vendredi 29 novembre 2019

Implication Génétique dans le Développement de l'Intelligence Humaine : Découverte du Gène NOTCH2NL – Identification de 40 Nouveaux Gènes





La plupart des êtres vivants sont en mesure d'effectuer des actions qui peuvent être considérés comme intelligentes ou au moins le résultat d'un processus de réaction appropriée aux circonstances changeantes de leur environnement. Cependant, l'intelligence ou les processus intellectuels développés par l'homme sont largement supérieurs à ceux obtenus par des organismes de toute autre espèce.

Le processus d'évolution et d'humanisation du cerveau de l'Homo sapiens en fait un organe unique et différent, atteignant la plus grande taille relative parmi toutes les espèces, mais a permis également une réorganisation structurelle des tissus et des circuits dans des segments et des régions spécifiques. Cela explique les remarquables capacités cognitives de l'homme moderne, comparées non seulement à d'autres membres de son sexe, mais également à d'autres membres plus anciens de sa propre espèce.

Il y a environ 3 à 4 millions d'années, des gènes sont apparus dans nos ancêtres humains et, à partir de là, comme le montrent les fossiles, la taille du cerveau de nos ancêtres a augmenté de façon extraordinaire. Cette évolution vers des cerveaux plus grands revêtait une grande importance pour notre espèce en raison de la capacité qu’elle nous a donné à réfléchir, à résoudre des problèmes et à développer la culture. L'expansion cérébrale était évidente lors de l'observation des différentes cavités crâniennes dans les fossiles de nos ancêtres, mais les changements génétiques qui nous ont rendus humains devaient encore être découverts.

L’évolution est un processus facile à apprécier à grande échelle, lorsque nous sommes attentifs aux différentes espèces qui apparaissent, se transforment ou disparaissent au cours de l’histoire biologique de notre planète. Cependant, ce sont les petits changements, parfois au niveau d'une molécule, qui créent de nouvelles structures, de nouvelles fonctions ou même de nouveaux modes de vie.

Image informatisée
d'une chaîne d'ADN
Depuis la publication du Projet du génome humain en 2001, qui a révélé la séquence complète de notre ADN, de nombreuses études ont tenté de déterminer les gènes qui en font partie. Connaître sa signification et donc sa fonction est essentiel pour identifier tous les gènes de l'être humain et ainsi comprendre sa biologie ou les maladies qui l'affectent.

C’est une tâche difficile, car un tel travail nécessite la collaboration de nombreuses équipes de recherche qui analysent un grand volume de données nous permettant de construire un modèle général applicable à l’ensemble de notre espèce.


Le cerveau humain a grandi et s'est développé grâce au gène NOTCH2N

Un groupe de chercheurs de l'Université de Californie à Santa Cruz et de l'Université libre de Bruxelles VIB, dont les résultats ont été publiés dans deux ouvrages conjoints du magazine Cell en mai 2018, a découvert, parmi l'enchevêtrement de notre ADN, un gène qui est unique chez l'homme et qui participe à l'augmentation de la taille du cerveau au cours de l'évolution de notre espèce.

C'est une variante de la famille de gènes NOTCH, baptisée NOTCH2NL, qui agit dans les premiers stades du développement embryonnaire tout en maintenant la fonction des cellules souches dans le cortex cérébral. Tout semble indiquer qu'ils ont été le moteur de l'évolution vers des cerveaux plus grands.

On pense qu'un ancêtre du genre Homo  qui comprend à la fois l'homme moderne et l'homme de Neandertal  a acquis une copie active de ce gène il y a entre trois et quatre millions d'années.

Le gène NOTCH2NL

Les chercheurs ont découvert qu'il existait jusqu'à présent un gène non identifié sur notre chromosome 1. Ils ont en fait vu trois gènes de Notch presque identiques. Les gènes NOTCH, présents dans de nombreuses espèces, ont des fonctions différentes. Tous sont très importants lors du développement embryonnaire des animaux.

Ils sont impliqués dans la communication cellulaire et sont essentiels au maintien des cellules souches. Les cellules souches, qui pourraient en principe se diviser et générer n'importe quel type de cellule, doivent conserver leur capacité de se diviser à cette fin. En perdant cette capacité, elles ne produiraient plus de cellules et, si elles restaient actives plus longtemps que la normale, elles développeraient des tissus supérieurs aux attentes. C'est exactement ce que les gènes NOTCH2NL font, que les cellules souches du cortex cérébral (la partie du cerveau où sont les neurones) soient en production constante de nouveaux neurones et donc, pour produire des cerveaux plus gros.

