Sur "Game of Thrones, " un corbeau à trois yeux détient les secrets du passé, présent et futur dans un vaste royaume fantastique. Mais pour les biologistes du monde réel, un "coléoptère à trois yeux" peut offrir un véritable aperçu de l'avenir de l'étude du développement évolutif.

À l'aide d'un outil génétique simple, Les scientifiques de l'IU ont intentionnellement fait pousser un œil supplémentaire entièrement fonctionnel au centre du front du coléoptère commun. Démêler les mécanismes biologiques à l'origine de cet événement pourrait aider les chercheurs à comprendre comment l'évolution s'appuie sur des « blocs de construction » génétiques et développementaux préexistants pour créer de nouveaux traits complexes, ou des traits "anciens" dans des lieux nouveaux.

Les résultats de l'étude paraissent dans le journal de la Actes de l'Académie nationale des sciences . Le travail fournit également des informations plus approfondies sur une expérience antérieure qui a accidentellement produit un œil supplémentaire dans le cadre d'une étude visant à comprendre comment la tête de l'insecte se développe.

"La biologie du développement est magnifiquement complexe en partie parce qu'il n'y a pas de gène unique pour un œil, un cerveau, une aile de papillon ou une carapace de tortue, " a déclaré Armin P. Moczek, professeur au département de biologie du IU Bloomington College of Arts and Sciences. "Au lieu, des milliers de gènes individuels et des dizaines de processus de développement se réunissent pour permettre la formation de chacun de ces traits.

"Nous avons également appris que l'évolution d'un nouveau trait physique ressemble beaucoup à la construction d'une nouvelle structure à partir de Legos, en réutilisant et en recombinant les « anciens » gènes et les processus de développement dans de nouveaux contextes. »

En conséquence, l'évolution de nouvelles caractéristiques nécessite souvent beaucoup moins de changements génétiques que les biologistes ne le pensaient à l'origine.

Mais contrairement à la réorganisation et à la combinaison de briques en plastique pour former une nouvelle structure, Moczek a déclaré qu'il n'est pas clair quels mécanismes biologiques guident la construction de nouveaux traits physiques dans certaines circonstances mais pas dans d'autres.

"Vous pouvez faire de nouvelles choses encore et encore ou dans de nouveaux endroits en utilisant le même vieux jeu de" briques, '", a-t-il dit. "Mais en Legos, nous connaissons les règles d'assemblage :quelles pièces vont ensemble et quelles choses ne vont pas. En biologie, nous avons encore du mal à comprendre les homologues respectifs."

L'un des moyens par lesquels les scientifiques ont cherché à obtenir une vision plus claire de ce processus est d'encourager la croissance d'organes "ectopiques" - ou d'organes qui se forment sur la mauvaise partie du corps. Les premiers travaux sur le terrain se sont concentrés sur la formation d'yeux de mouches des fruits au mauvais endroit, comme sur l'aile ou la jambe. Cependant, ces expériences ont nécessité l'activation de gènes régulateurs majeurs dans le nouvel emplacement, une technique qui est limitée à seulement quelques organismes d'étude. Les "yeux" résultants n'étaient également jamais entièrement fonctionnels.

Par contre, la nouvelle étude dirigée par IU rapporte la formation d'un œil extra-fonctionnel - techniquement, une "fusion" de deux paires d'yeux supplémentaires, suite à la suppression d'un seul gène, une technique largement disponible pour les scientifiques dans la plupart des organismes. La formation inattendue d'un complexe, l'œil fonctionnel dans un nouvel endroit du processus est « un exemple remarquable de la capacité des systèmes de développement à canaliser des perturbations massives vers des résultats ordonnés et fonctionnels, ", a déclaré Moczek.

Pour créer un œil entièrement fonctionnel au centre de la tête d'un scarabée, L'équipe de Moczek a désactivé un seul gène appelé orthodenticule, ou étrange, dont leurs recherches ont déjà montré qu'elles jouaient un rôle dans l'instruction de la formation de la tête au cours du développement.

"Cette étude perturbe expérimentalement la fonction d'un seul, gène majeur, " dit Moczek. " Et, en réponse à cette perturbation, le reste du développement de la tête se réorganise pour produire un trait très complexe dans un nouvel endroit :un œil composé au milieu de la tête.

"De plus, la fichue chose fonctionne réellement !"

Pour confirmer que l'œil était un véritable œil supplémentaire, l'équipe de l'IU a effectué plusieurs tests pour prouver que la structure avait les mêmes types de cellules, exprimait les mêmes gènes, développé des connexions nerveuses appropriées et a suscité la même réponse comportementale qu'un œil normal. Ce qui rend les résultats si excitants - au-delà de la nouveauté Frankenstein de l'œil - est la technique génétique relativement simple utilisée pour réaliser le knockdown du gène, a déclaré le chercheur postdoctoral de l'IU Eduardo E. Zattara, qui est l'auteur principal de l'étude.

Moczek a déclaré que les résultats vont également au-delà de cette application pour aider à répondre aux questions fondamentales du développement, évolution et médecine. Par exemple, comprendre comment les organes complexes organisent leur croissance et leur intégration dans le corps sont des défis centraux que les sciences médicales doivent surmonter pour développer des organes artificiels pour la recherche et la transplantation.

"L'utilisation d'yeux ectopiques est un paradigme très accessible pour étudier tout cela, à travers de nombreux types d'organismes, " a déclaré Zattara. "Nous considérons cette étude comme ouvrant vraiment la porte à de nouvelles voies d'investigation dans de multiples disciplines."