L'origine génétique et embryonnaire commune des doigts et du pénis

Quand les propos graveleux préfigurent la génétique de pointe …

Des recherches récentes - par l'équipe du Prof. Duboule notamment - montrent des similitudes entre le systèmes d'activation  des gènes conduisant au développement embryonnaire des doigts et du pénis ou du clitoris.  La très grande similitude entre les systèmes et surtout leur activation indique une origine commune.
Ainsi les remarques grossières comparant un doigts et le pénis ne sont pas complètement fausses. Cela plaira surement aux adolescents... et peut être une façon d'aborder l'embryologie?
Vraisemblablement aussi bien les doigts que le pénis sont donc apparus lors du passage de certains vertébrés à la vie terrestre pour permettre la locomotion hors de l'eau et  la fécondation interne (en milieu humide malgré un environnement sec).  Du coup, la question de l'antériorité se pose : «ces deux innovations ont été d'égale importance en termes de valeur adaptative lors du passage des animaux vertébrés d'un environnement aquatique à un milieu terrestre», commente Nicolas Lonfat l'un des auteurs de la publication. doi:10.1126/science.1257493 (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…).


Fig 1: Les mêmes systèmes de gènes sont exprimés dans les doigts et les organes génitaux externes [img] source Lonfat, N., & al. (2014).

Les gènes architectes Hox orchestrent le développement.

Au cours du développement des mammifères, la croissance et l'organisation des doigts sont placées sous l'égide des gènes Hox, qui sont activés de façon précoce dans des régions précises de l'embryon. Ces gènes «architectes» sont eux-mêmes régulés par une grande séquence d'ADN adjacente. Or, une étude menée par Denis Duboule, professeur à l'Université de Genève (UNIGE) et à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), révèle que cette même séquence régulatrice d'ADN préside aussi le bal des gènes architectes lors du développement des organes génitaux externes. Les chercheurs ont observé que les doigts et les organes génitaux sont issus de la mise en œuvre des mêmes mécanismes très anciens, et que ce sont de petites différences dans l'utilisation des séquences d'ADN de régulation qui aiguillent vers la formation de telle ou telle structure. Ces résultats de recherche sont publiés dans le dernier numéro de la revue Science.

Leurs régions régulatrices sont similaires entre les doigts et les organes génitaux

Durant notre développement embryonnaire, la formation et la mise en place des structures du corps sont orchestrées par une famille de 'gènes architectes' nommée Hox, dont chacun des composants fournit une instruction précise à un moment opportun. Le groupe de Denis Duboule, généticien à l'UNIGE et à l'EPFL, avait déjà démontré que les gènes Hox responsables de l'apparition des doigts étaient eux-mêmes contrôlés par des séquences d'ADN spécifiques situées dans une région adjacente, qui, elles, agissent comme des interrupteurs moléculaires en activant ou inhibant l'expression des gènes ciblés.

De petites différences à l'impact déterminant

Certains gènes Hox (Cf Bio-Tremplins du 5 avril 2011) ont la capacité d'organiser le plan de construction du corps à des échelles différentes: une fois l'axe antéropostérieur établi, ce sont ainsi les mêmes gènes qui sont recrutés pour le développement des doigts et des organes génitaux externes. «Nous avons voulu déterminer comment s'effectue la régulation de gènes Hox identiques exprimés dans des contextes aussi différents», explique Nicolas Lonfat, doctorant au Laboratoire de génomique développementale de l'EPFL et chercheur très impliqué dans ces résultats.

La conformation des chromosomes dans le noyau comme indicateur d'expression des gènes

A l'UNIGE et à l'EPFL, des chercheurs du laboratoire de Denis Duboule ont alors collaboré pour répondre à cette question. Recourant notamment à une technique de pointe, la «capture de conformation chromosomique», (Cf.  Bio-Tremplins du 14Novembre 2011) ils ont pu démontrer, à l'aide de lignées d'embryons de souris, que la même séquence d'ADN régulatrice contrôle les gènes architectes pendant la croissance des organes génitaux et des extrémités des pattes. «Des mécanismes ancestraux identiques sont mis en œuvre, explique Denis Duboule. Ils conduisent soit à la formation du pénis ou du clitoris, soit à la production des doigts, suivant de petites différences dans l'utilisation des séquences d'ADN de régulation».

Ces résultats illustrent bien les mécanismes de l'évolution: des gènes qui ont été sélectionné peuvent être dupliqués et réutilisées à d'autres fonctions.

"Our results suggest that TADs (topologically associating domain)  may act as genomic niches where tissue-specific factors can hijack global transcriptional readout from one cell type to the other. Although the use of the same regulatory landscape in digits and genitals indeed suggests that it was coopted from one context to the other, it is admittedly difficult to establish whether digits hijacked this regulation from genitals or vice versa."
 

Des doigts ou des organes génitaux externes, qui est apparu en premier?