Le gène SRGAP2 est un autre gène impliqué dans le développement du cerveau humain. Et si NOTCH2NL est lié à la production d'un grand nombre de neurones et donc de plus gros cerveaux, le gène SRGAP2C se voit attribuer un plus grand nombre de connexions entre ces neurones, c'est-à-dire des circuits neuronaux plus complexes.

La combinaison des gènes NOTCH2NL  responsable de la taille de notre cerveau  et du gène SRGAP2C  lié à un plus grand nombre de connexions entre neurones  est-elle la clé de l'intelligence humaine ? Selon les scientifiques, les gènes NOTCH2NL et SRGAP2C jouent tous deux un rôle important dans l'intelligence humaine, mais il est peu probable qu'ils soient les seuls gènes impliqués. Notre cerveau est volumineux et complexe et de nombreuses innovations génétiques de fonctions sophistiquées spécifiques à l'homme le sous-tendent.

35 gènes inconnus jusqu'à présent

L’équipe a découvert un total de 35 gènes uniques chez l’homme, actifs au cours du développement du cortex cérébral. L'un d'eux est le gène SrGAP2. Quant aux autres, elle ne sait presque rien d'eux. Leurs modèles d'activité suggèrent des fonctions très différentes allant du contrôle précoce des cellules souches de neurones au développement ultérieur de circuits neuronaux. En plus de leur rôle au cours du développement, l'équipe est également intéressée à savoir s’ils sont impliqués dans n'importe quel type de maladie. Elle souhaite étudier si les autres gènes identifiés jouent également un rôle important lors du développement du cerveau humain et si cela peut être lié à des maladies neurologiques.

Apparition du gène NOTCH2 dans l'évolution des hominidés

Ce groupe de gènes semble être apparu lors de la duplication d'une partie du matériel génétique dans des endroits où se trouvent de longues séquences d'ADN presque identiques, ce qui en fait une région instable et, bien qu'important dans l'évolution, elle produit également de graves défauts génétiques.

Les scientifiques ont constaté qu'il y a environ 14 millions d'années, cette partie de l'ADN avait doublé chez un ancêtre des hominidés. Une copie des gènes NOTCH2 n'apparaît pas chez les orangs outans, mais chez les chimpanzés et les gorilles, chez lesquels elle n'est pas fonctionnelle. Chez l'homme, tant l'homme de Neandertal comme le Dénisovien et l'Homo sapiens archaïque, le gène est devenu actif lorsqu'il a été copié à plusieurs reprises, ce qui est arrivé il y a entre trois et quatre millions d'années. Les chercheurs ont identifié huit versions différentes de NOTCH2NL et on pense qu’il en existe d’autres.

Un plus gros cerveau a causé certaines pathologies

L’acquisition des gènes NOTCH2NL et l’augmentation de la taille du cerveau ont eu, d’autre part, des conséquences négatives pour la santé humaine dans la mesure où ils ont entraîné des anomalies génétiques associées à des troubles neurologiques. La recherche sur le gène NOTCH2NL est un domaine dans lequel un rôle important peut être joué pour connaître les origines du développement humain et des maladies neurologiques.


Ainsi, la duplication d'une région du génome appelée 1q21.1 produit un développement cérébral plus important, ce qui provoque la macrocéphalie. Au contraire, la perte d'une partie de cette partie de l'ADN est liée à un développement moindre du cerveau et produit une microcéphalie. Les deux sont associés à une variété de troubles du développement neurologique. Par exemple, dans le syndrome de micro-délétion 1q21.1, étudié à ce jour chez très peu de patients, une microcéphalie, un dimorphisme facial, des anomalies oculaires et un retard de développement ou un déficit intellectuel léger se produisent.

Pour comprendre ce qui se passe, l'équipe a appliqué la technique de copier / coller génétique appelée CRISPR. L’édition de gènes par CRISPR/Cas9 nous permettra d’étudier comment le gène NOTCH2NL et les autres gènes liés à la région 1q21.1 contribuent au développement du cerveau et à la maladie dans des modèles in vitro de cellules souches. Cela pourrait conduire à de nouvelles méthodes de diagnostic basées sur le gène NOTCH2NL ou d'autres gènes situés sur le même site.

Cellules in vitro du
cortex cérébral humain
Cependant, de nombreux gènes sont impliqués dans ces pathologies et, bien qu’une anomalie génétique soit présente, la maladie n’est pas toujours atteinte et n’est pas toujours acquise des parents. Chez les enfants, l'anomalie génétique peut être causée par une nouvelle mutation, comme l'ont démontré les patients que l'équipe a examinés. L'erreur génétique est nouvelle entre 20% et 50% des enfants atteints et, bien que les parents l'aient aussi, ils ne présentent aucun symptôme.

