Evolution of the craniate brain : patterning and regionalisation of the lamprey developing forebrain.
Evolution du cerveau craniate : "patterning" et régionalisation du cerveau antérieur de lamproie.
Résumé
Lampreys are becoming increasingly popular in evolutionary developmental biology, due to their phylogenetic position. They provide insights into craniate ancestral characteristics, but also into the emergence of novelties at the important cyclostome/gnathostome evolutionary split (Kuratani et al.,2002).
This work was focused on the study of the genetic specification and organisation of the embryonic lamprey brain. By RT-PCR cloning and in situ hybridisation we were able to isolate and study the expression pattern of genes from the LIM-homeobox (Lhx), Pax and Hedgehog families. The main results are as follows: (1) Lhx and Pax genes reveal a strikingly similar forebrain and hindbrain patterning between cyclostomes and gnathostomes; some important differences are nevertheless observed, especially at the level of the telencephalon, a region where major changes took place at the cyclostome/- gnathostome division; (2) the interpretation of the expression pattern of Lhx genes shows that the lamprey forebrain presents a clear prosomeric organisation, which is thus a truly craniate character; (3) analysis of the LfHh gene expression reveals the possible molecular origin of this neuromeric brain pattern (Osorio et al., 2005); (4) finally, Lhx gene expression persists through the larval (non-embryonic) period, making these genes useful markers to follow brain development and morphogenesis (Osorio et al., 2006).
This brain organisation is restricted to gnathostomes: in amphioxus and ascidians, where the expression of Hh is absent from the anteriormost part of the neural tube, no neuromeres are observed. Importantly, Hh is not expressed in the embryonic lamprey ventral telencephalon, and Nkx2.1, a marker of the pallidal subdivision of the gnathostome-specific subpallium, is not expressed in the embryonic lamprey subpallium (Ogasawara et al., 2001; Osorio et al., 2005; Uchida et al., 2003). This difference points out the possible role of the Hh ventral midline signalling as a powerful motor of forebrain evolution.
We next sought to investigate the origin of these differences in the light of the molecular evolution of the Hedgehog multigene family. It is likely that the chordate ancestor possessed a unique Hh gene. The cephalochordate amphioxushas still a single Hh gene, while there are two in ascidians, originated by a urochordate-specific duplication. There are three groups of Hh genes in gnathostomes (Sonic, Indian and Desert).
We have screened a cosmid genomic DNA library of L. fluviatilis aiming at identifying cosmids containing the Hh gene. The results strongly suggest the existence of two Hedgehog genes in lamprey. A preliminary phylogenetic analysis suggests an independent duplication of the lamprey Hedgehog genes within the Sonic/Indian group. These findings open a new vision on the evolution of this gene family within chordates.
Finally, with the purpose of studying the role of changes in gene organization and control of gene expression in the evolution of the chordate brain, we have also isolated the Lhx9 gene from a dogfish (Scyliorhinus canicula) BAC genomic library.
This work was focused on the study of the genetic specification and organisation of the embryonic lamprey brain. By RT-PCR cloning and in situ hybridisation we were able to isolate and study the expression pattern of genes from the LIM-homeobox (Lhx), Pax and Hedgehog families. The main results are as follows: (1) Lhx and Pax genes reveal a strikingly similar forebrain and hindbrain patterning between cyclostomes and gnathostomes; some important differences are nevertheless observed, especially at the level of the telencephalon, a region where major changes took place at the cyclostome/- gnathostome division; (2) the interpretation of the expression pattern of Lhx genes shows that the lamprey forebrain presents a clear prosomeric organisation, which is thus a truly craniate character; (3) analysis of the LfHh gene expression reveals the possible molecular origin of this neuromeric brain pattern (Osorio et al., 2005); (4) finally, Lhx gene expression persists through the larval (non-embryonic) period, making these genes useful markers to follow brain development and morphogenesis (Osorio et al., 2006).
This brain organisation is restricted to gnathostomes: in amphioxus and ascidians, where the expression of Hh is absent from the anteriormost part of the neural tube, no neuromeres are observed. Importantly, Hh is not expressed in the embryonic lamprey ventral telencephalon, and Nkx2.1, a marker of the pallidal subdivision of the gnathostome-specific subpallium, is not expressed in the embryonic lamprey subpallium (Ogasawara et al., 2001; Osorio et al., 2005; Uchida et al., 2003). This difference points out the possible role of the Hh ventral midline signalling as a powerful motor of forebrain evolution.
