Formation et évolution des organes sensoriels chez les insectes

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1 Formation et évolution des organes sensoriels chez les insectes Conférences Neuro-Évo-Dévo Masters SCN et GCDE - Université Paris Sud Virginie Orgogozo Bat. A, 5e étage, Paris 6

2 Introduction. Pourquoi étudier l!évo-dévo des organes sensoriels chez les insectes? I. Diversité des organes sensoriels des insectes II. III. Développement des organes sensoriels chez les insectes Évolution des organes sensoriels chez les insectes

3 Terminologie Système nerveux : ensemble de organes impliqués dans la réception, la traitement et l'émission des messages nerveux -> central : cerveau + corde nerveuse -> périphérique: organes sensoriels Wikipedia Hartenstein - Atlas of Drosophila Development

4 Divers types cellulaires dans le système nerveux 1. neurones 2. Cellules gliales, cellules support, cellules épidermiques, cellules du sang, etc. soutien, nutrition des neurones, environnement électrique des neurones, protection vis à vis des corps étrangers en cas de lésions, transmission de l'influx nerveux, développement, etc. Wikipedia

5 Pourquoi étudier l!évo-dévo du système nerveux? 1. Comprendre comment des processus biologiques complexes se sont mis en place au cours de l!évolution Ex: yeux et vision, locomotion terestre des tétrapodes, vol des insectes, des oiseaux, et des mammifères, language chez l!homme, écholocation 2. Élucider les mécanismes fondamentaux de l!évolution En utilisant le système nerveux comme modèle d!étude. Ici = mécanismes génétiques fondamentaux de l!évolution : peut-on prédire les gènes et les mutations qui sont responsables de l!évolution des traits de caractère? Regulatory sequence evolution are often the basis for the evolution of form -> est-ce vrai?

6 I. Diversité des organes sensoriels des insectes a. Divers types d!organes sensoriels b. Divers positionnements des organes II. Développement des organes sensoriels chez les insectes III. Évolution des organes sensoriels chez les insectes

7 I.a. Divers types d!organes sensoriels 2 types d!organes : organes sensoriels externes : organes sensoriels visibles à la surface de l!animal (yeux, organes mécanosensoriels, organes chimiosensoriels, organes olfactifs) organes sensoriels internes : organes sensoriels non visibles à la surface de l!animal (organes chordotonaux, neurones multidendritiques) Sitophilus granarius (guêpe) Tyrophagus casei (acarien) Sitophilus granarius (coléoptère) The Natural History Museum, London -

8 Oryzaephilus surinamensis (coléoptère) Cimex lectularius (punaise des lits) Vespula vulgaris (guêpe) Salticus senecus (araignée) Simulium damnosum (mouche) ant fourmi The Natural History Museum, London -

9 I.a.a Organes sensoriels externes Sensille chétique Sensille campaniforme Sensille gustative Sensille olfactive Schmidt et Gnatzy, Cell Tissue Research 237, mécanorécepteur chimiorécepteur * pas de pores à la surface du poil * un seul neurone (chez la plupart des insectes) * un pore à l!extrémité de la sensille * plusieurs neurones * plusieurs pores à la surface dela sensille * plusieurs neurones

10 Drosophila melanogaster Drosophila melanogaster Drosophila melanogaster Drosophila melanogaster Drosophila melanogaster Acheta Drosophila melanogaster

11 Sensille trichoïde (olfaction) Sensille chétique Sensille (mécanoréception) campaniforme (mécanoréception) Sensille trichoïde (gustation) Sensille basiconique (olfactif, hygrorécepteur ou thermorécepteur) Sensille coeloconique (olfactif, hygrorécepteur ou thermorécepteur) Pitts and Zwiebel Malaria Journal :26 Hartenstein 2004, -Comprenhensive Molecular Insect Science, vol. 1

12 Soies mécanosensorielles Peter G. Gillespie and Richard G. Walker - Nature 413,

13 Sensilles olfactives 2 organes olfactifs chez la drosophile adulte : et chez la larve : antenne palpe maxillaire Shanbag Atlas of Drosophila Development Scott Cell 104:

14 Sensilles olfactives molécule odorante cuticule Hartenstein 2004, -Comprenhensive Molecular Insect Science, vol. 1 Milieu extracellulaire (à l!intérieur de la sensille) OBP Milieu intracellulaire (dendrite du neurone) molécule odorante OBP=odorant binding protein Cascade de transduction OBP Or=odorant receptor protein =R à 7 segments transmembranaires couplé aux protéines G

15 Sensilles olfactives 1 organe olfactif = 2, 3 ou 4 neurones olfactifs chaque neurone olfactif = Or83b + un autre Or gene = 1 sensibilité olfactive à plusieurs odeurs van der Goes Nature 444,

16 Sensilles olfactives Chaque neurone olfactif projette vers un glomérule particulier dans le lobe antennaire Chen Nature Neuroscience 5,

17 Sensilles gustatives chez la drosophile adulte : aile, pattes, labellum, pharynx, génitalia femelle chez la larve : Scott Cell 104: De Bruyne Bioessays 28: 23-34

18 Sensilles gustatives molécule du goût Milieu extracellulaire liquide cuticule Milieu extracellulaire (à l!intérieur de la sensille) molécule du goût Gr=gustatory receptor protein =R à 7 segments transmembranaires couplé aux protéines G Milieu intracellulaire (dendrite du neurone) Cascade de transduction Ray 1993

