Florence Rosier
Le chercheur raconte, dans un entretien au « Monde », l’histoire et les retombées de l’évo-dévo, ce concept au nom ésotérique qui rapproche les sciences de l’évolution de celles du développement. Et qui tente de répondre à la lancinante énigme de nos origines.
D’où venons-nous ? La question, vertigineuse, peut être posée de deux façons. De quel processus de développement embryonnaire sommes-nous nés ? De quelle histoire évolutive notre espèce provient-elle ? C’est donc au croisement de ces deux disciplines, l’étude de l’embryogenèse et celle de l’évolution des espèces, que la réponse doit être cherchée. Cette science d’interface, c’est l’« évo-dévo ». Que peut-on en attendre ? Le biologiste franco-suisse Denis Duboule, titulaire de la chaire Evolution des génomes et développement au Collège de France, nous éclaire sur ces sujets.
Quand le concept d’évo-dévo a-t-il émergé ?
Le mouvement a été amorcé au XIXe siècle par de grands anatomistes allemands. Le premier, Karl von Baer [1792-1876], a proposé l’existence d’un « principe de divergence » : durant l’embryogenèse, les divers taxons – espèces, genres, familles, ordre… – montreraient d’abord des plans de développement similaires, puis divergeraient. Ernst Haeckel [1834-1919], lui, a proposé une « théorie de la récapitulation » : l’embryon d’un vertébré présenterait une succession de stades qui rejoueraient l’histoire évolutive de ses ancêtres, selon leur ordre d’apparition sur Terre – une théorie qui s’avérera en partie vraie seulement.
A l’époque, on ne disposait pas des outils pour étudier le développement embryonnaire ni l’évolution des espèces. C’était d’ailleurs un seul et même objet d’étude. Puis est arrivée la révolution darwinienne : un schisme s’est alors produit entre ceux qui étudiaient l’embryogenèse et ceux qui se sont lancés dans l’étude de l’évolution. La divergence s’est ensuite accentuée…
Jusqu’à cette bombe qui éclate à la fin des années 1980 : la biologie moléculaire…
La biologie moléculaire a révélé ce dont nul ne se doutait : tous les animaux, y compris notre espèce, partagent les mêmes gènes. Autrement dit, les mêmes briques élémentaires peuvent faire des formes de vie très différentes ! Où se trouvent donc les plans pour faire des embryons si différents ? Cette question a lancé l’évo-dévo. C’était un feu d’artifice de découvertes. Les premiers gènes impliqués dans le développement ont été caractérisés, et l’on a commencé à en faire des déductions sur l’évolution. Par exemple, on voyait un gène exprimé dans le cervelet du poulet. Puis on s’apercevait que ce gène était aussi exprimé dans celui du poisson. Il devait donc être à l’origine du développement et de l’évolution du cervelet, a-t-on trop hâtivement supposé. Avec une pointe de dérision, un collègue britannique a alors baptisé cette approche « évo-dévo »…
Quand l’évo-dévo a-t-elle acquis ses lettres de noblesse ?
A la fin des années 1990, les premiers génomes ont été séquencés. Grâce à leur lecture, l’évolution pouvait être visualisée avec un outil qui ne mentait pas, et l’on pouvait en faire des déductions sur le développement. Une « colle » rapprochait enfin les deux disciplines ! L’évo-dévo est alors devenue une discipline plus rigoureuse. D’autant que d’autres outils moléculaires sont apparus depuis une quinzaine d’années, qui permettent de comparer les espèces d’un point de vue évolutif.
La lecture des génomes a aussi révélé ce fait inouï, qu’aucun généticien n’avait prévu. Le génome de la mouche renferme 13 000 gènes. Notre espèce devait en compter environ 130 000, a-t-on alors prévu. Or, nous en avons moins de 25 000 ! Dès lors, comment faire des espèces plus complexes avec un nombre de gènes similaire ou du même ordre de grandeur ? C’est typiquement une question d’évo-dévo.
Depuis une vingtaine d’années, un congrès évo-dévo a lieu chaque année. Est-ce le signe d’une réconciliation durable ?
On y distingue toujours deux populations de participants. Ils ont des allures différentes, utilisent un vocabulaire et des concepts différents. En simplifiant beaucoup, les uns font des expériences à l’extérieur, sont plutôt relax et naturalistes ; les autres manipulent des embryons et sont plus dans les mécanismes de construction. Ce sont vraiment deux univers différents. On peut essayer de les faire converger, mais leurs épistémologies sont irréconciliables.
L’étude du développement est une science expérimentale. A chaque génération, c’est à peu près le même processus – même si quelques mutations surviennent. Vous pouvez faire une hypothèse et la vérifier à la génération suivante. L’étude de l’évolution, elle, a des bases expérimentales très différentes, puisque c’est un processus linéaire qui ne refait jamais deux fois la même chose. On ne peut donc que suggérer ce qui s’est passé, sans démonstration formelle.
Comment expliquer, par exemple, la façon dont les éléphants développent leur trompe alors que nous n’en avons pas ?
Dans les années 1970, on expliquait la trompe par l’existence de gènes spécifiques de la trompe. En réalité, la question est : pourquoi n’avons-nous pas de trompe puisque nous partageons nos gènes avec ce pachyderme ? C’est là qu’entre en scène cette discipline d’interface. Elle permet de dire, par exemple : l’embryon de telle espèce produit moins de facteurs de croissance, à un endroit précis, que l’embryon de telle autre espèce… Or, ces facteurs de croissance sont des molécules essentielles, car elles permettent aux cellules de dialoguer entre elles, donc de fabriquer des structures. Ces facteurs sont les mêmes dans toutes les espèces. Ce sont peut-être leurs concentrations respectives qui sont responsables du fait d’avoir ou non une trompe. Mais, dans ce cas précis, on ne connaît pas la cause exacte.