We next sought to investigate the origin of these differences in the light of the molecular evolution of the Hedgehog multigene family. It is likely that the chordate ancestor possessed a unique Hh gene. The cephalochordate amphioxushas still a single Hh gene, while there are two in ascidians, originated by a urochordate-specific duplication. There are three groups of Hh genes in gnathostomes (Sonic, Indian and Desert).
We have screened a cosmid genomic DNA library of L. fluviatilis aiming at identifying cosmids containing the Hh gene. The results strongly suggest the existence of two Hedgehog genes in lamprey. A preliminary phylogenetic analysis suggests an independent duplication of the lamprey Hedgehog genes within the Sonic/Indian group. These findings open a new vision on the evolution of this gene family within chordates.
Finally, with the purpose of studying the role of changes in gene organization and control of gene expression in the evolution of the chordate brain, we have also isolated the Lhx9 gene from a dogfish (Scyliorhinus canicula) BAC genomic library.
La lamproie devient un modèle de plus en plus populaire en biologie du développement et de l'évolution (evo-devo), grâce à sa position phylogénétique particulière. Ce modèle a d'ores et déjà fourni des informations importantes sur les caractéristiques ancestrales des craniates, mais également sur l'apparition de nouveautés au moment de la transition agnathe/gnathostome (Kuratani et al., 2002).
Dans ce travail, nous avons étudié les mécanismes de spécification et d'organisation génétique du cerveau chez l'embryon de lamproie. En utilisant les techniques de clonage par RT-PCR et d'hybridation in situ, nous avons isolé et étudié le patrons d'expression de gènes des familles LIM-à-homéoboîte (Lhx), Pax et Hedgehog. Les résultats principaux sont les suivants : (1) les gènes Lhx et Pax révèlent un grand degré de conservation des mécanismes de " patterning " des parties antérieure et postérieure du cerveau entre cyclostomes et gnathostomes ; néanmoins, quelques différences importantes ont été observées, particulièrement au niveau du télencéphale ; ces différences sont probablement corrélées avec les changements majeurs subis par cette région au moment de la transition agnathe/gnathostome ; (2) l'analyse de l'expression des gènes Lhx et son interprétation montrent que le cerveau antérieur de lamproie présente une organisation prosomérique évidente ; cette organisation est ainsi un caractère propre aux vertébrés ; (3) l'analyse de l'expression du gène LfHh met en évidence une possible origine moléculaire de cette organisation neuromérique du cerveau (Osorio et al., 2005) ; (4) en outre, l'expression d'au moins un de ces gènes Lhx persiste tout au long de la période larvaire (non-embryonnaire), ce qui montre l'utilité de ces gènes comme marqueurs pour suivre le développement et la morphogenèse du cerveau au cours du temps (Osorio et al., 2006).
Ce type d'organisation pseudosegmentaire du cerveau est limité aux gnathostomes : chez l'amphioxus et les ascidies, où l'expression de Hh est absente de la région la plus rostrale du tube neural, on n'observe pas de neuromères. Il est important de noter que Hh n'est pas exprimé dans le télencéphale ventral embryonnaire de lamproie, et que Nkx2.1, un marqueur de la subdivision pallidale du sous-pallium des gnathostomes, n'est pas non plus exprimé à ce niveau (Ogasawara et al., 2001; Osorio et al., 2005; Uchida et al., 2003). Cette différence suggère que des modifications dans la signalisation Hh de la ligne médiane ventrale peuvent avoir été des moteurs de l'évolution du cerveau antérieur.
Nous avons cherché à étudier l'origine de ces différences à la lumière de l'évolution moléculaire de la famille multigénique Hedgehog. Il est probable que l'ancêtre des chordés ait possédé un gène Hh unique. L'amphioxus (céphalocordé) présente un seul gène Hh, alors qu'il y en a deux chez les ascidies (urochordés), probablement issus d'une duplication spécifique dans cette lignée. Il y a trois groupes de gènes Hedgehog chez les gnathostomes : Sonic, Indian et Desert.