Des doigts ou des organes génitaux externes, lesquels seraient apparus en premier? Car il est en effet probable que l'une de ces deux structures ait précédé l'autre au cours de l'évolution et que la seconde ait même «détourné» à son profit le fonctionnement des gènes Hox de la première. «Il est cependant difficile de conclure, car ces deux innovations ont été d'égale importance en termes de valeur adaptative lors du passage des animaux vertébrés d'un environnement aquatique à un milieu terrestre», commente Nicolas Lonfat. En effet, si les doigts ont sans doute été essentiels à la locomotion sur la terre ferme, le pénis a participé du développement d'un mode de fécondation interne, un changement indispensable pour pallier l'absence de milieu liquide environnant.
Les très grandes similarités observées au niveau génétique dans la construction de ces structures corporelles, pourtant fort différentes, expliquent par ailleurs pourquoi certains syndromes génétiques sont associés à la fois à des malformations des doigts, telles que la polydactylie ou la brachydactylie, et du pénis, telles que l'hypospadias.

D'autres recherches sur ces thèmes susceptibles d'intéresser les adolescents … de tous âges !

• Les serpents et les lézards ont deux pénis, et ils sont issus des deux membres arrière qu'ils ont -ou auraient pu- avoir selon Tschopp, P., et al., (2014). doi:10.1038/nature13819 (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…).

"In snakes and lizards, the penis arises from what will become—or, in snakes, would have been—the beginnings of the back legs, whereas in mice, some of the cells destined to become the tail take on that task. Penis formation in the chicken involved cells from the would-be tail and the would-be hindlimb, the team reports."  Tschopp, P., et al., (2014)

• La comparaison du génome humain et du chimpanzé révèle - entre autres - que les gènes pour les épines du pénis ont été perdues (McLean, C. Y., et al., 2011). doi:10.1038/nature09774 (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…).

"We confirm 510 such deletions in humans, which fall almost exclusively in non-coding regions and are enriched near genes involved in steroid hormone signalling and neural function. One deletion removes a sensory vibrissae and penile spine enhancer from the human androgen receptor (AR) gene, a molecular change correlated with anatomical loss of androgen-dependent sensory vibrissae and penile spines in the human lineage"  McLean, C. Y., et al., (2011).

    McLean, C. Y., et al. citent Hill, W. C. O. (1946)

"The surface of the glans is beset, especially on its lateral surface, with numerous low, horny elevations, of yellowish-brown colour, sharply distinguished from the pale rosy tint of the remainder of the epithelial covering. These papillae are hard t o the touch and impart a roughness to the finger". Hill, W. C. O. (1946).

Fig 2: Les épines péniennes ici un chat [img] source Wikipedia

Peut-être que c'est plus romantique ainsi pour les humain. Surtout les humaines ?

•  La taille n'est pas tout. Sa longueur au repos est plus attirante jusqu'à un certain point, et seulement en rapport avec les proportions (le ratio hanches/épaules)
  "suggestions that human penis size partly evolved because of female choice. Here we show, based upon female assessment of digitally projected life-size, computer-generated images, that penis size interacts with body shape and height to determine male sexual attractiveness."  Mautz, B. S.,et al.  (2013).
   

Sources :

• Mautz, B. S., Wong, B. B. M., Peters, R. A., & Jennions, M. D. (2013). Penis size interacts with body shape and height to influence male attractiveness. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(17), 6925‑6930. doi:10.1073/pnas.1219361110
• Lonfat, N., Montavon, T., Darbellay, F., Gitto, S., & Duboule, D. (2014). Convergent evolution of complex regulatory landscapes and pleiotropy at Hox loci. Science, 346(6212), 1004‑1006. doi:10.1126/science.1257493
• McLean, C. Y., Reno, P. L., Pollen, A. A., Bassan, A. I., Capellini, T. D., Guenther, C., … Kingsley, D. M. (2011). Human-specific loss of regulatory DNA and the evolution of human-specific traits. Nature, 471(7337), 216‑219. doi:10.1038/nature09774
• Mystery solved: Where the penis comes from. (s. d.). [Text]. Consulté 19 février 2015, à l'adresse http://news.sciencemag.org/biology/2014/11/mystery-solved-where-penis-comes
• Tschopp, P., Sherratt, E., Sanger, T. J., Groner, A. C., Aspiras, A. C., Hu, J. K., … Tabin, C. J. (2014). A relative shift in cloacal location repositions external genitalia in amniote evolution. Nature, 516(7531), 391‑394. doi:10.1038/nature13819
• Hill, W. C. O. (1946). Note on the Male External Genitalia of the Chimpanzee. Proceedings of the Zoological Society of London, 116(1), 129‑132. doi:10.1111/j.1096-3642.1946.tb00111.x
  
  

F. Lombard 
Je tiens à remercier Cédric Lorétan de l'Université de Genève pour ses remarques et commentaire sur les versions préliminaires de ce texte.

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