Le développement unique des vertèbres des mammifères

Les mammifères montrent une grande variété de structures squelettiques, surtout quand on regarde leurs vertèbres. Alors que beaucoup d'études se concentrent sur les os des membres et des crânes, la colonne vertébrale a aussi des caractéristiques uniques qui varient d'une espèce à l'autre. Par exemple, les humains, les dauphins et les girafes ont tous sept vertèbres cervicales dans leur cou, mais la longueur de leur cou est très différente. Les buffles ont de longues épines neurales sur leurs vertèbres thoraciques pour soutenir leurs lourdes têtes. Les queues chez les mammifères varient énormément, allant de l'absence de queue chez certains primates à de longues queues préhensiles chez certains singes. Cela soulève la question : comment les différences de taille et de forme des vertèbres se développent-elles au fil du temps ?

#Comment les vertèbres se développent

Les vertèbres proviennent de différentes parties de l'embryon. Le crâne se forme à partir de la crête neurale et des tissus voisins, les membres se développent à partir de bourgeons qui viennent de la plaque latérale, et le squelette vertébral provient des Somites. La recherche a montré comment se forment les somites, qui sont des blocs de tissu dans le tronc et la queue. Le rythme auquel ces somites se forment est contrôlé par une horloge moléculaire et le nombre de somites détermine le nombre de vertèbres qu'un animal aura. Certaines espèces, comme les serpents, peuvent avoir beaucoup de vertèbres grâce à ce processus.

Au fur et à mesure que les somites se développent, ils acquièrent des identités spécifiques basées sur leur position dans le corps, ce qui est contrôlé par les Gènes Hox. Ces gènes s'expriment dans un ordre spécifique qui correspond à leur agencement dans le génome. Les gènes Hox aident à définir les différents types de vertèbres, comme cervicales (cou), thoraciques (poitrine), lombaires (bas du dos), sacrées (pelviennes) et vertèbres de la queue. Par exemple, si les gènes Hox10 ne fonctionnent pas correctement, les vertèbres lombaires peuvent devenir similaires en forme aux vertèbres thoraciques, ce qui serait inhabituel.

Une fois que les somites se transforment en cartilage qui deviendra plus tard l'os, on sait moins de choses sur la manière dont ils acquièrent leurs formes et tailles uniques. Chaque vertèbre a une partie centrale et divers processus qui créent des articulations avec les vertèbres adjacentes et fournissent des sites d'attache pour les muscles. Bien que la forme de base des vertèbres soit simple, leurs longueurs peuvent varier pas mal, même parmi des vertèbres voisines.

Fait intéressant, le squelette vertébral a une histoire évolutive différente de celle du squelette des membres, antérieure aux os des membres d'au moins 60 millions d'années. Les vertèbres et les os des membres croissent par le même processus appelé ossification enchondrale. Alors qu'on en a appris beaucoup sur la façon dont les os des membres grandissent en longueur, on sait beaucoup moins sur la façon dont les vertèbres grandissent différemment.

#Un modèle d'étude : le petit jerboa égyptien

Pour mieux comprendre ces différences de croissance squelettique, les chercheurs étudient le petit jerboa égyptien. Cet animal marche sur deux pattes et a des membres postérieurs et des pieds plus longs par rapport aux souris de laboratoire typiquement quadrupèdes. Le jerboa a aussi une queue remarquablement longue qui mesure 1,5 fois la longueur de la queue d'une souris quand on prend en compte la taille du corps. Étonnamment, cette longue queue a moins de vertèbres que celle d'une souris. Les vertèbres individuelles dans la queue du jerboa sont beaucoup plus longues, créant une différence significative dans la longueur de la queue par rapport à la taille du corps.

Grâce à l'analyse des jerboas et des souris, les chercheurs peuvent observer comment les vertèbres se développent au fil du temps. Ils suivent la croissance de la queue et des vertèbres individuelles depuis la naissance jusqu'à la maturité, en se concentrant sur le moment où les différences de longueur et de proportions apparaissent.

À la naissance, les queues des souris et des jerboas font environ la moitié de la longueur de leur corps. Cependant, lorsque les jerboas atteignent environ trois semaines, la queue du jerboa commence à grandir beaucoup plus longtemps par rapport à sa taille corporelle, tandis que la queue de la souris reste plus proche de la longueur du corps. Ce schéma de croissance se poursuit jusqu'à ce que le jerboa atteigne des proportions adultes complètes.

#Croissance cellulaire dans les vertèbres de la queue

Les vertèbres se développent par ossification enchondrale de leurs cartilages de croissance. Pour comprendre comment les taux de croissance diffèrent entre les vertèbres des jerboas et des souris, les chercheurs se sont concentrés sur les vertèbres qui ont montré le plus et le moins de croissance. En marquant l'os avec un colorant fluorescent, ils peuvent mesurer à quelle vitesse ces cartilages de croissance s'allongent.

