Un gène du cerveau en tête de liste pour faire des humains, des humains

Pourquoi les humains ont-ils un si gros cerveau ? Ce mystère évolutif interpelle les scientifiques depuis des lustres, mais certains chercheurs utilisent la génétique, et plus précisément les gènes que l’on ne trouve que chez Homo sapiens, pour trouver une réponse.

ARHGAP11B, un gène que l’on ne trouve que chez l’homme, est connu pour son rôle dans l’expansion du néocortex, la partie du cerveau responsable des fonctions cognitives supérieures comme le langage et la planification. Dans des expériences détaillées dans une nouvelle étude publiée aujourd’hui dans la revue Science, les chercheurs ont inséré le gène dans les fœtus de ouistitis, qui, comme les humains, sont des primates, mais ne sont pas porteurs du gène. L’équipe a constaté qu’après 101 jours, les néocortex des cerveaux en développement des singes étaient plus grands et présentaient plus de plis dans le tissu que les fœtus de singes normaux sans le gène.

Le fait d’avoir plus de plis dans cette partie du cerveau est important car ces plis augmentent la surface disponible pour les cellules cérébrales, ou neurones, sans rendre le cerveau trop grand pour le crâne. Démontrer que le gène humain remplit un objectif similaire dans le cerveau d’un autre primate donne un nouvel aperçu de la façon dont les humains ont pu évoluer et peut ouvrir la voie à de futurs traitements pour les maladies du cerveau.

Le cerveau, amplifié

Le gène ARHGAP11B est apparu il y a environ 5 millions d’années, peu de temps après la scission évolutive entre les ancêtres chimpanzés et humains. Il est apparu par mutation lorsqu’un autre gène, ARHGAP11A, a été copié, ou dupliqué. Cependant, la version de l’ARHGAP11B datant de 5 millions d’années, connue sous le nom de version « B ancestrale », n’est pas celle que les humains possèdent aujourd’hui. Les scientifiques pensent qu’une autre mutation de l’ARHGAP11B s’est produite chez les ancêtres de l’homme entre 1,5 million et 500 000 ans, créant le gène spécifique à l’homme que les chercheurs ont utilisé dans leur dernière étude.

« Cette séquence spécifique à l’homme est absolument essentielle pour la capacité du gène à amplifier les cellules souches cérébrales pertinentes dans le développement », déclare Wieland Huttner de l’Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire, l’un des auteurs de l’étude.

Des études antérieures ont montré des effets similaires chez des souris et des furets modifiés pour avoir la « nouvelle version B » du gène. Cependant, l’utilisation de ces modèles animaux signifiait que le gène n’était pas nécessairement exprimé de la même manière que chez l’homme. L’auteur de l’étude, Michael Heide, également de l’Institut Max Planck, explique que l’équipe voulait étudier un organisme modèle étroitement lié à l’homme, et les deux options les plus pratiques étaient le ouistiti et le macaque.

« Nous avons pensé que le ouistiti serait le meilleur modèle parce que le néocortex du macaque a de nombreuses caractéristiques qu’il partage avec notre néocortex grand et plié. Cependant, le ouistiti est lisse et de très petite taille. » Ainsi, toute modification de la taille et de la forme du néocortex du ouistiti serait facile à voir.

Pour introduire le gène dans les embryons de singe, les chercheurs ont utilisé un « lentivirus », un porteur de virus qui ne peut pas se répliquer. Le lentivirus contenait ARHGAP11B ainsi qu’un marqueur protéique qui permettrait aux chercheurs de voir où ce gène était exprimé. Ils ont inclus un gène promoteur, ou une séquence d’ADN qui régule l’expression de gènes spécifiques.

Debra Silver, investigatrice à l’Institut des sciences du cerveau de l’Université Duke, affirme que les méthodes des chercheurs dans cette étude, améliorées par rapport à celles utilisées avec les souris et les furets, donnent beaucoup de poids à la signification des résultats. « L’un des défis est que vous pouvez avoir des niveaux anormalement élevés . C’est comme prendre un camion Mack pour conduire quelque chose par rapport à quelque chose de plus subtil comme une Toyota. L’idée est qu’avec cela, ils essaient de se rapprocher de ce qui serait normalement exprimé dans le cerveau humain. »

En outre, dit Silver, l’étude a démontré qu’un effet prédominant du gène, en plus d’augmenter la taille et le nombre de plis dans le néocortex, contrôle la production de certains neurones qui se développent plus tard et sont plus importants pour le traitement d’ordre supérieur.

Megan Dennis, qui étudie la génétique du cerveau humain à l’Université de Californie, Davis, MIND Institute, mais qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré que cette recherche a franchi une étape majeure en prouvant l’effet du gène chez un primate.

« Nous avons toute une liste de gènes qui, selon nous, pourraient être importants dans ce qui nous rend uniquement humains, mais nous avons très rarement montré de manière définitive qu’ils y contribuent réellement », dit Dennis. « Et je dois dire qu’une étude comme celle-ci fait vraiment remonter ARHGAP11B en haut de la liste comme un gène qui pourrait très bien être important dans le développement du cerveau humain. »

Ce qui est à venir

Parce que ARHGAP11B tombe dans une région du génome humain qui est connue pour être associée à la déficience intellectuelle, à la schizophrénie et à l’épilepsie, en apprendre davantage sur son fonctionnement pourrait également être important pour comprendre les maladies. Par exemple, les cerveaux humains qui deviennent trop gros (macrocéphalie) peuvent souffrir d’une série de troubles neurologiques et comportementaux, dont l’autisme.

La compréhension de gènes spécifiquement humains tels que ARHGAP11B pourrait également contribuer au développement de nouveaux types de thérapies. Les auteurs de cette étude suggèrent que ce gène pourrait être utile pour la culture de cellules souches qui pourraient aider à traiter des maladies comme la maladie de Parkinson, où des mutations claires ont été identifiées.

Mais l’idée d’utiliser le gène ou d’autres comme lui pour modifier la structure et la fonction essentielles du cerveau humain soulève une foule de préoccupations éthiques autour des modèles d’expérimentation animale et du génie génétique.

« Vous devez être très prudent », dit Huttner. « Si vous faites de la manipulation génétique chez l’homme, vous ne pouvez le faire que si c’est pour guérir une maladie où vous avez une mutation anormale et que vous la ramenez à la séquence normale identifiée. Dans ce cas seulement. Mais pour essayer d' »améliorer » les humains, pas question. »