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Amérique du Nord, mai 2025 • Jour 2
SPRINT FINAL
30
Amérique du Nord, mai 2025• Jour 2
exercice 2
La complexification du cortex humain
Intérêt du sujet • Ce sujet conduit à la recherche des mécanismes génétiques qui au cours de l’évolution ont engendré des caractéristiques spécifiques des neurones du cortex humain.
La complexification du cortex constitue un élément majeur de l’évolution du cerveau des mammifères. Cette évolution a pris une ampleur particulière chez l’être humain que l’on peut relier à ses capacités cognitives.
Expliquer les mécanismes à l’origine de la différence d’organisation du cortex humain par rapport à d’autres mammifères.
Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant les données issues des documents et les connaissances complémentaires nécessaires.
DOCUMENT 1Répartition et rôle des épines dendritiques d’un neurone de mammifère
A. Photographie d’un neurone pyramidal de rat
On trouve dans le cortex des neurones pyramidaux qui possèdent un très grand nombre de dendrites qui reçoivent un grand nombre de synapses.
On observe en microscopie optique après un traitement fluorescent un neurone pyramidal isolé du cerveau de rat.
© Mathias De Roo
D’après le site wikipedia.org
B. Épine dendritique
On cherche à caractériser la structure d’une épine dendritique.
D’après Romain Chassefeyre (thèse)
DOCUMENT 2Taille et densité des épines dendritiques du cortex
Il est possible par observation et comptage de comparer la taille et la densité des épines dendritiques dans le cortex de différentes espèces. Cette comparaison sur une portion de dendrite de 10 μm chez l’être humain et le chimpanzé est schématisée ci-dessous.
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Chimpanzé |
Humain |
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Connexions synaptiques sur une portion de dendrite de 10 μm de long |
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D’après E. Schmidt et al., The human-specific paralogs SRGAP2B and SRGAP2C differentially modulate SRGAP2A-dependent synaptic development, 2019
DOCUMENT 3Étude des gènes SRGAP2 chez les primates
A. Expression des gènes SRGAP2 chez certains primates
On réalise une étude des gènes SRGAP2 dans le cortex de l’être humain et du chimpanzé. La technique utilisée permet de déterminer si de l’ARNm est produit ou pas à partir de différents gènes. La présence d’une bande atteste d’une production d’ARNm. L’eau est utilisée comme un témoin négatif c’est-à-dire sans ARNm.
Résultats de la mise en évidence de la présence des ARN messagers des gènes SRGAP2
b. Histoire évolutive récente des gènes SRGAP2 chez les primates
Arbre phylogénétique des gènes SRGAP2A, SRGAP2B et SRGAP2C construit à partir de comparaisons des séquences de ces gènes
D’après Dennis et al., Human-specific evolution of novel SRGAP2 genes
by incomplete segmental duplication, Cell, 2012
DOCUMENT 4Interaction entre les protéines SRGAP2 chez la souris
Chez la souris, on mesure la production de la protéine issue du gène SRGAP2A présent chez la souris. Cette mesure est réalisée en absence (témoin) et en présence de la protéine issue du gène humain SRGAP2C dans différentes parties des neurones du cortex. La souris ne produit pas de protéine SRGAP2C.
D’après Schmidt et al., op. cit., 2019
DOCUMENT 5Longueur et densité des épines dendritiques chez la souris
A. Expression du gène SRGAP2A
Des souris mutantes nommées KO ont une expression du gène SRGAP2A diminuée de presque 90 %.
Les mesures de la longueur des épines et de leur densité (nombre par unité de surface) dans le cortex de ces souris comparées à celles de souris sauvages (WT) sont présentées dans les graphiques ci-dessous.
B. Expression du gène SRGAP2C
Le gène SRGAP2C a été transféré dans des cellules du cortex des souris sauvages. La taille et la densité des épines dendritiques ont été mesurées dans les cellules de souris ayant reçu le gène (SRGAP2C) et dans les cellules de souris ne l’ayant pas reçu (Témoin).
D’après Charrier et al., Inhibition of SRGAP2 Function by Its Human-Specific Paralogs Induces Neoteny during Spine Maturation, Cell, 2012
Les clés du sujet
Étape 1. Comprendre le sujet
Les premiers documents permettent de dégager les caractéristiques phénotypiques des neurones du cortex cérébral chez les mammifères et de préciser celles qui sont propres au cortex humain.
