Des lentilles d'ADN dans la rétine

Les adaptations à la vision nocturne sont nombreuses. L'une d'elles est le tapetum lucidum, un « miroir » situé dans l'œil de certains mammifères, tels les chats, qui augmente, par réflexion, la quantité de lumière captée par la rétine. Une autre, nichée au cœur même des cellules rétiniennes, vient d'être découverte par Jochen Guck, de l'Université de Cambridge, en Grande-Bretagne, Boris Joffe, de l'Université Ludwig-Maximilian, à Munich, en Allemagne, et leurs collègues : cette adaptation tient à l'organisation de l'ADN dans le noyau des cellules en bâtonnet.

Dans le noyau des cellules, l'ADN, associé à des protéines, est replié selon deux formes : l'une, compacte, est l'hétérochromatine, l'autre, plus lâche, est l'euchromatine. Dans la quasi-totalité des cas, des organismes unicellulaires aux pluricellulaires, la première est à la périphérie du noyau, autour de la seconde. Seuls les dinoflagellés (des algues unicellulaires), quelques levures et certains ciliés semblaient échapper à cette règle architecturale.

Cependant, en étudiant la rétine de divers animaux, J. Guck et B. Joffe ont montré que c'est aussi le cas dans les cellules en bâtonnet des animaux nocturnes (chat, rat, souris, cerf, opossum...) : l'architecture de l'ADN des noyaux est inverse. Les cellules rétiennes en bâtonnet sont sensibles à la luminosité ; elles constituent avec les cônes, qui détectent les couleurs, les deux types de photorécepteurs de l'œil. 

Les bâtonnets sont plus nombreux dans la rétine des animaux nocturnes. Mais quelle est l'utilité de l'inversion dans l'organisation de leur noyau ? Des expériences et des modélisations ont répondu. Alors qu'un noyau ordinaire diffuse la lumière, celui inversé des cellules en bâtonnet des mammifères nocturnes agit à la façon d'une lentille : il focalise les rayons lumineux vers la région photosensible de la cellule, là où le signal lumineux est traduit en influx nerveux. Ainsi, la quantité de lumière détectée est augmentée, un avantage certain dans des conditions de faible luminosité. L'observation du développement de la rétine a révélé que l'architecture nucléaire inversée s'installe dans les dernières étapes de la différenciation des cellules en bâtonnet.

Selon les biologistes, cette adaptation du noyau à la vision nocturne serait apparue tôt dans l'histoire des mammifères, animaux dont les premiers représentants vivaient souvent la nuit. L'arrangement classique de l'ADN aurait ensuite été acquis plusieurs fois, indépendamment, à mesure que certaines espèces adoptaient des mœurs diurnes. Cette disposition de l'ADN, qui prévaut dans le monde vivant, facilite sans doute le contrôle des fonctions du noyau, notamment l'expression des gènes.

© Shutterstock / Ragnarock et Tyler Olson
Les cellules en bâtonnet de la rétine du cheval(à gauche), animal diurne, se distinguent de celles de la souris (à droite), plutôt nocturne, par l'organisation de l'ADN de leur noyau. 

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Dans les cellules en bâtonnet des animaux diurnes (à gauche), l'ADN du noyau est organisé selon un motif commun à la plupart des cellules : l'hétérochromatine (une forme dense de repliement de l'ADN) est à la périphérie (en vert foncé), tandis que l'euchromatine (une forme plus relâchée) est au centre (en vert clair). Chez les animaux nocturnes (à droite), cette architecture est inversée, ce qui améliore leur vision dans des conditions de faible luminosité. 

© I. Solovei et al.
Des simulations de la propagation de la lumière dans les cellules en bâtonnet révèlent que leur noyau, dans son organisation usuelle (à gauche), diffuse la lumière. En revanche, chez les mammifères nocturnes (à droite), cette organisation est inversée, et le noyau focalise la lumière sur la région sensible de la cellule.