Projet ANR-11-JSV6-0005 – CONVERGDENT : A morphologie convergente, développement convergent? Apports de la transcriptomique comparative du développement des dents
Programme : JCJC - SVSE 6 - Génomique, génétique, bioinformatique et biologie systémique (JCJC SVSE 6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Sophie PANTALACCI (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE)
Partenaires : Institut de Génomique Fonctionnelle de Lyon
Montant : 205000.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : Des dents d'espèces éloignées, ayant pourtant la même forme finale, ont-elles aussi le même programme de développement?La forme d'un organe comme la dent est le produit d'un programme de développement gouverné par les gènes. Des espèces ayant la même forme de dent, non par héritage mais par évolution convergente vers cette même forme, ont-elle le même programme de développement de la dent, c.a.d utilisent-elles les mêmes gènes et de la même façon? Notre projet vise à répondre à cette question en comparant l'expression de l'ensemble des gènes (le transcriptome) pendant le développement de plusieurs espèces.
La convergence morphologique comme outil pour comprendre l'évolution des programmes de développementMalgré les avancées de la biologie du développement, on comprend encore relativement mal comment l'information contenue dans le génome permet d'orienter le programme de développement d'un organe vers une morphologie finale particulière, spécifique de l'espèce, et différente de celle d'une espèce voisine. Afin de mieux comprendre cela, il est intéressant d'étudier des cas où la morphologie finale est identique, bien que les espèces soient éloignées, et ceci parce qu'elle est apparue deux fois au cours de l'évolution. Moyennant cette morphologie finale similaire, on peut alors se demander si le programme de développement est aussi similaire, et utilise les mêmes gènes de la même façon, ou si des moyens différents sont employés. Ceci est à même de nous renseigner sur la nature des programmes de développement, et la manière dont ils peuvent éventuellement biaiser l'évolution des morphologies, interdisant certaines directions mais aussi en favorisant d'autres. Notre projet utilise comme modèle la morphologie de la première molaire supérieure des rongeurs comme la souris et la souris épineuse, qui sont très ressemblantes bien que l'ancêtre commun à ces deux espèces ait eu une morphologie différente. Nous comparons le programme de développement de cette première molaire chez la souris, la souris épineuse, et d'autres espèces «contrôle«, notamment en suivant les changements d'expression de l'ensemble des gènes (le transcriptome) au cours du temps. Nous cherchons à comprendre ce qui distingue leur programme de développement de celui des espèces contrôles, et ce qui éventuellement rend leur programme ressemblant.
Le développement monitoré et comparé par une approche transcriptomiqueL'originalité de notre projet réside en particulier dans l'utilisation de la transcriptomique pour suivre et expliquer le déroulement du programme de développement. Nous mettons à profit les dernières méthodes dites de séquençage massif pour suivre le niveau d'expression de l'ensemble des gènes du génome dans le germe dentaire en développement. Pour 3 des 4 espèces que nous étudions, nous ne disposons pas de génome, ce qui demande d'adapter des méthodes pour parvenir à une quantification satisfaisante de l'expression dans ces espèces. Un autre aspect majeur dans notre projet réside dans l'utilisation de méthodes d'analyses qui sont capables de tenir compte de différences globales dans l'expression des gènes mais aussi de révéler des différences à l'échelle d'un gène particulier.
