How opsins diversified after the teleost whole-genome duplication: Insights from two parietopsins of the red piranha, Pygocentrus nattereri

La lumière est bien plus qu'un simple signal pour la vue ; pour de nombreux animaux, elle est une horloge, une boussole et un moyen de percevoir le monde au-delà du champ de vision immédiat. Pour interpréter la lumière, les animaux s'appuient sur une famille de protéines sensibles à la lumière appelées opsines. Ces protéines agissent comme de minuscules interrupteurs à l'intérieur des cellules, s'activant lorsqu'elles captent un photon et déclenchant une chaîne d'événements qui informe le cerveau de ce qui se passe à l'extérieur. Si les humains et de nombreux autres animaux possèdent un ensemble standard de ces interrupteurs pour la vision, un groupe de poissons, les téléostéens, a subi il y a des millions d'années un événement génétique massif appelé duplication de l'ensemble du génome. Imaginez une bibliothèque où chaque livre aurait été soudainement photocopié et ajouté de nouveau sur les étagères. Cette duplication a donné à ces poissons des copies supplémentaires de leurs instructions génétiques, y compris celles des opsines. Au fil du temps, ces copies supplémentaires ont pu changer, permettant aux poissons de développer de nouvelles façons de percevoir la lumière, peut-être pour naviguer à différentes profondeurs ou à différents moments de la journée. Les scientifiques se sont longtemps demandé comment ces copies supplémentaires ont réellement modifié la capacité des poissons à percevoir le monde, mais les réponses sont restées insaisissables car beaucoup de ces changements sont subtils et se produisent dans des parties du cerveau que nous ne pouvons pas facilement observer.

Une équipe de chercheurs a décidé d'examiner de près un type spécifique de capteur de lumière appelé parietopsine, que l'on trouve dans la glande pinéale, une petite structure du cerveau souvent appelée « troisième œil ». Chez la plupart des poissons, il n'existe qu'une seule version de ce capteur. Cependant, le piranha rouge, un poisson d'Amérique du Sud, a conservé deux versions différentes, connues sous les noms de PT1 et PT2, probablement à cause de cette ancienne duplication génétique. Les scientifiques voulaient savoir si ces deux versions étaient simplement des doublons effectuant le même travail, ou si elles avaient évolué pour faire quelque chose de différent. Ils se sont concentrés sur trois questions clés : quelles couleurs de lumière chaque version détecte-t-elle, quels signaux chimiques envoient-elles à l'intérieur de la cellule lorsqu'elles sont frappées par la lumière, et où exactement dans le cerveau sont-elles situées ?

Pour trouver les réponses, les chercheurs ont d'abord examiné les propriétés d'absorption de la lumière des deux capteurs du piranha. Ils ont créé les protéines dans une boîte de Petri en laboratoire et ont mesuré la couleur spécifique de la lumière qui les rendait les plus actives. Ils ont découvert que les deux versions étaient très similaires, l'une atteignant un pic à une longueur d'onde de 517 nanomètres et l'autre à 528 nanomètres. Ces chiffres représentent des nuances de lumière verte, et la différence entre les deux est faible, ce qui suggère que les deux capteurs voient approximativement la même partie du spectre coloré. L'équipe a également examiné d'autres poissons, comme le tétra du Mexique et le poisson-chat japonais, qui ont perdu l'une des deux versions au fil du temps. Leurs capteurs absorbaient également la lumière verte, bien qu'avec de légères variations, confirmant que la capacité fondamentale de voir le vert a été préservée chez ces espèces.

La véritable surprise est survenue lorsque les chercheurs ont testé ce qui se passait à l'intérieur des cellules lors de l'exposition de ces capteurs à la lumière. Ils ont utilisé un essai spécial pour mesurer les niveaux d'un messager chimique appelé AMPc, qui agit comme un signal pour ordonner à la cellule de réagir. Lorsqu'ils ont éclairé des cellules contenant le capteur PT1, le niveau de ce messager chimique a augmenté. Cependant, lorsqu'ils ont éclairé des cellules contenant le capteur PT2, le niveau a diminué. C'est une différence cruciale : les deux capteurs, qui semblent presque identiques et voient les mêmes couleurs, envoient en réalité des commandes opposées à la cellule. L'un dit à la cellule d'activer un processus, tandis que l'autre lui dit de l'arrêter. Les chercheurs ont également vérifié un autre type de signal impliquant le calcium, un messager chimique courant dans le corps, mais n'ont trouvé qu'aucune réponse claire dans cette voie de signalisation dans leurs conditions de test.

Enfin, l'équipe a cartographié l'emplacement de ces capteurs à l'intérieur du cerveau du piranha. En utilisant une technique qui permet de voir les instructions génétiques de ces protéines briller sous un microscope, ils ont découvert que PT1 et PT2 se trouvent souvent dans les mêmes cellules. En fait, elles sont fréquemment co-exprimées avec un troisième capteur appelé parapinopsine, qui est sensible à la lumière ultraviolette. Les chercheurs ont compté les cellules et ont découvert que près de la moitié des cellules contenant le capteur ultraviolet contenaient également les deux capteurs de lumière verte. Cela signifie qu'une seule cellule du cerveau du piranha est équipée d'une boîte à outils complexe : elle peut détecter la lumière ultraviolette, et elle peut détecter la lumière verte en utilisant deux interrupteurs différents qui envoient des signaux opposés.

L'étude suggère que la duplication du génome n'a pas seulement donné au piranha davantage de la même chose. Au lieu de cela, elle a permis un ajustement précis de la manière dont le cerveau traite la lumière. En possédant deux capteurs qui détectent la même couleur mais envoient des signaux opposés, le piranha pourrait être capable d'ajuster sa sensibilité à la lumière avec une grande précision, peut-être pour gérer plus efficacement les changements de luminosité de son environnement qu'un poisson doté d'un seul capteur. Les chercheurs notent que ce type de signalisation opposée n'a pas été observé auparavant dans cette famille spécifique de capteurs de lumière chez d'autres animaux. Bien que l'objectif exact de cette configuration dans la nature reste un mystère, cette découverte souligne que l'évolution de la vision ne concerne pas seulement la perception de plus de couleurs, mais aussi la manière dont le cerveau interprète ces couleurs à travers des messages chimiques complexes et parfois opposés. Le piranha rouge, avec son histoire génétique unique, offre une fenêtre claire sur la façon dont la nature expérimente avec ces interrupteurs moléculaires pour construire des manières sophistiquées de percevoir le monde.