Comment la girafe a-t-elle obtenu son long cou ?

UNIVERSITY PARK, Pa. – Pour la première fois, les génomes de la girafe et de son plus proche parent vivant, l’okapi reclus de la forêt tropicale africaine, ont été séquencés – révélant les premiers indices sur les changements génétiques qui ont conduit à l’évolution du cou exceptionnellement long de la girafe et à son classement record en tant qu’espèce terrestre la plus haute du monde. Ces recherches seront publiées dans la revue scientifique Nature Communications le 17 mai 2016.
« La stature de la girafe, dominée par son long cou et ses longues pattes et une hauteur totale qui peut atteindre 19 pieds (~ 6 m), est un exploit extraordinaire de l’évolution qui inspire l’admiration et l’émerveillement depuis au moins 8 000 ans – aussi loin que les célèbres gravures rupestres de Dabous en République du Niger », a déclaré Douglas Cavener de Penn State, qui a dirigé l’équipe de recherche avec Morris Agaba de l’Institut africain Nelson Mandela pour la science et la technologie en Tanzanie.

Comment la girafe a-t-elle obtenu son long cou ? Des indices sont maintenant révélés par un nouveau séquençage du génome. Pour la première fois, les génomes de la girafe et de son plus proche parent vivant, l’okapi reclus de la forêt tropicale africaine, ont été séquencés — révélant les premiers indices sur les changements génétiques qui ont conduit à l’évolution du cou exceptionnellement long de la girafe et à son classement record en tant qu’espèce terrestre la plus haute du monde. Ces travaux sont publiés dans la revue scientifique Nature Communications. Douglas Cavener de Penn State a dirigé l’équipe de recherche avec Morris Agaba de l’Institut africain Nelson Mandela pour la science et la technologie en Tanzanie.

