Le profilage de la diversité cellulaire chez les éponges renseigne sur les origines du système nerveux

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Une étude publiée le 4 novembre dans Science révèle désormais que les éponges utilisent un système de communication cellulaire complexe pour réguler leur alimentation et potentiellement éliminer les bactéries envahissantes (1). Les résultats pourraient aider à comprendre comment le système nerveux des animaux a évolué, explique Casey Dunn, biologiste évolutionniste à l’Université Yale à New Haven, Connecticut, qui étudie les invertébrés marins.


Cette éponge d’eau douce (Spongilla lacustris) pourrait détenir des indices sur l’évolution du système nerveux. © Crédit: Willem Kolvoort/Nature Picture Library.

Les éponges sont des créatures simples, mais ce sont des filtreurs experts, filtrant des dizaines de milliers de litres d’eau dans leur corps chaque jour pour collecter leur nourriture. Leur maîtrise de ce comportement complexe est d’autant plus remarquable qu’ils n’ont pas de cerveau, ni même un seul neurone à leur actif. Les cellules communiquent fréquemment entre elles, et les neurones le font en transmettant des signaux électriques ou chimiques à travers de minuscules connexions ciblées appelées synapses. Des recherches antérieures (2) ont montré que les éponges possèdent des gènes codant pour des protéines qui aident généralement les synapses à fonctionner, malgré le manque de neurones des animaux.

Pour découvrir quelles cellules exprimaient ces gènes, Detlev Arendt, un biologiste évolutionniste du Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) à Heidelberg, en Allemagne, et ses collègues ont séquencé l’ARN dans diverses cellules individuelles d’une éponge d’eau douce (Spongilla lacustris). Ils ont découvert que l’éponge possède 18 types cellulaires distincts. Les gènes synaptiques étaient actifs dans quelques-uns de ces types, qui étaient regroupés autour des chambres digestives des éponges. Cela suggère qu’une certaine forme de communication cellulaire pourrait coordonner le comportement d’alimentation par filtre de l’animal.

Les chercheurs ont ensuite utilisé l’imagerie aux rayons X et la microscopie électronique pour étudier l’un de ces types de cellules, qu’ils ont appelé cellules neuroïdes sécrétoires. Les scans ont révélé que les neuroïdes envoient de longs bras pour atteindre les choanocytes, un type de cellule avec des protubérances ressemblant à des cheveux qui pilotent les systèmes d’écoulement d’eau des éponges et capturent la plupart de leur nourriture.

Précurseur du système nerveux

Sur la base de la proximité des deux types cellulaires et de l’expression de gènes qui pourraient permettre la sécrétion de produits chimiques, les chercheurs pensent que ces bras permettent aux neuroïdes de communiquer avec les choanocytes, afin qu’ils puissent mettre en pause le système d’écoulement de l’eau et dégager éliminer tout débris ou microbe étranger. Cependant, ces cellules neuroïdes ne sont pas des nerfs, et il n’y a aucun signe des synapses qui permettent aux neurones de communiquer si rapidement. Au lieu de cela, ce type de cellule pourrait représenter un précurseur évolutif d’un véritable système nerveux, explique Jacob Musser, biologiste évolutionniste à l’EMBL, co-auteur de l’étude. “Nous sommes à un point intermédiaire, où vous êtes passé de toutes ces pièces indépendantes à les rassembler plus largement, mais vous n’avez pas obtenu toute l’interconnectivité nécessaire pour créer une synapse rapide”, dit-il.

Certains scientifiques disent qu’il est exagéré d’appeler ces cellules un précurseur d’un système nerveux. “C’est alléchant, mais ce n’est guère définitif”, déclare Linda Holland, biologiste du développement évolutionniste à l’Université de Californie à San Diego. Elle dit qu’il sera difficile de prouver si les systèmes nerveux ont évolué à partir de ce système de communication cellulaire ou sont apparus plus tôt ou même plusieurs fois, comme certains groupes l’ont proposé.

En effet, de nombreux autres organismes, y compris les eucaryotes unicellulaires (3), contiennent les mêmes gènes synaptiques, explique Sally Leys, biologiste marine à l’Université de l’Alberta à Edmonton, au Canada. April Hill, généticienne du développement au Bates College de Lewiston, dans le Maine, espère que les scientifiques utiliseront cette étude et ses méthodes comme «tremplin» pour une enquête plus approfondie sur cette éponge omniprésente. Que d’autres éponges utilisent un système de communication cellulaire similaire, ajoute-t-elle, reste une question clé sans réponse.

Notes

  1. Musser, J. et al. Science https://doi.org/10.1126/science.abj2949 (2021).
  2. Srivastava, M. et al. Nature 466, 720–726 (2010).
  3. Burkhardt, P. & Sprecher, S. G. BioEssays 39, 1700024 (2017).

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