Il faut ensuite identifier la nature des innovations génétiques acquises durant l’évolution de la lignée humaine qui engendrent les spécificités de la structure des neurones corticaux humains.
Il reste à expliquer les mécanismes par lesquels ces spécificités du génome humain engendrent les caractéristiques du phénotype des épines dendritiques des neurones du cortex humain.
Étape 2. Exploiter les documents
Le document 1 renseigne sur une caractéristique structurale des dendrites des neurones du cortex des mammifères et sur son rôle dans l’activité des circuits neuronaux.
Le document 2 informe sur la spécificité phénotypique des épines dendritiques des neurones du cortex humain par rapport à celles du chimpanzé.
Le document 3 indique la spécificité du génome humain à l’origine des caractéristiques du phénotype des épines dendritiques des neurones humains.
Les documents 4 et 5 mettent en évidence les mécanismes génétiques à l’origine du phénotype des épines dendritiques des neurones humains.
Étape 3. Construire la réponse
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I. Caractéristiques structurales propres aux dendrites des neurones du cortex humain |
Dégagez les caractéristiques phénotypiques communes aux neurones du cortex des mammifères ainsi que leur fonction. Précisez les caractéristiques propres aux neurones du cortex humain. |
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II. Caractéristiques génétiques propres au génome humain |
Comparez l’organisation des gènes impliqués dans la réalisation du phénotype des épines dendritiques dans l’espèce humaine et chez les autres mammifères. Indiquez l’origine de la spécificité du génome humain en ce qui concerne ces gènes. |
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III. Mécanismes explicatifs de la spécificité des épines dendritiques chez l’espèce humaine |
Déterminez l’effet de l’expression du gène SRGAP2A sur le phénotype des dendrites. Précisez les conséquences de l’expression du gène SRGAP2C sur celle du gène SRGAP2A et sur le phénotype des épines dendritiques. |
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Conclusion |
Expliquez comment une duplication intervenue dans la lignée humaine a contribué à la genèse d’un gène ayant pour effet d’agir sur l’expression d’un gène ancestral dans les neurones du cortex humain et par là de complexifier la structure de l’arbre dendritique de ces neurones. |
Introduction
Au cours de l’évolution de la lignée humaine, il y a eu non seulement des innovations importantes dans la morphologie et l’anatomie du cerveau, mais aussi dans la structure microscopique du cortex cérébral. À partir des informations extraites des documents, on peut établir la nature de modifications du phénotype de neurones corticaux engendrées par des innovations génétiques intervenues dans la lignée humaine.
I. Caractéristiques structurales propres aux dendrites des neurones du cortex humain
A. Phénotype d’un neurone du cortex d’un mammifère
Les milliards de neurones du cortex des mammifères ont des morphologies variées, mais tous possèdent un corps cellulaire avec deux types de prolongements : un axone, qui conduit les messages nerveux qu’il émet vers d’autres neurones, et de multiples dendrites très ramifiées. Dans ce sujet, on étudie un type de neurone fréquent dans le cortex, le neurone pyramidal, remarquable par la richesse de son arbre dendritique.
à noter
Seul le document 1 indique que le neurone étudié est de type pyramidal, mais on peut partir du principe que c’est également le cas dans les autres documents.
La photographie d’une épine dendritique et son schéma d’interprétation (doc. 1) indiquent que l’épine dendritique est l’élément postsynaptique d’une synapse. L’élément présynaptique est un bouton synaptique, extrémité de l’axone d’un autre neurone.
B. Spécificité du phénotype des épines dendritiques des neurones du cortex humain
Le document 2 permet de comparer les épines dendritiques des neurones corticaux de l’homme et du chimpanzé : on constate que leur densité et leur taille sont deux fois supérieures chez l’homme.
Étant donné que les épines sont des zones où le neurone reçoit des messages venant d’autres neurones, ces caractéristiques phénotypiques humaines permettent aux neurones corticaux humains de recevoir et de traiter beaucoup plus d’informations que les neurones du cortex des autres mammifères, y compris les autres primates. Cela est un signe de la complexification du cerveau humain.