19 Récepteurs des sensilles gustatives et olfactives dans le génome de D. melanogaster : + Vertebrate taste receptors Bargmann Nature 444, van der Goes Nature 444,

20 Exemple de sensille olfactive de l!antenne chez D. melanogaster Jones Nature 445, 86-90

21 I.a.a Organes sensoriels externes Sensille chétique Sensille campaniforme Sensille gustative Sensille olfactive Schmidt et Gnatzy, Cell Tissue Research 237, mécanorécepteur chimiorécepteur * pas de pores à la surface du poil * un seul neurone (chez la plupart des insectes) * un pore à l!extrémité du poil * plusieurs neurones * plusieurs pores à la surface du poil * plusieurs neurones

22 I.a.b Organes sensoriels internes 2 types : Organes chordotonaux Neurones multidendritiques

23 Organes chordotonaux Organes allongés constitués de 1 ou plusieurs neurones et cellules accessoires Attachés à la cuticule aux deux extrémites -> sensibles à l!étirement de la cuticule, propriocepteurs Attachés à une membrane rigide (=tympan) -> auditifs Merritt 1997

24 Neurones multidendritiques Hartenstein 2004, -Comprenhensive Molecular Insect Science, vol. 1 Organes constitués d!une seule cellule : le neurone Neurones non ciliés (tous les autres neurones sensoriels sont ciliés) -> propriorécepteurs -> thermorécepteurs -> nocicepteurs -> neurosécréteurs 100 µm

25 Cil chez les Vertébrés Wikipedia

26 I. Diversité des organes sensoriels des insectes a. Divers types d!organes sensoriels b. Divers positionnements des organes II. Développement des organes sensoriels chez les insectes III. Évolution des organes sensoriels chez les insectes

27 Évolution de la position des organes chez les larves trichomes (expansions cuticulaires non innervées) organes sensoriels externes McGregor Nature Hartenstein 2004, -Comprenhensive Molecular Insect Science, vol. 1

28 Évolution de la position des organes chez les adultes Ex : sur le thorax des Diptères microchète macrochète Simpson Development

29 Évolution de la position des organes chez les adultes Ex : sur le thorax des Diptères Nématocères Simpson Development macrochète microchète

30 Hartenstein - Atlas of Drosophila Development

31 John True D. elegans (mâles et femelles)

32 I. Diversité des organes sensoriels des insectes a. Divers types d!organes sensoriels b. Divers positionnements des organes II. Développement des organes sensoriels chez les insectes (modèle = D. melanogaster) III. Évolution des organes sensoriels chez les insectes

33 future tête Développement des organes sensoriels à la surface de l!embryon

34 Modèle général de formation des organes sensoriels Gènes impliqués Gènes de prépattern = gènes des voies de signalisation (Wnt, TGF, etc.) + facteurs de transcription Gènes proneuraux = achaete, scute, lethal of scute, atonal, amos = facteurs de transcription Gènes de spécification des cellules précurseurs = Senseless, Cut, etc. = facteurs de transcription Gènes de la voie de signalisation Notch Gènes impliqués dans les divisions cellulaires asymmétriques Ghysen et Dambly-Chaudière Trends Genet 5, Gènes de différentiation (tubuline, actine, Or, Gr, etc.)

35 Exemple : développement des macrochètes thoraciques adulte larve de 3e stade disque imaginal d!aile futur thorax future aile Simpson Trends in Genetics

36 Développement de D. melanogaster

37 Exemple : développement des macrochètes thoraciques adulte larve de 3e stade adc DC Simpson Trends in Genetics pdc asc psc Région cis-régulatrice de scute : 75kb 0kb SC futur thorax PA future aile scute dans le disque imaginal d!aile : (hybridation in situ) Marcellini PloS Biology

38 Exemple : développement des macrochètes thoraciques Gènes de prépattern : Iroquois (Iro-C), Bar, Pannier (Pnr), U-shaped (Ush) = facteurs de transcription Wingless (Wg), Decapentaplegic (Dpp) = voie de signalisation DC Gómez-Skarmeta Nature Reviews Neuroscience 4,

39 Modèle général de formation des organes sensoriels Gènes impliqués Gènes de prépattern = gènes des voies de signalisation (Wnt, TGF, etc.) + facteurs de transcription Gènes proneuraux = achaete, scute, lethal of scute, atonal, amos = facteurs de transcription Gènes de spécification des cellules précurseurs = Senseless, Cut, etc. = facteurs de trasncription Gènes de la voie de signalisation Notch Gènes impliqués dans les divisions cellulaires asymmétriques Ghysen et Dambly-Chaudière Trends Genet 5, Gènes de différentiation (tubuline, actine, Or, Gr, etc.)

40 Seule une cellule du groupe proneural va devenir la cellule précurseur de la soie inhibition latérale Sauvage Mutant Notch : pas d!inhibition latérale Hartenstein 2004, -Compre-hensive Molecular Insect Science, vol. 1 Lewis - Imaginal discs Marcellini PloS Biology Inhibition latérale

41 Lewis - Imaginal discs Inhibition latérale

42

43

44 Bargmann Nature 444, Or83b

45 sauvage Expression d!une forme dominante négative de Notch Mutant d!un gène de la voie Notch Okabe Nature 411, 94-98

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