Parmi les autres troubles fréquents qui pourraient être, dans une certaine mesure, liés à ces gains ou pertes de gènes, on compte le trouble d'hyperactivité avec déficit de l'attention (TDAH), les troubles du spectre autistique et la schizophrénie.

La recherche s'est concentrée sur les cellules souches du système nerveux. Cependant, les gènes de Notch sont présents dans de nombreux types de cellules. Le gène Notch2NL pourrait être actif dans d'autres types de cellules souches, dans les cellules cancéreuses ou dans les processus de croissance et de renouvellement cellulaires. En fait, il est connu que la voie de Notch, dans laquelle agit Notch2NL, est impliquée dans les cellules souches adultes et dans la tumorogenèse.

Ces études semblent prometteuses pour comprendre certaines des maladies qui nous affectent. Et, bien que les deux équipes de recherche aient exprimé leur prudence dans quelques lignes de leur publication dédiée aux patients qui attendent des progrès rapides, les scientifiques sont également très optimistes. Les découvertes scientifiques constituent le premier pas vers les applications médicales. Bien que leur recherche puisse prendre un certain temps, ils sont convaincus que la publication et le partage de ces résultats pourraient donner de l’espoir à certains patients et à leurs familles.


Des chercheurs Identifient 40 nouveaux gènes liés à l'intelligence

Une équipe de chercheurs de l'Université d'Amsterdam, dont les résultats ont été publiés dans la revue Nature Genetics en mai 2017, décrit les nouveaux gènes humains, dont 40 liés à l'intelligence et aux zones du cerveau dans lesquelles ils agissent. L'étude pourrait aider à comprendre le fonctionnement du cerveau, la cognition et à définir la composante génétique du QI.

Après avoir analysé l'ADN de 78.308 personnes, l'équipe a mené une étude de l'intégralité du génome lié à l’intelligence pour le plus grand échantillon analysé à ce jour. Pour la première fois, elle a pu détecter une quantité substantielle d'effets génétiques dans le QI.

Les scientifiques ont trouvé 52 gènes, dont 12 déjà connus et 40 de nouvelle description. La plupart de ces gènes ont une fonction dans le cerveau et sont impliqués dans la régulation du développement cellulaire, fournissant un aperçu des fondements biologiques de l'intelligence. Ils ont également montré une relation génétique entre l'intelligence et d'autres traits, tels que la maladie d'Alzheimer, la schizophrénie et la névrose, qui ont une corrélation génétique négative avec l'intelligence. Ces découvertes aident donc à comprendre les fondements génétiques de ces troubles.

En outre, les chercheurs ont procédé à une analyse statistique concernant la présence de ces nouveaux gènes avec certaines caractéristiques de la population en volume intracrânien, mesurant la circonférence de la tête pendant l'enfance ou la réussite scolaire, tout à ce jour indirectement lié aux valeurs de l’intelligence.

Le succès scolaire et l'intelligence sont corrélés de 40% dans la population générale. En termes génétiques, cette corrélation est encore plus grande et peut atteindre 70%. Cela signifie que la variation des gènes associée à une augmentation de l'intelligence est également associée à une plus grande réussite éducative.

Parmi les quelque 80.000 personnes étudiées, l’équipe a inclus trois groupes d’intérêts spécifiques, tels que les personnes âgées, l’analyse des étudiants ayant un QI élevé ou l’étude de jumeaux identiques.

Ils voulaient voir si les effets génétiques sur l'intelligence étaient différents avec l'âge, mais ce n'était pas le cas. Ils ont également testé si leurs découvertes génétiques actuelles pouvaient en quelque sorte prédire si une personne avait un QI extrêmement élevé ou non, bien que leur prédiction soit encore loin d'être parfaite.

Quant aux résultats obtenus avec des jumeaux identiques, souvent utilisés pour voir comment ces mécanismes interagissent avec l'héritage génétique et l'environnement, ils ont conclu qu'il reste encore à découvrir de nouveaux gènes qui aident à comprendre comment se produit l'héritage de l'intelligence d'une génération à l'autre.

Les experts expliquent que ces gènes sont principalement exprimés dans le cerveau et interviennent dans les processus de développement cellulaire. Cette nouvelle information peut aider les chercheurs à centrer leurs études sur des gènes spécifiques afin de faire progresser les connaissances en matière d’intelligence et de développement du cerveau.

