Plus de 98% de similitude génétique, mais une différence de volume cérébral de 300%
Lors d’une visite au zoo ou en parcourant des vidéos sur son téléphone, beaucoup ont vu des chimpanzés. Ils savent peler une banane avec dextérité et peuvent même ouvrir un bouchon de bouteille avec deux doigts. Leurs mouvements et expressions sont frappamment similaires à ceux des humains.
En observant l’intérieur des crânes, la différence devient évidente. Le cerveau d’un chimpanzee adulte pèse environ 400 grammes, à peu près la taille d’un pamplemousse. Le cerveau humain moyen atteint 1400 grammes, l’équivalent de deux et demie bouteilles d’eau. Le volume cérébral des deux espèces diffère d’un facteur trois, et la complexité de leurs connexions neuronales est encore plus éloignée.
Les connaissances fondamentales des sciences de la vie soulèvent une énigme majeure. Les gènes codant pour les protéines (les plans de fabrication des éléments essentiels du corps) des humains et des chimpanzés partagent plus de 98% de similarité. Deux humains marchant dans la rue ne diffèrent génétiquement que d’environ un millième ; un chimpanzés et un humain assis côte à côte ont des plans quasi identiques pour leurs composants corporels fondamentaux.
Les matériaux de construction du corps sont identiques. Si les briques et le sable sont les mêmes, la hauteur des bâtiments dépend du moment où le plan de construction est activé. Le point de divergence crucial se cache dans les commutateurs de régulation génétique.
Figure : Chimpanzé génétiquement très similaire à l’humain. Source : Lund University / iStock
Mini-cerveaux en laboratoire : identification du gène silencieux des chimpanzés
Pour comprendre comment les cerveaux humains et chimpanzés se sont différenciés, il faut revenir au point de départ de la vie. L’observation directe du développement embryonnaire des primates se heurte à des limites éthiques et techniques. L’équipe de recherche devait donc trouver une autre voie.
L’équipe de Johan Jakobsson à l’Université de Lund (Suède) a trouvé la solution. La chercheuse postdoctorale Patricia Gerdes a passé deux ans à perfectionner une méthode stable de culture cellulaire de chimpanzés. Les chercheurs ont extrait des cellules souches induites pluripotentes (cellules souches reprogrammées in vitro capables de se différencier en n’importe quel tissu). Ils ont laissé ces cellules se développer dans des boîtes de Pétri.
Les cellules ont progressivement formé des organoïdes cérébraux (mini-tissus cérébraux cultivés in vitro pour modéliser le développement précoce du cerveau). Ces mini-cerveaux mesuraient seulement quelques millimètres et reproduisaient avec précision le rythme de croissance des trois premiers mois de développement fœtal. En comparant l’activité génétique entre les deux types de tissus, l’équipe de recherche a rapidement identifié une cible principale.
Ils ont ciblé le gène LINC00662. Il s’agit d’un gène ARN non codant long (Long non-coding RNA 00662, un commutateur de régulation qui ne synthétise pas de protéines mais dirige d’autres gènes neuronaux). Dans les mini-cerveaux humains, cet interrupteur fonctionne à pleine puissance. Dans les tissus de mini-cerveaux de chimpanzés, il reste silencieux du début à la fin, sans émettre aucun signal.
Figure : Cellules souches induites de chimpanzé cultivées lors de l’expérience. Source : The Transmitter
Une molécule chirurgicale élimine le virus, le gène endormi se réveille
Pourquoi le commutateur clé du chimpanzés était-il bloqué ? L’équipe de recherche a utilisé une séquence à haut débit à lecture longue pour enquêter. L’objet étrange dans la serrure du cylindre a été identifié. À côté du gène LINC00662 des chimpanzés, se trouvait un fragment d’ADN viral ancien, désigné sous le nom de PTERV1. Ce résidu étranger agissait comme un coin rouillé, bloquant solidement l’interrupteur et coupant les instructions nerveures ultérieures. La séquence génétique correspondante chez les humains était propre, sans aucune trace virale.
Pour vérifier le lien de causalité, l’équipe a utilisé une molécule chirurgicale. Ils ont utilisé l’édition génétique CRISPR (un outil moléculaire qui peut cibler et couper précisément des fragments d’ADN spécifiques) pour supprimer entièrement le fragment viral des cellules souches de chimpanzés. Ensuite, l’équipe a recultivé des mini-cerveaux.
