Il y a 500 millions d'années, il était relativement sûr de retourner dans l'eau. C'est parce que les créatures des profondeurs n'avaient pas encore développé de mâchoires. Dans une nouvelle paire d'études dans eLife et Développement , les scientifiques révèlent des indices sur l'origine de cette innovation évolutive passionnante chez les vertébrés.

Dans les études, Mathi Thiruppathy du laboratoire de Gage Crump à l'USC, et le collaborateur J. Andrew Gillis de l'Université de Cambridge et du Marine Biological Laboratory, se sont tournés vers le développement embryonnaire comme moyen de mieux comprendre l'évolution - une approche connue sous le nom de "evo-devo". ."

Chez les poissons, les mâchoires partagent une origine de développement commune avec les branchies. Au cours du développement, les mâchoires et les branchies proviennent toutes deux de structures embryonnaires appelées "arcs pharyngés". Le premier de ces arcs est appelé arc mandibulaire car il donne naissance à des mâchoires, tandis que des arcs supplémentaires se développent en branchies. Il existe également des similitudes anatomiques :les branchies sont soutenues par des os supérieurs et inférieurs, qui pourraient être considérés comme analogues aux mâchoires supérieure et inférieure.

"Ces observations développementales et anatomiques ont conduit à la théorie selon laquelle la mâchoire a évolué par modification d'une branchie ancestrale", a déclaré Thiruppathy, qui est le eLife premier auteur de l'étude et titulaire d'un doctorat. étudiant au Crump Lab. "Bien que cette théorie existe depuis la fin des années 1800, elle reste controversée à ce jour."

En l'absence de preuves fossiles claires, l'eLife La publication présente des preuves "vivantes" à l'appui de la théorie selon laquelle les mâchoires proviennent des branchies. Presque tous les poissons possèdent une minuscule structure anatomique appelée "pseudobranche", qui ressemble à une branchie résiduelle. Cependant, l'origine embryonnaire de cette structure était incertaine.

En utilisant d'élégantes techniques d'imagerie et de traçage cellulaire chez le poisson zèbre, Thiruppathy et ses collègues ont montré de manière concluante que la pseudobranche provient du même arc mandibulaire qui donne naissance à la mâchoire. Les scientifiques ont ensuite montré que bon nombre des mêmes gènes et mécanismes de régulation étaient à l'origine du développement de la pseudobranche et des branchies.

Dans une étude connexe qui vient d'être publiée dans Development , Gillis et sa collègue de Cambridge Christine Hirschberger montrent que les patins ont également une pseudobranche dérivée de l'arc mandibulaire avec des similitudes génétiques et développementales avec une branchie. Alors que le poisson zèbre est un poisson osseux, les raies représentent une classe évolutive entièrement différente de vertébrés à mâchoires :les poissons cartilagineux.

"Nos études montrent que l'arc mandibulaire contient la machinerie de base pour créer une structure semblable à des branchies", a déclaré Crump, l'eLife l'auteur correspondant de l'étude et professeur de biologie des cellules souches et de médecine régénérative au Eli and Edythe Broad Center for Regenerative Medicine and Stem Cell Research à la Keck School of Medicine de l'USC. "Cela implique que les structures issues de l'arc mandibulaire - la pseudobranche et la mâchoire - pourraient avoir commencé comme des branchies qui ont été modifiées au cours d'un temps évolutif profond."

Gillis, qui est l'auteur correspondant du Développement étude et co-auteur sur eLife étude, a ajouté:"Ensemble, ces deux études indiquent qu'une pseudobranche est présente dans le dernier ancêtre commun de tous les vertébrés à mâchoires. Ces études fournissent de nouvelles preuves alléchantes pour la théorie classique selon laquelle une structure en forme de branchie a évolué dans la mâchoire des vertébrés. "

Peter Fabian, stagiaire postdoctoral au Crump Lab de l'USC, est également co-auteur de eLife étude.