Les différences de taille du cerveau entre les personnes sont déterminées par les variantes génétiques et également par l'influence de facteurs environnementaux. Il existe un vaste débat historique sur le point de savoir si la taille du cerveau a un impact direct sur la capacité intellectuelle de la personne.


Le sexe dans le cerveau

L'intelligence et le talent ou, à l'inverse, l'ineptie et la médiocrité n'ont pas de sexe, du fait de l'étude des conditions qui prédisposent les hommes et les femmes à traiter les informations d'une certaine manière, puis à décider et à agir en conséquence. Nous n'avons pas de cerveau unisexe, mais il est masculin ou féminin depuis le développement embryonnaire.

Les premières différences entre le cerveau des hommes et des femmes commencent dans l'environnement intra–utérin. Cela se produit à 8 semaines de gestation. Avant, les embryons mâles et femelles sont pratiquement les mêmes. Le développement des caractéristiques masculines est déterminé par un gène exclusif au chromosome Y, qui entraîne la transformation des gonades de l'embryon en testicules. Si ce chromosome n'est pas présent, les ovaires se développent. A partir de la semaine 8, l'action des hormones sexuelles provoque la différence de genre dans le cerveau, à la fois en termes de morphologie et de fonctions, hommes et femmes naissent donc avec des circuits qui les caractérisent en tant que tels. Ces différences n'ont aucun rapport avec l'intelligence, mais avec la manière de percevoir et de traiter les informations sensorielles qui pénètrent dans le cerveau.

Le sexe détermine les différences de comportement et le plus évident concerne le système endocrinien. Comme le système hormonal a une influence énorme sur la morphologie du cerveau, le cerveau masculin est organisé différemment de celui de la femme, ce qui implique un traitement différent de l'information ayant une incidence sur l'émotivité, le comportement et la prise de décision.

Bien qu’il existe des différences structurelles, chimiques, génétiques, hormonales et fonctionnelles entre les sexes, il convient de noter dès le début que le potentiel cérébral dépend d’un ensemble de facteurs qui peuvent être résumés dans les groupes suivants : anatomique, génétique, environnemental (en premier lieu, la famille et les groupes de référence), social et émotionnel.

En raison du phénomène de plasticité neuronale  le cerveau change constamment en raison de l'apprentissage et de l'expérience  il n'est pas possible de configurer un seul modèle qui puisse expliquer de manière exhaustive pourquoi les hommes et les femmes pensent et agissent différemment.

Quelques différences identifiées par la neurobiologie

La capacité de mémoriser. Elle est plus importante dans le cerveau féminin, principalement la fixation de souvenirs avec un contenu émotionnel. Il a également été prouvé que les femmes peuvent évoquer des souvenirs émotionnels plus rapidement que les hommes et qu’elles les fixent avec une plus grande permanence dans le temps.

L'amygdale selon le sexe. L'amygdale joue un rôle actif dans la vie émotionnelle des deux sexes et il est plus grand dans le cerveau masculin. Cependant, avec des stimuli de contenu identique ou similaire, il a une plus grande activation dans le cerveau féminin.


De même, dans le cerveau féminin, les régions impliquées dans la réaction émotionnelle coïncident avec les zones qui participent au codage de la mémoire épisodique, ce qui contribue à expliquer pourquoi les femmes ont plus de facilité à évoquer des souvenirs émotionnels avec une intensité et des détails expérientiels plus grands que l'homme.

Le cerveau de la femme est mieux structuré pour favoriser l'empathie émotionnelle, tandis que celui de l'homme est plus efficace en ce qui concerne la pensée linéaire et systémique.

L'hippocampe, une des structures cérébrales les plus importantes dans la formation de la mémoire, a une plus grande taille dans le cerveau de la femme, ainsi que les circuits cérébraux qui enregistrent l'observation des émotions des autres. Cette configuration morphologique permet en moyenne aux femmes d'exprimer plus facilement leurs émotions et, par conséquent, une plus grande capacité à se souvenir en détail des épisodes avec une charge émotionnelle.

Le cerveau masculin montre une supériorité dans le développement des zones visuo-spatiales. Au cours d'une recherche, il a été observé que les femmes avaient besoin de plus de temps que les hommes pour façonner mentalement des objets. Bien qu'elles aient trouvé la réponse, elles avaient besoin de plus de temps pour le faire.

Les femmes ont tendance à utiliser les deux hémisphères cérébraux pour des tâches complexes. Ce type d’activité expliquerait pourquoi elles ont une vision plus étendue d’une situation donnée et les hommes une vision plus ciblée.


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