II. Caractéristiques génétiques propres au génome humain
Les gènes SRGAP2 contrôlent le phénotype des dendrites des neurones corticaux. Le document 3a indique qu’on en a identifié trois types dont on a étudié l’expression. L’expression d’un gène comprend deux grandes phases : la transcription, où la séquence du gène est transcrite en ARN messager, et la traduction, où l’ARNm est traduit en protéine. Les données sur l’ARNm renseignent donc sur l’expression d’un gène. La figure montre que chacun des trois gènes s’exprime dans les neurones du cortex humain alors que seul le gène SRGAP2A s’exprime chez le chimpanzé.
Le document 3b montre que cette différence entre l’homme et le chimpanzé ne provient pas d’une différence d’expression des gènes, mais d’une différence de génome : l’homme est le seul à posséder les gènes SRGAP2B et SRGAP2C. Ces gènes résultent de deux duplications. La première a affecté le gène ancestral SRGAP2A, et le gène dupliqué produit a ensuite subi une duplication à l’origine des deux gènes propres au génome humain. Ces duplications sont survenues après la séparation d’avec le dernier ancêtre commun
à noter
Les gènes SRGAP2B et SRGAP2C font partie, avec le gène SRGAP2A, d’une famille multigénique.
III. Mécanismes explicatifs de la spécificité des épines dendritiques chez l’espèce humaine
A. Action du gène SRGAP2A sur le phénotype des épines dendritiques
L’expérience du document 5a permet d’évaluer comment le gène SRGAP2A influence le phénotype des épines dendritiques. Pour cela, les caractéristiques des épines dans le cortex de souris « sauvages » (WT), où le gène est exprimé, sont comparées à celles de souris mutantes (KO), où l’expression du gène est très réduite. La longueur du cou des épines est de 0,5 μm chez les souris WT et de 0,8 μm chez les souris KO. La densité des épines est de 1,2 par unité de surface chez les souris WT et de 1,8 chez les souris KO. Les différences étant significatives, on peut conclure que le gène SRGAP2A limite la taille et la densité des épines dendritiques.
B. Action du gène SRGAP2C sur l’expression du gène SRGAP2A
L’expérience du document 4 a pour objectif de déterminer comment la production de la protéine codée par le gène SRGAP2A est affectée par la protéine codée par le gène humain SRGAP2C. La production de protéine SRGAP2A est évaluée par l’intensité de sa fluorescence. On constate qu’aussi bien dans le corps cellulaire des neurones que dans leurs dendrites, la production de la protéine SRGAP2A est réduite de moitié chez les souris transgéniques par rapport aux souris « sauvages ». Comme la protéine SRGAP2A résulte de l’expression du gène SRGAP2A, on peut conclure que le gène SRGAP2C, en s’exprimant, a une action inhibitrice sur l’expression du gène SRGAP2A.
Le document 5b permet de savoir si l’action inhibitrice du gène SRGAP2C sur l’expression du gène SRGAP2A a des effets sur le phénotype des épines dendritiques des neurones du cortex. On constate que les épines dendritiques chez les souris transgéniques exprimant le gène SRGAP2C ont une plus grande taille (0,9 μm contre 0,6 μm) et une densité plus forte (2,5 contre 1,5) que chez les souris « sauvages ». On peut conclure que l’action inhibitrice du gène SRGAP2C sur l’expression du gène SRGAP2A a pour conséquence un plus fort développement des épines dendritiques.
Le phénotype des dendrites des neurones, notamment des neurones pyramidaux, du cortex humain, est caractérisé par une plus grande taille et une plus forte densité des épines dendritiques que chez les autres mammifères y compris les primates.
Ce phénotype humain est dû à une spécificité génétique : suite à deux duplications de gènes survenues dans la lignée humaine, l’homme possède les gènes SRGAP2A, SRGAP2B et SRGAP2C alors que les autres mammifères ne possèdent que le gène SRGAP2A.
L’expression du gène SRGAP2A dans les neurones du cortex a pour effet de limiter la taille et la densité des épines dendritiques. Dans les neurones corticaux humains, le gène SRGAP2C, en s’exprimant, inhibe l’expression du gène SRGAP2A et donc la limitation du développement des épines.
Les épines dendritiques étant constitutives des synapses, leur grand nombre intensifie les communications entre neurones et donc complexifie fonctionnellement le cortex cérébral humain.