Résumé de la soumission : L’évolution convergente est très étudiée car elle permet de mieux faire la part des contraintes et de la contingence dans l’évolution. Le panorama est assez complet pour les traits relativement simples (comme la pigmentation) : un phénotype semblable peut tout autant être le produit de mécanismes génétiques similaires que différents. En revanche, il n’est  pas aussi clair pour la convergence des traits morphologiques complexes, dont l’étude est plus délicate et a été réalisée soit d’un point de vue développemental, soit d’un point de vue génétique, mais jamais des deux ensemble. Nous proposons d’allier ces deux approches par l’étude de la dynamique du transcriptome, qui peut à la fois représenter et expliquer le déroulement des interaction géniques qui contrôlent la progression du développement.Notre modèle est une convergence de la morphologie dentaire chez deux espèces de rongeurs, la souris et la souris épineuse. La couronne de leur molaire supérieure présente deux cuspides (sommets) additionnelles, qui d’après les données paléontologiques sont apparues indépendamment dans les deux lignées. Le développement des dents est bien étudié chez la souris, et nous proposons de le comparer à celui de la souris épineuse grâce à une analyse temporelle comparative du transcriptome impliquant ces deux espèces, ainsi que la gerbille et le hamster qui ont gardé le nombre de cuspide ancestral. C’est aussi le cas des molaires inférieures des 4 espèces qui serviront également de contrôle. Nous visons donc à obtenir et analyser un grand jeu de données de transcriptomique evo/devo. Cela implique : 1) de séquencer le transcriptome de bourgeons dentaires échantillonnés tout au long de la période de formation des cuspides, pour la molaire supérieure et inférieure des 4 espèces. 2) de quantifier l’expression des gènes à partir de ces données, un challenge dans le cas des espèces (toutes sauf la souris) dont le génome n’est pas séquencé. 3) d’analyser les données en cherchant des exemples de gènes montrant des convergences d’expression entre la souris et la souris épineuse. Nous proposons ensuite de quantifier la convergence au niveau du transcriptome, puis d’étudier la manière dont les changements convergents s’accumulent tout au long du développement.Cette approche transcriptomique sera couplée à une analyse fouillée du développement des molaires dans les 4 espèces et intégrée à l’adaptation d’un modèle existant du développement des dents, qui permettra de faire des prédictions sur cette convergence. Nous proposons 4 axes d’étude : 1) Une morphologie convergente implique-t-elle un développement convergent à l’échelle morphologique ? 2) Une comparaison interspécifique des niveaux et des dynamiques d’expression  permet-elle de détecter des gènes (ou des gènes appartenant à la même voie?) dont l’expression est convergente? 3) Quelle est l’intensité globale de la convergence à l’échelle du transcriptome et comment se distribue-elle au cours du développement ? 4) La convergence morphologique est-elle obtenue par de nombreuses combinaisons de paramètres du modèle mathématique, ou est-elle prédite comme un évenement rare ?Nous pensons que les résultats de cette étude seront généralisables au delà du modèle dents de rongeur, car le développement des dents est représentatif de nombreux traits morphologiques. La comparaison interspécifique des transcriptomes d’organes en développement est un champ d’étude encore largement vierge que nous proposons de défricher, pour atteindre des conclusions globales sur l’évolution et le rôle des contraintes développementales, l’évolution des processus développementaux, et la dynamique du transcriptome pendant le développement. Ce projet est le fruit de l’association d’une développementaliste et d’une génomicienne, que nous espérons génératrice d’idées originales et interdisciplinaires, tant au niveau conceptuel que dans l’analyse des données. Ce projet a déja reçu le soutien du GENOSCOPE pour son volet séquençage.
Résultats : Le projet est prévu sur une durée de 4 ans, avec un accès étagé aux données obtenues chez la souris, une espèce le contrôle (le hamster), puis la souris épineuse et la deuxième espèce contrôle. Nous sommes encore dans une phase de collecte d'échantillons et d'analyse des données pour la souris et le hamster. Les données obtenues chez la souris montrent l'intérêt des méthodes d'analyse que nous avons développées pour capter des informations globales sur le programme de développement. Ces méthodes pourront être appliquées à d'autres jeux de données s'intéressant au développement d'autres organes.
Perspectives : Le projet propose une manière nouvelle d'étudier le développement et son évolution via l'étude du transcriptome, qui nous l'espérons sera transposable à l'étude d'autres organes.
Publications et brevets : Production scientifique et brevets depuis le début du projet : ne pas mettre une simple liste mais faire quelques commentaires comme dans l’exemple.
Le projet a donné lieu à une communication orale dans un congrès international:
Using RNAseq to analyze organ development: lessons from tooth development, Marie Sémon, Coraline Petit, Anne Lambert, Vincent Laudet and Sophie Pantalacci, 11th Tooth Mophogenesis  and Differentiation meeting 2013, La-Londe-les Maures, France