L’évolution des cellules sanguines a été reconstituée : il y a des millions d’années, c’étaient des macrophages primordiaux

Une étude récente publiée dans la revue PNAS par une équipe de recherche internationale dirigée par Yosuke Nagahata a reconstitué l’arbre évolutif complet des cellules sanguines animalesde leur apparition à leur diversification en espèces modernes. Les recherches suggèrent que le programme génétique des cellules immunitaires et des cellules sanguines n’est pas né de rien avec l’apparition d’organismes complexes, mais dérive de réutilisation et de spécialisation d’une boîte à outils génétique déjà présente dans le organismes unicellulaires (les holozoaires), qui vivaient il y a des centaines de millions d’années.

Transcriptomique : analyser l’expression des gènes pour reconstruire le passé

Pour comprendre d’où viennent nos cellules sanguines, les chercheurs ont réalisé une étudeanalyse transcriptomique comparative. Cette technique n’analyse pas l’ADN (génome), statique et identique dans toutes les cellules d’un organisme, mais étudie les transcriptomeou leensemble de molécules d’ARN messager activement transcrites. Fondamentalement, ce qui est réellement « copié » à partir de l’ADN pour être utilisé.

En biologie évolutive, l’étude du transcriptome est cruciale car l’identité et la fonction d’une cellule en dépendent quels gènes sont réellement exprimés. En comparant les profils d’expression des gènes et l’activité des facteurs de transcription (protéines qui réguler l’activation des gènes) entre différentes espèces, il est possible d’établir lahomologie évolutivec’est-à-dire la similitude entre des lignées cellulaires apparemment distantes. Cela vous permet de tracer un arbre phylogénétique des cellulessemblable à notre arbre généalogique, découvrant comment et quand ils se sont séparés au fil du temps.

Pour cartographier ce chemin évolutif, l’étude a analysé les données transcriptomiques d’un vaste sélection d’organismes (vertébrés, invertébrés, organismes marins simples et holozoaires) e comparé les signatures moléculaires de différentes lignées cellulairesnotamment les macrophages (cellules phagocytaires), les mastocytes et les cellules tueuses (responsables des réponses immunitaires innées), les lymphocytes T et B (cellules immunitaires), les érythrocytes et les thrombocytes (spécialisés dans le transport de l’oxygène et la coagulation).

L’origine des cellules sanguines : les macrophages ancestraux et le facteur Fos

L’histoire évolutive des cellules sanguines commence à l’origine de métazoairesles premiers animaux. L’étude montre que les toutes premières cellules sanguines ont été phagocytes semblables aux macrophages, cellules de notre système immunitaire chargées d’incorporer et de neutraliser tout danger pour notre organisme, dérivées directement des caractéristiques biologiques des ancêtres unicellulaires. Leur travail consistait à patrouiller les tissus et défendre le corps contre les bactéries et les virus.

Au niveau moléculaire, tout cela est contrôlé par facteurs de transcriptionparmi lesquels se distingue le gène Phosphos comme l’un des principaux. Pour confirmer ce lien, les chercheurs ont surexprimé le gène Phosphos dans l’organisme unicellulaire Capsaspora owczarzaki: c’est-à-dire qu’ils ont forcé la cellule à lire cette « recette » génétique dans un cycle continu, produisant unénorme montant de la protéine Phosphos. Cela a inhibé l’agrégation des cellules en les gardant dans un état amiboïde et isolé, simulant le comportement migratoire des macrophages animaux. En termes simples, une concentration élevée de cette protéine a poussé divers individus à Capsaspora à «errer» individuellement, au lieu de se serrer les coudes comme ils le feraient normalement, confortant ainsi l’hypothèse de l’implication de ce facteur de transcription.

La première division : la défense contre les parasites

Avec l’apparition des animaux à symétrie bilatérale, le corps des organismes est devenu plus complexe, s’organisant selon un axe du miroir avec une moitié à gauche et une à droite, comme la plupart des animaux modernes. Cette nouvelle complexité a exercé une nouvelle pression sélective sur le système immunitaire : la menace de parasites multicellulaires. Contre eux, une simple phagocytose par les macrophages n’était pas suffisante.

Ainsi, la séparation entre la lignée des macrophages et celle-ci s’est produite nouvelle ligne spécialisée de mastocytes ancestraux. Ceux-ci ont acquis la capacité de synthétiser protéase (enzymes qui dégradent les protéines) contenues dans des granulés pour cibler les parasites. Des traces de cette première division sont encore visibles chez les invertébrés modernes : les cellules cristallines de la mouche Drosophile ou les cellules morula des ascidies partagent la même signature génétique et la même fonction que les mastocytes qui protègent les mammifères.

Une autre surprise concerne moi globules rouges (érythrocytes) et plaquettes qui, chez les vertébrés, semblent être apparus plus tard, bourgeonnant directement à partir de mastocytes ancestraux. Les chercheurs ont découvert que la lignée évolutive de notre sang n’était pas divisée dès le début entre « cellules pour la respiration » et « cellules pour la défense ». Cela signifie que le système de transport de l’oxygène dans le sang est unévolution ultérieurecréé en modifiant et en spécialisant des structures qui servaient initialement exclusivement à la réponse immunitaire.

Que reste-t-il à découvrir ?

Comme toute grande avancée scientifique, ce modèle a aussi ses limites et ne représente que le début d’une nouvelle ligne de recherche. Les auteurs de l’étude soulignent eux-mêmes que les réseaux génétiques supposés pour des organismes comme les oursins ou les tuniciers devront être confirmé dans le futur par des validations expérimentales réalisé en laboratoire.

Il est d’ailleurs probable qu’ils existent d’autres facteurs génétiques clé dans l’évolution du sang que cette recherche n’a pas encore identifiée. Enfin, il reste à clarifier précisément comment et quand leimmunité acquisec’est-à-dire cette défense ultra-spécialisée qui nous permet de produire des anticorps spécifiques. Le chemin pour reconstruire toute l’histoire de notre sang est encore long, mais cette étude a enfin positionné les premières pièces fondamentales du puzzle.