Nous avons criblé une librairie d'ADN génomique de L. fluviatilis, visant à identifier des cosmides contenant le gène Hh. Les résultats mettent en évidence l'existence de deux gènes Hedgehog chez la lamproie. Une analyse phylogénétique préliminaire suggère une duplication indépendante des gènes Hedgehog dans la lignée de la lamproie, au sein du groupe Sonic/Indian. Ces résultats ouvrent une nouvelle vision sur l'évolution de cette famille de gènes chez les chordés.
Enfin, dans le but d'étudier le rôle des modifications de l'organisation génique et du contrôle de l'expression des gènes au cours de l'évolution du cerveau chez les chordés, nous avons également isolé le gène Lhx9 de roussette (Scyliorhinus canicula) à partir d'une librairie d'ADN génomique de cette espèce.
Dans ce travail, nous avons étudié les mécanismes de spécification et d'organisation génétique du cerveau chez l'embryon de lamproie. En utilisant les techniques de clonage par RT-PCR et d'hybridation in situ, nous avons isolé et étudié le patrons d'expression de gènes des familles LIM-à-homéoboîte (Lhx), Pax et Hedgehog. Les résultats principaux sont les suivants : (1) les gènes Lhx et Pax révèlent un grand degré de conservation des mécanismes de " patterning " des parties antérieure et postérieure du cerveau entre cyclostomes et gnathostomes ; néanmoins, quelques différences importantes ont été observées, particulièrement au niveau du télencéphale ; ces différences sont probablement corrélées avec les changements majeurs subis par cette région au moment de la transition agnathe/gnathostome ; (2) l'analyse de l'expression des gènes Lhx et son interprétation montrent que le cerveau antérieur de lamproie présente une organisation prosomérique évidente ; cette organisation est ainsi un caractère propre aux vertébrés ; (3) l'analyse de l'expression du gène LfHh met en évidence une possible origine moléculaire de cette organisation neuromérique du cerveau (Osorio et al., 2005) ; (4) en outre, l'expression d'au moins un de ces gènes Lhx persiste tout au long de la période larvaire (non-embryonnaire), ce qui montre l'utilité de ces gènes comme marqueurs pour suivre le développement et la morphogenèse du cerveau au cours du temps (Osorio et al., 2006).
Ce type d'organisation pseudosegmentaire du cerveau est limité aux gnathostomes : chez l'amphioxus et les ascidies, où l'expression de Hh est absente de la région la plus rostrale du tube neural, on n'observe pas de neuromères. Il est important de noter que Hh n'est pas exprimé dans le télencéphale ventral embryonnaire de lamproie, et que Nkx2.1, un marqueur de la subdivision pallidale du sous-pallium des gnathostomes, n'est pas non plus exprimé à ce niveau (Ogasawara et al., 2001; Osorio et al., 2005; Uchida et al., 2003). Cette différence suggère que des modifications dans la signalisation Hh de la ligne médiane ventrale peuvent avoir été des moteurs de l'évolution du cerveau antérieur.
Nous avons cherché à étudier l'origine de ces différences à la lumière de l'évolution moléculaire de la famille multigénique Hedgehog. Il est probable que l'ancêtre des chordés ait possédé un gène Hh unique. L'amphioxus (céphalocordé) présente un seul gène Hh, alors qu'il y en a deux chez les ascidies (urochordés), probablement issus d'une duplication spécifique dans cette lignée. Il y a trois groupes de gènes Hedgehog chez les gnathostomes : Sonic, Indian et Desert.
Nous avons criblé une librairie d'ADN génomique de L. fluviatilis, visant à identifier des cosmides contenant le gène Hh. Les résultats mettent en évidence l'existence de deux gènes Hedgehog chez la lamproie. Une analyse phylogénétique préliminaire suggère une duplication indépendante des gènes Hedgehog dans la lignée de la lamproie, au sein du groupe Sonic/Indian. Ces résultats ouvrent une nouvelle vision sur l'évolution de cette famille de gènes chez les chordés.
Enfin, dans le but d'étudier le rôle des modifications de l'organisation génique et du contrôle de l'expression des gènes au cours de l'évolution du cerveau chez les chordés, nous avons également isolé le gène Lhx9 de roussette (Scyliorhinus canicula) à partir d'une librairie d'ADN génomique de cette espèce.
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