Les scientifiques découvrent que le nez des mammifères vient de la mâchoire des reptiles

De nouveaux examens de squelettes et d'embryons d'animaux ont permis aux chercheurs de découvrir comment les mammifères développaient des nez saillants et flexibles. Cette étude contribue à découvrir l'origine du fort sens de l'odorat des mammifères et crée le potentiel pour de nouveaux modèles animaux, comme les poulets ou les grenouilles, qui sont souvent utilisés dans les expériences de laboratoire pour étudier les troubles du développement du visage tels que la fente palatine.

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L’extrémité antérieure du visage des mammifères est typiquement composée d’un nez semi-mobile, et non de la mâchoire supérieure comme chez les autres tétrapodes. Ainsi, le nez thérien est recouvert ventrolatéralement par le “prémaxillaire”, et l’ostéocrâne ne possède qu’une seule ouverture nasale en raison de l’absence d’éléments osseux médians. Cela contraste avec ceux d’autres tétrapodes chez lesquels le prémaxillaire recouvre l’extrémité rostrale du museau, fournissant une clé pour comprendre l’évolution du visage des mammifères. La compréhension scientifique traditionnelle de l’évolution faciale est que les mâchoires des mammifères et des reptiles se développent presque de la même manière. Même si les mammifères ont un nez unique, l’évolution de cette structure est restée inconnue.

Maintenant, les chercheurs d’UTokyo ont utilisé des études cellulaires et des réexamens de crânes fossilisés pour développer une nouvelle compréhension améliorée de la façon dont les mammifères développaient des nez et des mâchoires supérieurs séparés. Les chercheurs ont montré que le prémaxillaire chez les mammifères thériens (placentaires et marsupiaux) n’est pas entièrement homologue à ceux des autres amniotes ; le prémaxillaire thérien est un composite du septomaxillaire et du vestige palatin du prémaxillaire des amniotes non thériens (y compris les monotrèmes).  Cette réorganisation des os prémaxillaires et septomaxillaires a probablement permis aux mammifères de former des nez flexibles capables de «renifler».

L’étude

«Les fossiles existants d’animaux à quatre pattes, à la fois reptiliens et mammifères, ont le même nombre d’os de la mâchoire supérieure. Il est très facile de penser que les os sont les mêmes, mais maintenant nous pouvons étudier les embryons et suivre le développement cellulaire pour étudier ces os de manière beaucoup plus détaillée», a expliqué le chercheur postdoctoral Hiroki Higashiyama, qui étudie le développement évolutif à l’Université de Tokyo Graduate School of Médicament. La recherche, récemment publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences, est la première à examiner l’évolution de la structure faciale à l’aide d’études cellulaires comparant plusieurs embryons de plusieurs espèces.

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Higashiyama et ses collègues du laboratoire du professeur Hiroki Kurihara ont conçu des expériences pour suivre le développement facial d’embryons de différentes espèces, notamment des oiseaux (poulets), des reptiles (geckos) et des mammifères (souris). Ils se sont concentrés sur un groupe de cellules connues sous le nom de proéminences faciales dans les embryons qui produisent les structures physiques du visage. Les chercheurs ont coloré les cellules pour les suivre au fur et à mesure de leur déplacement et de leur croissance. Un groupe de cellules appelé proéminence frontonasale forme la pointe de la mâchoire chez les reptiles, mais devient le nez saillant chez les mammifères. Les extrémités de la mâchoire des mammifères se forment à la place à partir d’un groupe distinct de cellules appelé proéminence maxillaire.

En comparant les relations topographiques des ébauches craniofaciales et des apports nerveux dans divers embryons de tétrapodes, des chercheurs ont constaté que le prémaxillaire thérien est principalement d’origine proéminente maxillaire et associé à l’arc mandibulaire. Selon leurs résultats, la partie la plus rostrale de la mâchoire supérieure chez les tétrapodes non mammifères correspond au nez mobile chez les mammifères thériens. Au cours du développement, l’inhibition expérimentale de la croissance primordiale a démontré que l’ensemble de la mâchoire supérieure des mammifères provient principalement de la proéminence maxillaire, contrairement aux autres amniotes. De manière constante, le traçage de la lignée cellulaire chez les souris transgéniques a révélé une croissance rostrale spécifique aux mammifères de la proéminence maxillaire. Les chercheurs ont conclu que le visage spécifique aux mammifères, le museau, est une nouveauté évolutive obtenue en outrepassant les contraintes de développement ancestrales pour établir un nouveau cadre topographique dans le mésenchyme craniofacial.

En utilisant cette nouvelle perspective de leurs expériences cellulaires, les chercheurs ont ensuite examiné des spécimens fossiles. Au fur et à mesure que les ancêtres des espèces accumulaient plus de différences physiques et génétiques, l’os à l’extrémité de la mâchoire supérieure des reptiles, le prémaxillaire, est devenu plus petit et a migré vers le haut et l’os qui se trouvait derrière, le septomaxille, est devenu plus gros et s’est déplacé vers l’avant pour devenir des mammifères. pointe de la mâchoire.

