From promiscuity to specialization: The origin of cholinergic and monoaminergic signaling is pre-bilaterian

Depuis plus d'un siècle, les biologistes comprennent que les animaux communiquent par un langage chimique complexe. Les cellules nerveuses libèrent de minuscules molécules appelées neurotransmetteurs pour dire aux autres cellules quoi faire, qu'il s'agisse de contracter un muscle, d'envoyer un signal au cerveau ou de modifier un comportement. Parmi les plus importants de ces messagers figure un groupe connu sous le nom d'amines biogènes, qui comprend des substances familières comme la dopamine et la sérotonine, ainsi que l'acétylcholine. Pendant des décennies, la vision prédominante était que ce système chimique sophistiqué était une invention relativement récente, n'apparaissant qu'avec l'évolution des animaux bilatériens complexes — des créatures possédant un côté gauche et un côté droit, comme les humains, les insectes et les vers. On pensait que les animaux plus simples, tels que les éponges et les méduses, manquaient de la machinerie moléculaire spécifique requise pour produire, transporter et recevoir ces signaux, s'appuyant plutôt sur des formes de communication plus primitives.

Une nouvelle étude remet en question ce calendrier de longue date, suggérant que les racines de notre propre système nerveux remontent bien plus profondément dans l'histoire de la vie. En examinant les animaux les plus simples de la Terre, les chercheurs ont découvert que les outils chimiques de ce système de signalisation existaient bien avant que le premier animal bilatérien ne nage. Ils ont découvert que ces créatures anciennes possèdent les mêmes ingrédients de base pour fabriquer et utiliser ces neurotransmetteurs, mais qu'elles les utilisent de manière beaucoup plus générale et flexible. Le système complexe et spécialisé observé chez les humains et les autres animaux évolués semble être un raffinement ultérieur d'une boîte à outils ancienne et polyvalente qui était déjà présente chez l'ancêtre commun de tous les animaux.

Les chercheurs ont entrepris de tester si ces signaux chimiques étaient réellement absents chez les premiers animaux ou s'ils avaient simplement été négligés. Ils ont rassemblé des échantillons de quatre espèces distinctes représentant différentes branches de l'arbre généalogique animal : une éponge d'eau douce, un petit polype d'eau douce appelé Hydra, une anémone de mer et un ver marin. En utilisant une analyse chimique de haute sensibilité, ils ont cherché la présence de diverses amines biogènes. Les résultats étaient clairs : l'éponge, le polype et l'anémone contenaient tous des quantités mesurables d'acétylcholine, de dopamine, d'histamine, d'adrénaline et de plusieurs autres composés apparentés. L'éponge contenait même de l'adrénaline, une substance souvent associée à la réponse de « lutte ou fuite » chez les vertébrés. Cette découverte prouve à elle seule que ces molécules n'étaient pas l'exclusivité des animaux complexes ; elles étaient présentes chez des créatures qui ne possèdent ni cerveau centralisé ni système nerveux tel que nous le connaissons.

L'étape suivante consistait à comprendre comment ces animaux fabriquaient ces produits chimiques. Chez les animaux complexes, la production de neurotransmetteurs spécifiques est gérée par des enzymes hautement spécialisées, chacune conçue pour créer une seule molécule spécifique. Les chercheurs ont découvert que les animaux anciens ne possédaient pas ces enzymes spécialisées. Au lieu de cela, ils possédaient des versions plus anciennes et plus flexibles. Ces enzymes ancestrales étaient « promiscuites », ce qui signifie qu'une seule enzyme pouvait produire une grande variété de messagers chimiques différents à partir des mêmes matériaux de départ. Par exemple, l'enzyme responsable de la fabrication de l'acétylcholine chez les humains est un spécialiste dévoué. Chez l'éponge et le polype, l'équivalent est un généraliste qui traite principalement une tâche métabolique différente mais peut aussi produire de l'acétylcholine comme effet secondaire. Cela suggère que la capacité à produire ces signaux ne nécessitait pas une invention dédiée ; elle est née naturellement des processus métaboliques qui étaient déjà actifs dans les premières cellules.

