a environ 750 millions d'années. Ces gènes ont été conservés au cours de l'évolution de la pieuvre, ils sont donc susceptibles d'être bénéfiques. Maintenant, la question est de savoir exactement quels avantages ils procurent.

Les pieuvres sont des créatures curieuses possédant un état d'esprit inventif illustré par leur capacité à se déguiser et à se protéger en utilisant des obus ouverts pour se protéger ou comme projectiles et à les rassembler et les stocker pour une utilisation ultérieure, ainsi que leurs capacités de camouflage bien connues. Ils se souviennent également des personnes et des choses et ont des préférences distinctes. Une équipe de chercheurs brésiliens pense même rêver.

Certains chercheurs ont rapporté qu'ils ne sont pas motivés par les collations (comme d'autres animaux). Comme le souligne Rajewsky, "Ils ont des personnalités, alors - juste peut-être - ils se rendent compte que vous essayez de les récompenser avec de la nourriture et qu'ils n'aiment pas être manipulés. Je ne suis pas un scientifique du comportement. Je ne fais que spéculer, " souligne-t-il, " mais cela rend compte du fait qu'il y a là une intelligence que vous ne pouvez pas comparer d'emblée avec nos concepts.

"La pieuvre est un invertébré spécial. En étudiant le fonctionnement du cerveau des pieuvres, nous pouvons peut-être apprendre de nouveaux outils pour interférer avec notre système nerveux ou pour mieux comprendre notre système nerveux", a déclaré Rajewsky à GEN. Alors que les chercheurs sont clairement intéressés par l'étude de cet animal, il n'est pas en danger de devenir le prochain rat de laboratoire. Son cerveau est "le cerveau le plus éloigné de tous les autres cerveaux animaux".

Les pieuvres sont également difficiles à étudier, nécessitant des aquariums. Rajewsky est un biologiste des systèmes travaillant en biologie moléculaire pour comprendre le fonctionnement des cellules dans les tissus, ainsi que les maladies, en étudiant les interactions moléculaires. « Pour faire cela sur la pieuvre, je ne peux faire que des études descriptives. Je ne peux pas faire d'expériences moléculaires sur la pieuvre car je n'ai pas de bacs avec des animaux. Cela nécessiterait également d'adapter les outils existants à la biochimie du poulpe. Par conséquent, dit-il, "je n'ai pas l'intention d'expérimenter sur des pieuvres". Au lieu de cela, il analyse des échantillons de tissus congelés prélevés dans une station marine à Naples.

Rajewsky et son équipe ont commencé par quantifier les principaux modes de régulation post-transcriptionnelle dans les 18 tissus de poulpe. Ils ont découvert que l'édition A-to-I était distincte de la fonction miARN et ne la modulait donc pas d'un point de vue fonctionnel important. Plus précisément, "... la plupart de cette édition s'est produite dans les introns et les 3 premiers UTR des ARNm", ont-ils écrit, avec un épissage alternatif le plus élevé dans les tissus neuronaux, comme prévu. L'édition a rarement modifié les sites d'épissage. Le transcriptome, en fait, ressemblait généralement à celui des autres invertébrés.

L'écart évolutif majeur de la pieuvre par rapport aux autres invertébrés est devenu évident lorsque les chercheurs ont étudié les miARN, qu'ils savaient liés aux régions 3' non traduites (3'UTR).

Le génome de la pieuvre compte 138 familles de miARN. Lorsque le miARN d'Octopus vulgaris a été comparé à celui d'une autre espèce, O. bimaculoides, qui partageait pour la dernière fois un ancêtre commun il y a environ 50 millions d'années, les chercheurs ont découvert que 43 nouvelles familles de miARN étaient partagées entre les deux espèces de poulpe et le calmar. (La recherche montre également que 12 miARN sont partagés entre le calmar et le nautile, et 35 autres miARN sont limités à la lignée du poulpe.)

L'article note que ces sites miARN sont conservés tout au long de l'évolution et les chercheurs suggèrent que la conservation est le résultat d'une interaction fonctionnelle entre les éléments de réponse miARN et miARN dans des tissus spécifiques.

Il y a trois choses que Rajewsky dit vouloir apprendre de cette recherche :

Pour aller plus loin, Rajewsky prévoit de former un réseau d'autres scientifiques du poulpe pour échanger des idées.

Rajewsky est devenu fasciné par les pieuvres après un voyage à l'aquarium de Monterey Bay en Californie, devenant "hypnotisé" par une pieuvre dans l'un des réservoirs. "J'ai le sentiment que c'est un esprit spécial et intelligent... alors j'ai lu sur les pieuvres comme passe-temps. Puis, il y a trois ans, j'ai lu un article disant que les pieuvres avaient des niveaux élevés d'édition d'ARN - un mécanisme existe chez l'homme dans lequel l'ARN les molécules peuvent être reprogrammées, modifiant ainsi la séquence de nucléotides dans l'ARN.

"Soudain, j'ai pensé, peut-être que la pieuvre est un ARN extrêmophile. S'ils font cette édition, peut-être qu'ils font aussi d'autres choses au niveau de l'ARN nucléaire." Il s'est ensuite lancé dans un projet pour mieux comprendre comment "cet animal étonnant a évolué, peut-être apprendre quelque chose de fondamental sur la façon dont les cerveaux complexes évoluent et aussi quelque chose de cool sur l'ARN".

Ce qu'il a appris ouvre la porte à une meilleure compréhension du rôle des miARN dans le développement des cerveaux complexes. "C'est quelque chose qui a été supposé pendant longtemps", dit Rajewsky, et maintenant cela devient plus clair. "Cela indique probablement aussi que le miARN fait quelque chose dans le cerveau que nous ne comprenons toujours pas."

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