Evolution du système nerveux et du comportement chez le poisson cavernicole aveugle Astyanax mexicanus

Evolution of nervous system and behaviour in blind cavefish Astyanax mexicanus

• Auteur / Autrice : Yannick Elipot
• Direction : Sylvie Rétaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 17/04/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Neurobiologie Alfred Fessard (Gif-sur-Yvette) - Unité de Neurosciences Information et complexité (UNIC) - Unité de Neurosciences information et complexité
• Jury : Président / Présidente : Pierre Capy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Rétaux, Pierre Capy, Patricia Gaspar, Germán Sumbre, Laure Bally-Cuif, Xavier Cousin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Gaspar, Germán Sumbre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poissons transgéniques

Évolution du comportement

Système nerveux

Mots clés libres

Astyanax

Poisson cavernicole

Comportement

Agressivité

Recherche de nourriture

Système nerveux

Sérotonine

Monoamine oxydase

Catécholamine

Système aminergique

Transgénèse

Cavefish

Astyanax

Behaviour

Aggressiveness

Foraging

Nervous system

Serotonin

Monoamine oxidase

Catecholamine

Aminergic system

Transgenesis

Résumé

L’Astyanax mexicanus est un poisson téléostéen utilisé dans les études de microévolution. Au sein de la même espèce, il existe plusieurs populations. Des poissons de surface (SF), vivant en banc dans les rivières d’Amérique Centrale et plusieurs populations cavernicoles (CF), vivant dans l’obscurité des grottes mexicaines. La majorité des populations cavernicoles sont indépendantes et ont dérivé des populations de surface depuis environ un million d’années. Les CF sont aveugles et dépigmentés. D’un point de vue comportemental, les CF ont, entre autres, perdu l’agressivité qui est un caractère important des SF. Ce travail caractérise finement les différences comportementales entre poissons de surface et cavernicoles, et analyse les modifications des circuits neuronaux qui sont à l’origine de la perte du comportement agressif chez les poissons cavernicoles. Les tests d’agressivité montrent que deux SF s’attaquent dix fois plus que deux CF. La distribution temporelle des attaques diffère également entre les populations. En effet, la majorité des attaques entre CF ont lieu lors des premières minutes du test, alors que chez les SF la fréquence des attaques augmente au cours du temps. L’étude de l’agressivité de SF rendu aveugle ou dans le noir montre que la perte d’agressivité chez les CF n’est pas due au phénotype aveugle. De plus, l’agressivité des poissons hybrides suggère que le comportement agressif des SF est génétiquement codé. Après des expériences pharmacologiques utilisant des composés interférant avec le système sérotoninergique ou soumettant les SF et les CF à différents régimes alimentaires, nous faisons l’hypothèse selon laquelle la perte d’agressivité des CF est une adaptation à la vie cavernicole, ceux-ci recherchant en permanence de la nourriture. En revanche, l’agressivité des SF est étroitement reliée à la hiérarchie existant au sein du banc, la dominance étant elle-même liée en partie à la concentration de la sérotonine présente au niveau du raphé. La concentration de sérotonine est inversement corrélée à l’agressivité. D’un point de vue neuroanatomique, l’organisation du système sérotoninergique est similaire entre les populations. Cependant, l’un des noyaux hypothalamiques est plus large chez les CF et contient plus de neurones. Par ailleurs, l’agressivité et le taux de sérotonine sont connus pour être inversement corrélés chez les vertébrés. De fait, des traitements pharmacologiques augmentant le taux de sérotonine diminuent l’agressivité des SF et modifient leur profil d’agressivité, mimant celui des CF. Cependant, le système sérotoninergique n’est pas le seul à être modifié dans le système nerveux des CF. En réalité, les dosages HPLC montrent que l’ensemble des systèmes aminergiques est amplifié chez les CF, conduisant à l’apparition d’un phénotype « hyper-aminergique ». Les études neuro-anatomiques et enzymologiques des systèmes sérotoninergiques et catécholaminergiques montrent que des variations du nombre de neurones et de l’activité des enzymes de dégradation des neurotransmetteurs aminergiques convergent vers cette amplification et sont à l’origine de ce phénotype. Par ailleurs, et en parallèle, les méthodes de transgénèses stables ont été testées chez l’Astyanax. Cette étude montre que l’utilisation des méganucléases et des transposons sont utilisables chez notre poisson modèle et permettent l’établissement de lignées transgéniques. Cet outil permettra de tester à l’avenir l’importance et la fonction des gènes d’intérêt lors du développement du système nerveux, ainsi que lors de la mise en place des comportements.

Astyanax mexicanus is a teleost fish model used for evolution studies. Among the same species, there are several populations of sighted surface fish (SF) that live in Mexican rivers and at least twenty nine populations of blind cavefish (CF) that live in perpetual darkness. Several of these cave populations are independently-evolved, and they derived from surface fish-like ancestors. CF have lost their eyes and their pigmentation, and they have also evolved a number of behavioral traits. Most CF populations have lost the aggressive behavior that is a trademark of their SF counterparts. Here we characterized behavioural differences between SF and CF and we investigated the modifications of neural networks responsible for the loss of aggressiveness in cavefish. We first characterized aggressive behavior in Astyanax. Using an “intruder assay”, we found that SF not only attack ten times more during a one hour period, but also show a significantly different pattern in the temporal distribution of their attacks: while two CF attack mostly during the first minutes, SF attack more and more frequently as time goes by during the test. Then we demonstrated that the loss of aggressiveness in CF is not due to their blind phenotype, and using hybrids and independently-evolved populations of CF we could suggest that aggressive behavior in SF is genetically-encoded. After pharmacological experiments using compounds modulating serotonin levels or using SF and CF receiving different food regimes, we hypothesized that the loss of aggressiveness of CF may correspond to an adaptation to cave life, as they spend most of their time looking for food. On the other hand, the aggressiveness of SF is closely connected to the hierarchy within the school, dominance itself being mainly due to the levels of serotonin in the raphe. Thus, serotonin levels are inversely correlated with agonistic behavior. Neuroanatomical analyses on SF and CF brains showed an identical organization of their serotonin neuronal networks, but one of the serotonergic hypothalamic nucleus was significantly larger in CF and contained more neurons. Treatments of embryos with cyclopamine, an inhibitor of Sonic hedgehog (Shh) signaling, showed that this enlargement is induced by the Shh signaling pathway, itself known to be amplified during the development of the CF. In fact, the serotonergic system is not only one that is changed in the nervous system of CF. HPLC measurements showed that all aminergic systems are amplified in CF, which show a sort of “hyper-aminergic” phenotype. Studies comparing the neuroanatomy of aminergic systems and the activity of amine-degrading enzymes between SF and CF showed that variations in both the number of neurons and the activity of degrading enzymes converge towards an amplification of aminergic neurotransmission and are responsible for the phenotype. In parallel, we established transgenesis methods in Astyanax. We showed that techniques using meganuclease or transposons are valuable with our fish species to generate transgenic lines. This tool will be used to test the importance and function of genes of interest in the development of the nervous system and associated behaviors.