Une partie du mystère tient à la pléiotropie. De quoi s’agit-il ?
Chez les vertébrés, les gènes du développement sont dits « pléiotropiques » : ils ont 10 ou 20 fois plus de fonctions que chez des animaux qualifiés de « plus simples ». Ils ont aussi des rôles différents selon les organes et selon les périodes de la vie. C’est ce qui explique pourquoi la mutation d’un seul gène peut provoquer des syndromes, les patients souffrant de pathologies multiples, sans logique apparente. Dans le syndrome de Meckel-Gruber, par exemple, ils ont des doigts en surnombre, des reins avec des kystes et une hernie du cerveau.
Comment le même gène peut-il être activé, dans l’embryon, à des moments différents et à des endroits différents ?
On est là du côté « dévo » de la Force. Prenons le gène FGF8, par exemple. Les biologistes du développement ont trouvé, au voisinage de ce gène, plus de 30 éléments génétiques qui en contrôlent l’expression. C’est alors qu’entre en scène le côté « évo » de la Force : les biologistes de l’évolution regardent comment ces éléments de régulation sont organisés sur les chromosomes des poissons, des oiseaux, des serpents, etc. Ce sont des approches différentes, qui donneront soit des conclusions sur les mécanismes du développement, soit des hypothèses évolutives sur l’apparition de ces mécanismes – par exemple, des cassures ou des remaniements dans les chromosomes.
Cette approche permet aussi de faire de la paléogénétique. Comment ?
Quand un gène, dans l’embryon, s’exprime à de nombreux endroits du corps, ces endroits sont souvent apparus à des périodes évolutives différentes. Prenons un gène exprimé dans la moelle épinière d’un embryon de souris ; une structure analogue à la moelle épinière était déjà présente avant les vertébrés, il y a 500 millions d’années. Mais ce gène est aussi exprimé dans le bout des doigts, apparus il y a 370 millions d’années chez nos ancêtres les poissons ; et dans les moustaches, un organe sensoriel propre aux mammifères, qui ont émergé il y a 160 millions d’années. On peut donc retracer son histoire évolutive : il y a 500 millions d’années, ce gène était initialement exprimé dans la moelle épinière. Puis, quand les doigts sont apparus chez les poissons, il a été réutilisé – coopté – ; et 200 millions d’années plus tard, utilisé de nouveau pour fabriquer des moustaches. Un vrai bricolage.
Vous êtes un spécialiste des gènes « Hox », ces « architectes » du développement des embryons. En quoi l’évo-dévo les concerne-t-elle ?
Ce sont ces gènes et quelques autres qui ont lancé l’évo-dévo ! Ils créent des variations sur un même thème. Les gènes Hox expliquent par exemple les différences de morphologie des vertèbres entre espèces, mais pas leurs variations de nombre. Un serpent en compte 160 à 400, un humain 33. Cette variation numérique est due à un système itératif : l’« horloge de segmentation », qui crée une nouvelle vertèbre toutes les deux heures chez l’embryon de souris, toutes les quatre heures et demie chez l’embryon humain. A mesure que la partie postérieure de l’embryon descend en poussant vers le bas, ce système oscille et crée un nouveau segment – une future vertèbre – à chaque itération. Au départ, tous ces segments sont identiques. Ce sera le rôle des gènes Hox de spécifier leurs formes.
Vous décrivez aussi ce phénomène fascinant : tous les embryons de vertébrés se ressemblent, à un moment précis du développement…
Cette observation est un acquis de l’évo-dévo. A un stade très précoce, un embryon humain est extrêmement différent d’un embryon de souris, d’un œuf de poisson, d’oiseau, de serpent ou de tortue. A l’autre extrémité, un nouveau-né est très différent d’un souriceau, d’un alevin, d’un poussin… Mais à un stade précis, durant le développement, tous les embryons de vertébrés se ressemblent de façon plus marquée : en fin de gastrulation. C’est le stade où, après qu’une cavité s’est formée dans la boule de cellules embryonnaires, les trois feuillets primitifs se mettent en place – l’ectoderme, le mésoderme et l’endoderme – : ils donneront tous les organes et structures de l’adulte.
Chez les embryons humains, la gastrulation survient à trois semaines et demie de vie utérine ; chez les embryons de souris, à sept-huit jours. A cet âge-là, l’embryon humain présente une queue de 10 à 12 vertèbres, qui restera visible jusqu’à huit semaines de vie intra-utérine, puis régressera pour laisser un vestige, le coccyx.
Pourquoi les embryons passent-ils toujours par ce goulet d’étranglement ?
Probablement car le jeu des contraintes est maximal au stade de la gastrulation. Quelles contraintes ? On l’ignore. Mais la conséquence, c’est qu’à ce stade les mécanismes de l’embryogenèse résistent à tout changement. Il n’y a qu’une seule façon de mettre en place le plan général du corps : la nature n’a pas trouvé de solution alternative.
Un nouveau-né, quel miracle ! Comment est-ce possible ?
Malgré l’accumulation des connaissances, on ne parvient toujours pas à le comprendre. Si l’on imagine un but derrière la formation de l’embryon, je pense qu’on est perdu. A mesure qu’il se développe, l’embryon génère des contraintes qui réduisent progressivement le champ des possibles. Au fond, il ne fait que suivre le seul chemin que lui-même s’autorise, selon son bagage génétique. L’embryogenèse n’est pas un processus finaliste, on n’est pas dans le telos d’Aristote. Elle relève du « hasard et [de] la nécessité », comme l’expliquait [le biologiste] Jacques Monod [dans un essai paru en 1970]. Ce qui n’enlève rien à la merveille du bébé !
Cet article est paru dans Le Monde (site web)