Penn State

« Les changements évolutifs requis pour construire la structure imposante de la girafe et la doter des modifications nécessaires pour son sprint à grande vitesse et ses puissantes fonctions cardiovasculaires sont restés une source de mystère scientifique depuis les années 1800, lorsque Charles Darwin a commencé à s’interroger sur les origines évolutives de la girafe », a déclaré M. Cavener, professeur de biologie et doyen Verne M. Willaman de la faculté Eberly. Willaman, doyen de l’Eberly College of Science de Penn State. Le cœur de la girafe, par exemple, doit pomper le sang à deux mètres de hauteur afin de fournir un apport sanguin suffisant à son cerveau. Cet exploit est possible parce que le cœur de la girafe a évolué pour avoir un ventricule gauche exceptionnellement grand, et l’espèce a également une pression artérielle deux fois plus élevée que celle des autres mammifères.
Pour identifier les changements génétiques susceptibles d’être responsables des caractéristiques uniques de la girafe, y compris des sprints pouvant atteindre 37 miles par heure (60 km/h), Cavener et Agaba ont comparé les séquences de codage génétique de la girafe et de l’okapi à plus de 40 autres mammifères, dont la vache, le mouton, la chèvre, le chameau et l’homme. « Les séquences génétiques de l’okapi sont très similaires à celles de la girafe parce que l’okapi et la girafe ont divergé à partir d’un ancêtre commun il y a seulement 11 à 12 millions d’années, ce qui est relativement récent sur l’échelle de temps de l’évolution », a déclaré Cavener. « Malgré cette étroite relation évolutive, l’okapi ressemble davantage à un zèbre et n’a pas la taille imposante de la girafe ni ses impressionnantes capacités cardiovasculaires. Pour ces deux raisons, la séquence génomique de l’okapi fournit un écran puissant que nous avons utilisé pour identifier certaines des modifications génétiques uniques de la girafe. »
Utilisant une batterie de tests comparatifs pour étudier les séquences génomiques de la girafe et de l’okapi, les scientifiques ont découvert 70 gènes qui présentaient de multiples signes d’adaptations. « Ces adaptations comprennent des substitutions uniques de séquences d’acides aminés qui sont censées modifier la fonction des protéines, la divergence des séquences de protéines et la sélection naturelle positive », a déclaré Cavener. Plus de la moitié des 70 gènes codent pour des protéines connues pour réguler le développement et la physiologie du système squelettique, cardiovasculaire et nerveux – exactement le type de gènes prédits comme étant nécessaires pour conduire le développement des caractéristiques uniques de la girafe.
Parmi les découvertes de l’équipe de recherche, plusieurs gènes connus soit pour réguler le développement du système cardiovasculaire, soit pour contrôler la pression artérielle, figurent parmi les gènes montrant de multiples signes d’adaptation chez la girafe. Certains de ces gènes contrôlent à la fois le développement cardiovasculaire et le développement du squelette, ce qui suggère la possibilité intrigante que la stature de la girafe et son système cardiovasculaire turbo ont évolué de concert par des changements dans un petit nombre de gènes.
Les scientifiques ont également découvert des indices génétiques sur l’évolution du long cou et des jambes de la girafe, qui ont le même nombre d’os que le cou et les jambes des humains et des autres mammifères. « Pour atteindre leur longueur extraordinaire, les vertèbres cervicales et les os des pattes des girafes ont évolué pour s’allonger considérablement », a déclaré Cavener. « Au moins deux gènes sont nécessaires – un gène pour spécifier la région du squelette à développer davantage et un autre gène pour stimuler cette croissance accrue. » Parmi les 70 gènes que les recherches de l’équipe ont révélé être nettement différents chez la girafe, les scientifiques ont identifié des gènes connus pour réguler ces deux fonctions.
« Le plus intriguant de ces gènes est FGFRL1, qui a un groupe de substitutions d’acides aminés uniques à la girafe qui sont situés dans la partie de la protéine qui lie les facteurs de croissance des fibroblastes – une famille de régulateurs impliqués dans la régulation de nombreux processus, y compris le développement embryonnaire », a déclaré Cavener. Cette voie des facteurs de croissance des fibroblastes joue un rôle crucial dans le contrôle du développement, qui commence au début du développement de l’embryon et se poursuit pendant la phase de croissance osseuse après la naissance de la girafe. Chez l’homme et aussi chez la souris, de graves défauts squelettiques et cardiovasculaires sont associés à des mutations débilitantes de ce gène.
Les scientifiques ont également identifié quatre gènes homéobox – du type de ceux qui interviennent dans le développement des structures corporelles – qui sont connus pour spécifier les régions de la colonne vertébrale et des jambes. Cavener spécule : « La combinaison des changements dans ces gènes homeobox et le gène FGFRL1 pourrait fournir deux des ingrédients nécessaires à l’évolution du long cou et des longues jambes de la girafe. »
Agaba a d’abord remarqué un groupe de gènes régulant le métabolisme et la croissance qui divergeaient chez la girafe par rapport à l’okapi. L’un de ces gènes code le récepteur de l’acide folique, qui est une vitamine B essentielle nécessaire à une croissance et un développement normaux. D’autres gènes métaboliques dont les scientifiques ont constaté la modification significative chez la girafe sont ceux impliqués dans le métabolisme des acides gras volatils générés par la fermentation des plantes ingérées – la principale source d’énergie de la girafe et d’autres ruminants comme les bovins et les chèvres. La girafe a un régime inhabituel de feuilles et de gousses d’acacia, qui sont très nutritives mais également toxiques pour les autres animaux. Les scientifiques supposent que les gènes responsables du métabolisme des feuilles d’acacia ont pu évoluer chez la girafe afin de contourner cette toxicité.
Cavener et Agaba, tous deux généticiens expérimentaux, se disent impatients de tester la fonction de certains des gènes identifiés qui, selon eux, pourraient être responsables des caractéristiques uniques de la girafe. Leur équipe de recherche teste actuellement l’effet potentiel des différences uniques du gène FGFRL1 de la girafe en introduisant ces changements chez des souris à l’aide des nouvelles méthodes d’édition génétique CRISPR. La substitution du gène FGFRL1 de la girafe chez la souris ne devrait pas donner naissance à une souris à long cou. Cependant, les scientifiques espèrent voir comment le gène FGFRL1 de la girafe peut affecter la croissance différentielle de la colonne vertébrale et des pattes des souris qui est prédictive des caractéristiques uniques de la girafe.
« Nous espérons que la publication du génome de la girafe et les indices de sa biologie unique attireront l’attention sur cette espèce à la lumière du récent déclin précipité des populations de girafes », a déclaré Cavener. « Alors que le sort de l’éléphant – le compagnon plus court de la girafe dans la savane africaine – a reçu la part lions de l’attention, les populations de girafes ont diminué de 40 pour cent au cours des 15 dernières années en raison du braconnage et de la perte d’habitat (http://www.giraffeconservation.org). À ce rythme de déclin, le nombre de girafes à l’état sauvage passera sous la barre des 10 000 d’ici la fin du siècle. Certaines sous-espèces de girafes sont déjà au bord de l’extinction. »
En plus d’Agaba et Cavener, les autres membres de l’équipe de recherche sont Edson Ishengoma de l’Institut africain Nelson Mandela pour la science et la technologie ; Webb C. Miller, Barbara C. McGrath, Chelsea Hudson, Oscar C. Bedoya Reina, Aakrosh Ratan, Rico Burhans, Rayan Chikhi, Paul Medvedev, Craig A. Praul, Lan Wu-Cavener et Brendan Wood de Penn State ; Heather Robertson du zoo de Nashville ; et Linda Penfold du White Oak Conservancy.
Cette recherche a bénéficié du soutien financier de Penn State, des instituts Huck des sciences de la vie de Penn State et de l’Institut africain Nelson Mandela pour la science et la technologie.

Les séquences génétiques de l’okapi sont très similaires à celles de la girafe parce que l’okapi et la girafe ont divergé d’un ancêtre commun il y a seulement 11 à 12 millions d’années – relativement récemment sur une échelle de temps d’évolution. Malgré cette étroite relation évolutive, l’okapi ressemble davantage à un zèbre et n’a pas la taille imposante de la girafe ni ses impressionnantes capacités cardiovasculaires. Pour ces deux raisons… Lire la suite ‘

IMAGE : Creative Commons License CCBY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en) Utilisateur Animal A-Z : Raul654
Une griffe Masai mâle adulte dans le parc national de Mikumi, en Tanzanie. Crédit photo : Doug Cavener

IMAGE : Crédit photo : Doug Cavener
Une girafe femelle adulte dans la zone de conservation de Ngorongoro, en Tanzanie. Crédit photo : Doug Cavener

IMAGE : Crédit photo : Doug Cavener

Girafe Masaï mâle adulte dans le parc national du Serengeti, en Tanzanie. Crédit photo : Doug Cavener

IMAGE : Crédit photo : Doug Cavener
L’auteur de la recherche Doug Cavener avec une girafe Masai mâle adulte au zoo de Nashville, Nashville, Tennessee USA.