Après l’élimination du fragment viral, le gène LINC00662, endormi depuis des millions d’années, s’est réveillé dans les tissus de chimpanzés et s’est à nouveau exprimé normalement. La vérification inverse était tout aussi claire. Lorsque les chercheurs ont coupé le LINC00662 dans les organoïdes humains, la croissance des axones neuronaux (câbles fins étendus par les cellules nerveuses pour transmettre des signaux) était entravée et les connexions réseau se sont considérablement réduites.
Figure : Image microscopique d’organoïdes neuronaux de chimpanzé. Source : The Transmitter / Patricia Gerdes
Invasion virale il y a cinq millions d’années, les chimpanzés conservent 158 copies
D’où venait ce fragment viral qui a changé la trajectoire de l’évolution cérébrale ? Les preuves géologiques et moléculaires de l’évolution montrent que le PTERV1 appartient à un ancien rétrovirus. Il y a 5 à 7 millions d’années, ce virus se propageait dans les forêts africaines. C’était à une période critique où les ancêtres du genre humain et les chimpanzés divergeaient.
Les ancêtres des chimpanzés ont été infectés par ce pathogène. Le virus a percé les défenses, infiltré les cellules germinales et s’est multiplié dans le génome de l’hôte. Il a laissé environ 158 copies génétiques dans le génome des chimpanzés. Ces insertions étrangères ont été transmises de génération en génération, conservées jusqu’à aujourd’hui.
Les ancêtres humains précoce vivaient peut-être dans des zones ouvertes, évitant ainsi le virus. Ou peut qu’ils avaient un système immunitaire plus fort, repoussant les pathogènes à l’extérieur. La lignée humaine a échappé à cette ancienne infection, et les commutateurs génétiques sont restés intacts.
Le calendrier de développement a amplifié la divergence des destins. Les données de développement embryonnaire humain montrent que l’activité du LINC00662 atteint son pic entre la 10e et la 12e semaine après la conception. Le fœtus a alors exactement trois mois et le cerveau accélère la mise en place des circuits neuronaux. À ce moment précis, le commutateur de développement des chimpanzés était bloqué par le virus, ralentissant tôt leur progression.
8% du génome sont des vestiges viraux, bloquant le développement cérébral des chimpanzés
Les gens considèrent souvent que les virus ne provoquent que de la toux, du rhume et de la fièvre. Dans l’histoire évolutive de la vie, les marques laissées par les anciennes infections sont beaucoup plus profondes que les maux passagers. Ces fragments de virus endormis dans l’hôte sont appelés rétrovirus endogènes (Endogenous Retrovirus, fossiles génétiques écrits dans l’ADN de l’hôte après infection par un virus ancien des cellules germinales). Ils représentent plus de 8% du génome humain et chimpanzé.
Ce chiffre de 8% est étonnamment élevé. Tous les gènes codant pour la fabrication d’os et de muscles ne représentent que 1,5% environ du génome total. Si le code génétique était un grand livre, un douzième de ses pages serait constitué de chapitres restants de virus anciens.
Il n’y a pas de déchets absolus dans la bibliothèque génétique. Les fragments de virus ancien jouent souvent des rôles étranges dans l’évolution. Le tissu placentaire, essentiel à la reproduction des mammifères, a emprunté des éléments de virus anciens. Ravinder Kanda, généticien de l’évolution à l’Université Oxford Brookes, estime que cette étude confirme solidement le rôle des résidus viraux dans la différenciation du développement nerveux. Mais il souligne que nous ne voyons actuellement que la partie émergée de l’iceberg.
Les humains ont tendance à attribuer leur intelligence àune sorte de caractéristique unique. La recherche de l’Université de Lund révèle le hasard de l’évolution : les humains et les chimpanzés ont suivi des trajectoires cérébrales radicalement différentes en raison d’une infection virale ancienne qui a réécrit les commutateurs génétiques des chimpanzés, bloquant leur capacité d’expansion du volume cérébral pendant des millions d’années.
Liens de référence :
- Article de Science Advances
- Reportage de Science News
- Communiqué de recherche de l’Université de Lund