L'étude a également examiné comment ces produits chimiques sont transportés et reçus. Chez les animaux complexes, des transporteurs spécifiques chargent les neurotransmetteurs dans de minuscules bulles de stockage, et des récepteurs spécifiques à la surface des cellules les captent. Les chercheurs ont découvert que les animaux anciens possédaient les versions à large spectre de ces transporteurs et récepteurs. Ils possédaient des transporteurs capables de déplacer de nombreux types de molécules différents, et des récepteurs capables de se lier à plusieurs signaux différents. Cependant, ils ont trouvé un indice crucial d'un système spécialisé chez le polype et l'anémone de mer. Ces animaux possèdent des récepteurs qui se lient spécifiquement à l'acétylcholine, et ils possèdent des cellules de type musculaire qui répondent à ce signal. Chez le polype, ces récepteurs se trouvent sur les cellules nerveuses, mais ils se trouvent également sur les cellules qui constituent la paroi du corps, suggérant que l'acétylcholine est utilisée pour coordonner le mouvement chez ces animaux simples, tout comme elle l'est dans nos propres muscles.

Cette découverte redéfinit notre compréhension de l'évolution des systèmes nerveux. Elle suggère que le langage chimique du système nerveux n'est pas apparu soudainement avec le premier animal complexe. Au contraire, les éléments de construction étaient déjà là, dispersés à travers les cellules des premiers animaux. Ces cellules utilisaient ces produits chimiques à des fins de communication générale et de métabolisme. Au fil de millions d'années, à mesure que les animaux devenaient plus complexes, les gènes de ces enzymes et récepteurs ont été copiés et modifiés. Ce processus de duplication a permis au système de devenir plus spécialisé, avec des enzymes dédiées produisant des signaux spécifiques et des récepteurs dédiés les lisant avec une grande précision. Le système de communication complexe et rapide du cerveau humain n'est donc pas une invention totalement nouvelle, mais une version hautement raffinée d'un système ancien à usage général qui est utilisé depuis l'aube de la vie animale.

Les chercheurs ont confirmé ces résultats en examinant les empreintes génétiques de ces animaux. Ils ont retracé l'histoire évolutive des gènes responsables de la fabrication et du transport de ces produits chimiques, montrant que les versions spécialisées trouvées chez les humains sont les descendantes directes des versions larges et flexibles trouvées chez les éponges et les méduses. Ils ont également utilisé la modélisation informatique pour prédire comment les récepteurs du polype se comporteraient, confirmant qu'ils sont structurellement capables de se lier à l'acétylcholine aussi fortement que les récepteurs humains. Cette convergence de la détection chimique, de l'analyse génétique et de la modélisation structurelle offre un tableau robuste du passé. Elle montre que la transition d'un signal chimique simple et général à un système nerveux complexe et spécialisé était un processus de spécialisation graduel, et non un saut soudain.

Les implications de ce travail vont au-delà de la simple compréhension du passé. Elles suggèrent que les mécanismes fondamentaux de la communication cellulaire sont profondément conservés à travers le règne animal. La capacité d'utiliser de petites molécules pour influencer le comportement cellulaire est une propriété qui remonte aux tout premiers animaux multicellulaires. Les systèmes spécialisés que nous voyons chez les humains sont construits sur ce fondement ancien. En étudiant les animaux les plus simples, les scientifiques peuvent voir les matières premières à partir desquelles notre propre biologie complexe a été construite. L'étude conclut que les systèmes de signalisation chimique sur lesquels nous comptons pour la pensée, le mouvement et la sensation ne sont pas uniques à nous, mais sont un trait hérité d'un ancêtre commun qui vivait il y a des centaines de millions d'années, bien avant l'existence du premier animal bilatérien.