L'étude trouve que chez la souris, la croissance de la première vertèbre de la queue est plus lente que celle de la sixième vertèbre. En revanche, la première vertèbre du jerboa grandit plus vite que sa sixième. Les vertèbres de la queue du jerboa croissent globalement beaucoup plus vite que celles des souris. La hauteur du cartilage de croissance aide à indiquer à quelle vitesse ces vertèbres peuvent croître, avec des hauteurs plus grandes suggérant une croissance plus rapide.

Durant cette étude, les chercheurs ont mesuré plusieurs aspects des cartilages de croissance, comme leur hauteur totale, la hauteur de zones spécifiques dans le cartilage, et la taille des Chondrocytes, qui sont des cellules impliquées dans la formation du cartilage. Ils ont découvert que les vertèbres de la queue du jerboa ont des zones de croissance plus hautes, ce qui suggère que plus de cellules sont impliquées dans le processus de croissance, menant ainsi à un taux de croissance plus élevé.

En revanche, la taille des chondrocytes, qui peut influencer la vitesse globale de croissance, ne montre pas de grandes différences chez la souris. Cependant, la sixième vertèbre du jerboa a des chondrocytes beaucoup plus grands que ceux trouvés dans les autres cartilages de croissance vertébraux, ce qui contribue à son allongement rapide.

#Mécanismes moléculaires de croissance

En plus d'étudier comment les vertèbres croissent, les chercheurs examinent les facteurs génétiques qui conduisent à ces différences. En comparant les expressions génétiques entre jerboas et souris, ils peuvent identifier quels gènes sont responsables des motifs de croissance uniques observés dans la queue du jerboa. Ces analyses révèlent de nombreux gènes impliqués dans les processus de développement et d'allongement du cartilage.

Parmi les gènes candidats identifiés, un acteur clé est NPR3, qui apparaît dans diverses études liées à la croissance des membres et des vertèbres. NPR3 est impliqué dans des voies de signalisation qui aident à réguler les taux de croissance. Fait intéressant, alors que les niveaux de NPR3 sont plus élevés chez les jerboas, il joue aussi un rôle dans la limitation de la croissance excessive en régulant l'activité d'autres signaux impliqués dans le développement osseux.

Pour voir comment les changements dans NPR3 pourraient affecter la croissance de la queue, les chercheurs ont créé des souris knockout qui manquent ce gène. Ils ont observé que ces souris avaient des queues plus longues, indiquant que NPR3 inhibe généralement la croissance de la queue.

#Résumé des résultats

Les observations tirées de l'étude des jerboas et des souris fournissent des informations précieuses sur la façon dont les vertèbres grandissent et évoluent. Les différences dans la longueur des vertèbres et le nombre de vertèbres ne sont pas seulement déterminées par des processus de développement mais sont aussi influencées par des mécanismes génétiques. L'étude des jerboas éclaire les facteurs cellulaires qui conduisent à la croissance, tout en mettant en évidence des gènes importants qui jouent des rôles dans la régulation de ces processus.

En gros, cette recherche souligne la complexité du développement squelettique chez les mammifères, notamment la manière dont les vertèbres peuvent atteindre une variété de tailles et de proportions. Les résultats suggèrent de potentielles voies pour de futures investigations sur la façon dont différentes espèces adaptent leurs structures squelettiques pour répondre à leurs besoins écologiques. Ce travail ouvre la voie à la compréhension des bases génétiques et cellulaires derrière la diversité squelettique, et ses implications se répercutent tant en biologie évolutive que dans des applications potentielles en médecine.

Avec de nouvelles techniques et modèles, les chercheurs sont mieux équipés pour découvrir les détails complexes de la façon dont les mammifères développent leurs squelettes et la diversité qui découle de ces processus. Cette compréhension enrichit non seulement nos connaissances sur la biologie des mammifères mais peut aussi informer les efforts de conservation et l'étude des adaptations évolutives.

#Conclusion

Le voyage pour comprendre la diversité squelettique des mammifères continue, révélant des couches de complexité dans le développement et l'évolution des vertèbres. En étudiant des espèces comme le petit jerboa égyptien, les scientifiques peuvent explorer les fondations cellulaires et moléculaires qui contribuent à la vaste gamme de structures vertébrales trouvées dans le royaume animal aujourd'hui. Les connaissances acquises grâce à de telles études non seulement éclairent notre compréhension de l'évolution des mammifères mais posent également des questions intrigantes pour des recherches futures en biologie et en génétique.