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Les chercheurs disent que les os du visage des mammifères pondeurs d’œufs, comme l’ornithorynque et l’échidné australiens, fournissent des exemples vivants supplémentaires de structures osseuses transitionnelles du modèle de reptile évolutif plus ancien à la structure mammifère plus récemment évoluée. Cette séparation du nez et de la mâchoire donne aux mammifères leur capacité unique à «renifler», en utilisant les muscles pour élargir les narines et inhaler profondément les odeurs de l’environnement. “Cette découverte est une innovation clé dans l’évolution de notre nez mobile et d’autres mammifères, qui contribue au sens de l’odorat très sensible des mammifères”, a déclaré Higashiyama. Distinguer et reconnaître autant d’odeurs a peut-être également aidé les mammifères à développer des cerveaux plus gros et plus complexes que les espèces ancêtres antérieures.

Transitions évolutives des os de la mâchoire supérieure dans les synapsides fossiles. (A) Squelette de la mâchoire supérieure de la grenouille et du gecko. (B) Le museau de †Dimetrodon, qui a été redessiné à partir de l’étude précédente. Le septomaxillaire est logé dans la narine. (C) L’observation des synapsides fossiles. Le fossile †Silphoictidoides montre un grand septomaxillaire recouvrant la surface rostrale du museau, dont les proportions ressemblent à celles de l’embryon d’échidné (Fig. 1C et annexe SI, Fig. S2). Le cadre phylogénétique est basé sur une étude antérieure. Les schémas des cynodontes ont été redessinés à partir d’études précédentes : † Galesaurus planiceps (inversé de gauche à droite par rapport à la figure originale), † Massetognathus ochagaviae. (D) La transition des os de la mâchoire supérieure chez les Mammaliaformes. Certaines études anciennes ont identifié l’os nasal des mammifères xénarthrans comme l’homologue septomaxillaire, mais cet os est probablement un néomorphe de xénarthrans, comme indiqué dans des études récentes. De même, l’élément osseux (astérisque) retrouvé dans le museau de la tige euthérienne †Acristatherium ne doit pas être homologue au septomaxillaire. Bien que le “prémaxillaire” des Multituberculés (gris foncé) soit assez similaire au prémaxillaire thérien, il est actuellement impossible d’exclure la possibilité que les “prémaxillaires” des multituberculés aient incorporé un os néomorphe plutôt qu’un homologue du septomaxillaire sans analyses minutieuses de position topographique des tissus mous. Les schémas ont été redessinés à partir d’études précédentes : Perameles nasuta, †Sinoconodon sp, †Haldanodon expectatus, †Docofossor brachydactylus (inversé de gauche à droite par rapport à la figure originale), †Kryptobaatar dashzevegi, †Anebodon luoi, †Necrolestes patagoniensis, †Acristatherium yanensis et †Zalambdalestes lechei —-  [ Abréviations : mx, maxillaire ; n, nasale ; pmx, prémaxillaire ; sc, canal septomaxillaire ; smf, foramen septomaxillaire ; smx, septomaxillaire] – (Barres d’échelle : 2 cm). © Hiroki Higashiyama et al., PNAS, 2021.

Portée de l’étude

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Le cadre anatomique de la mâchoire a toujours été considéré comme hautement conservé chez les vertébrés. Cette étude montre que la face (museau) unique au therian a évolué via une altération drastique du modèle commun de la mâchoire des tétrapodes. Grâce à des analyses comparatives morphologiques et développementales, les auteurs de cette étude démontrent que le prémaxillaire du mammifère therian (os de la mâchoire supérieure la plus rostrale) est dérivé de la proéminence maxillaire de l’arc mandibulaire. Ils déterminent que l’ébauche de développement qui produit le prémaxillaire chez les tétrapodes non mammifères contribue rarement à la mâchoire supérieure chez les mammifères thériens, mais forme plutôt un nez mobile. Les chercheurs pensent que ces réarrangements auparavant non reconnus ont permis des innovations clés telles que la perception tactile très sensible et la fonction olfactive dans l’évolution des mammifères.

La recherche récente a fourni des preuves physiques du changement évolutif dans l’arrangement prémaxillaire et septomaxillaire, mais des études distinctes seront nécessaires pour identifier les causes génétiques. «Maintenant, nous connaissons la composition des proéminences faciales et le développement embryonnaire de plusieurs espèces, nous pouvons donc comparer les troubles du développement facial chez les poulets ou les grenouilles à ceux des humains. Nous venons principalement d’améliorer les connaissances des manuels scolaires pour le moment, mais à l’avenir, ces modèles animaux seront une application pratique de nos études», a déclaré Higashiyama. Les souris sont actuellement le seul modèle animal à étudier les fentes labiales et palatines. Les souris sont chères à entretenir et plus lentes à développer, donc des modèles animaux supplémentaires de troubles du développement facial pourraient devenir un outil de recherche précieux.

Voir la publication

Hiroki Higashiyama, Daisuke Koyabu, Tatsuya Hirasawa, Ingmar Werneburg, Shigeru Kuratani, Hiroki Kurihara. Mammalian face as an evolutionary novelty. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (44): e2111876118 DOI: 10.1073/pnas.2111876118

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