Les glandes de coléoptères aident à expliquer l’évolution d’organes complexes

Les organes complexes de notre propre corps sont composés de nombreux types différents de cellules et de tissus, travaillant tous ensemble en coopération pour accomplir une fonction particulière. Par exemple, un cœur contient du tissu musculaire, des valvules, des ligaments et des nerfs, qui agissent tous pour pomper le sang efficacement. La question est de savoir comment ces différents types de tissus se sont-ils réunis à l’origine pour fonctionner comme un organe ?

Cette question intrigue les biologistes évolutionnistes depuis des décennies. Il semble maintenant que de nouvelles recherches sur une espèce de staphylin puissent apporter un peu de lumière sur le problème. Publié aujourd’hui dans la revue Cellulela recherche montre comment deux types différents de cellules forment une glande spécialisée dans l’abdomen du coléoptère, avec pour fonction de fabriquer et de sécréter des produits chimiques nocifs pour sa défense.

Les staphylins vivent dans la litière de feuilles et dans le sol des écosystèmes du monde entier et utilisent des cocktails de substances chimiques désagréables pour éloigner les prédateurs potentiels. Les coléoptères s’enduisent ainsi que d’autres insectes menaçants avec les composés sécrétés, qui ont pour effet de déclencher les récepteurs de la douleur chez le receveur. De cette manière, certaines espèces de staphylins sont même capables de vivre à l’intérieur de colonies de fourmis sans subir de conséquences négatives.

« Ces coléoptères sont des modèles fantastiques pour comprendre comment de nouveaux types de relations écologiques émergent au cours de l’évolution, à travers des changements aux niveaux moléculaire, cellulaire et comportemental », explique l’auteur principal Joseph Parker du California Institute of Technology.

« Dans le cadre de cette question, nous sommes très intéressés par la façon dont les staphylins ont reconstitué ces structures glandulaires dans leur abdomen, qui sont constituées de différents types de cellules qui travaillent ensemble. Ces structures sont l’incarnation d’une énigme majeure : comment évoluent des organes complexes, souvent composés de nombreux types de cellules différents qui semblent coopérer de manière transparente les uns avec les autres. Il est difficile d’expliquer comment cette coopérativité émerge au cours de l’évolution.

Parker et ses collègues ont concentré leurs recherches sur Dalotia coriaire, une espèce de staphylin qui synthétise et libère un produit chimique défensif à partir des glandes tergales de son abdomen. La substance est composée de deux types différents de composés : les benzoquinones, qui sont des solides hautement toxiques, et les solvants constitués d’un mélange d’alcane et d’esters. Les solvants, à eux seuls, sont inoffensifs, mais lorsqu’ils dissolvent les benzoquinones, ils transforment le cocktail obtenu en une arme sérieuse.

Chaque glande tergale contient deux types de cellules chargées de synthétiser les différents composés destinés à la défense. « Un type de cellule produit les benzoquinones et l’autre les solvants », explique Parker. « Les deux sont nécessaires pour créer une sécrétion fonctionnelle qui confère une valeur adaptative. »

Dans l’étude, les chercheurs ont utilisé la transcriptomique unicellulaire pour découvrir de nouvelles voies enzymatiques utilisées dans la création de ces substances dans chaque type de cellule. Ils ont ensuite utilisé ces résultats pour creuser plus profondément, explorant comment la voie de chaque type de cellule était construite à partir de composants préexistants qui fonctionnaient dans d’autres types de cellules plus anciens, ailleurs chez le coléoptère.

« Nous avons pu découvrir les voies de biosynthèse dans chaque type de cellule et ensuite nous demander comment ces voies ont été assemblées au cours de l’évolution », a noté Parker.

Il est intéressant de noter que l’un des types de cellules – les cellules solvantes qui fabriquent l’alcane et les esters – s’est avéré être un hybride de cellules cuticulaires et d’autres cellules métaboliques anciennes utilisées à l’origine pour fabriquer des phéromones et produire et stocker des graisses. Les cellules solvantes remplissent désormais leur fonction en utilisant un mélange d’enzymes provenant de chacun des anciens types de cellules parentales.

« Le coléoptère a recruté un programme majeur d’expression génique à partir de ces anciens types de cellules métaboliques et l’a installé dans une zone de cuticule, créant ainsi une glande », a déclaré Parker.

D’autres travaux expérimentaux avec les coléoptères ont montré que, lorsque la voie métabolique pour la production soit du solvant, soit des benzoquinones, devenait non fonctionnelle (par inactivation génétique), les coléoptères perdaient leurs capacités défensives.

Puisque les deux voies sont nécessaires au système de défense chimique des coléoptères, elles auraient toutes deux été sous l’influence de la sélection naturelle au cours de l’histoire évolutive des coléoptères. Ainsi, les chercheurs proposent que l’évolution de chaque type cellulaire ait été façonnée par la coévolution entre les deux types cellulaires.

« Les cellules à solvant ont créé une niche pour un deuxième type de cellule afin de produire les benzoquinones solides, qui pourraient se dissoudre dans l’alcane et les esters. Une sécrétion hautement toxique est apparue, augmentant considérablement la valeur adaptative de la glande, enfermant les deux types de cellules dans une unité où elles coopèrent. Essentiellement, un nouvel organe a émergé », a déclaré Parker.

Selon les chercheurs, leurs découvertes illustrent comment la coopération entre les types de cellules apparaît, générant de nouveaux comportements au niveau des organes. Cette nouvelle compréhension a des implications pour cartographier l’évolution d’organes plus sophistiqués trouvés dans le règne animal, y compris chez l’homme.

« Dans l’arbre de la vie animale, vous voyez des organes multicellulaires complexes composés de nombreux types de cellules différents fonctionnant collectivement », a déclaré Parker. « Pensez à quelque chose comme l’œil d’un mammifère, qui compte environ 70 types de cellules différents fonctionnant tous ensemble pour activer notre système visuel. Le scénario que nous trouvons en train de se dérouler dans la glande tergale – un organe composé de seulement deux types de cellules – que vous pouvez imaginer pourrait connaître d’autres cycles à mesure que les types de cellules créent des niches pour en ajouter de nouvelles, générant finalement une complexité multicellulaire très élaborée.

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Par Alison Bosman, Espèces-menacées.fr Rédacteur