La canalisation est, en biologie du développement, un modèle théorique et expérimental proposé par . Il s'agit de la mesure de la capacité d'un groupe d'individus à conserver le même phénotype malgré la variabilité de son environnement ou de son génotypeMeiklejohn, C.D., and Hartl, D.L. (2002). A single mode of canalization. Trends in Ecology et Evolution 17, 468–473..

Historique et concepts La première approche de ce concept fut apportée par Waddington (1942) disant que pour un caractère bien adapté – et donc proche de l’optimum – tout agent diminuant les effets néfastes des mutations devrait être sélectionné. Par la suite, dans les années 1990, il devint beaucoup plus facile d’expérimenter sur les gènes grâce aux techniques moléculaires. Cela comprend également les multiples expérimentations sur le modèle de la Drosophile. Finalement, toutes ces expérimentions démontrant les multiples variations phénotypiques possibles convergent pour dire – comme M. Andreas Wagner lui-même – qu’il existe une sorte de « tampon évolutionnaire génétique » résistant aux diverses perturbations environnementales et/ou génétiques (aussi définies comme « interactions épigénétiques » selon M. Wagner). Autrement dit, Hermisson, J., and Wagner, G.P. (2004). The Population Genetic Theory of Hidden Variation and Genetic Robustness. Genetics 168, 2271–2284.. Selon Wagner (1996), ce phénomène pourrait s’expliquer par le fait que des pressions de sélection longuement exercées sur des gènes et régulateurs transcriptionnels – hautement sollicités dans les patrons de développement de l’individu – auraient pour effet de diminuer leur taux de mutations. C’est ici que des termes comme « stabilité épigénétique » ou « canalisation développementale » prennent leur sens Wagner, A. (1996). Does Evolutionary Plasticity Evolve? Evolution 50, 1008–1023.Huerta-Sanchez, E., and Durrett, R. (2007). Wagner’s canalization model. Theoretical Population Biology 71, 121–130..

Dans tous les cas, l’on parle ici de l’interaction entre gènes et l'environnement ou encore de l’effet des environnements sur les gènes. Il est donc important de comprendre ce que signifie et comprend la notion d'interactions entre gènes – unités de base héréditaires donnant un caractère – et environnement(s), et ce dans un contexte développemental d’organismes multicellulaires. Cela signifie que ces interactions doivent passer au travers une hiérarchie de différents niveaux d’organisation : Gottlieb, G. (1991). Experiential canalization of behavioral development: Theory. Developmental Psychology 27, 4–13..

Aujourd’hui, plusieurs autres termes synonymes peuvent être utilisés pour décrire le concept de canalisation tels que : les traits canalisés, allèles homéorhétiques ou encore un tampon développemental. La canalisation s’oppose par principe à la notion de « plasticité développementale » (ou plus simplement « plasticité phénotypique ») étant . Donc ces deux concepts opposés ont un rôle évolutif dans le sens de (1) et (2) .).

Puisque la canalisation peut impliquer des gènes ayant un rôle développemental, il est bon d'introduire la notion des homéogènes pour simplifier la complexité du développement. Un gène dit homéotique est un gène tenu responsable du développement et possédant une homéoboîte. Cette dernière est une séquence propre aux homéogènes comprenant 180 nucléotides codant une protéine possédant à son tour un homéodomaine, donc une homéoprotéine. Comme pour les homéogènes, l’homéodomaine – motif (ou portion) conservé de 60 acides aminés permettant la liaison à l’ADN – est propre aux homéoprotéines. Ces homéogènes ont différents rôles lors de différents stades développementaux, contribuant pour résumer à produire . Le plus souvent cela peut inclure des signaux émis de leur part vers des tissus cibles : des morphogènes. Encore une fois, la canalisation peut intervenir pour limiter les changements et les variations possibles vers un phénotype stable au cours du développement (ou pas, si l’organisme est déjà pleinement formé et mature). Donc, le phénotype résulte alors de l’interaction de ces deux extrêmes que sont les signaux géniques et environnementaux (épigénétiques)..

Exemples actuels chez des organismes modèles vignette|Drosophile adulte au phénotype sauvage/naturel : organisme modèle. La Drosophile est un insecte de l’ordre des Diptères ; elle est plus connue sous le nom de « mouche à vinaigre/fruits ». Elle comporte des centaines d’espèces et est très sollicitée comme organisme modèle, car elle présente un organisme à développement rapide et incluant un passage par le stade larvaire. Ceci explique en partie les multiples expériences exercée sur cette mouche concernant l’altération du phénotype sauvage via le développement. Du point de vue génétique, elle possède quatre paires de chromosomes constituant l’intégralité de son matériel génétique (ou génome) aujourd’hui séquencé. Plusieurs aspects de la canalisation peuvent être observés via des expérimentations..

Héritabilité de la canalisation

L'une des premières expériences effectuées fut celle de Waddington et Rendel sur divers gènes pour la plupart homéotiques dont le gène « scute ». Le gène scute est pro-neuronal car il est impliqué dans la neurogenèse (formation des gènes) en plus d’être un responsable de la détermination des sexes et le développement des poils scutellaires (poils sur une partie thoracique). Ces poils scutellaires sont normalement en nombre de quatre chez les drosophiles. Rendel effectua des mutations pour diminuer le nombre de ces poils (de 0 à 3) et effectua des sélections artificielles (élevage sélectif des animaux). Il vit par la suite à l’analyse des générations suivantes que la majorité des organismes avaient encore quatre poils scutellaires. X’était donc ici un phénotype canalisé puisqu’il était le plus répandu et qu’il fallait accumuler beaucoup de mutations pour en différer. Cependant, Rendel alla même jusqu’à faire muter leur processus de canalisation lui-même et démontra que la canalisation est héritable. En fait, il créa des groupes de drosophiles à deux poils scutellaires et vit que les générations suivantes conservaient ce même nombre de poils. Cet exemple ci-dessus est démonstratif de l'effet de la canalisateur sur un gène en particulier mais aussi de son héritabilité..

Canalisation et patron de développement La canalisation peut également agir sur les réseaux de gènes, dont ceux sollicités lors du développement via les voies de signalisation. Une voie de signalisation est une voie de transduction de signal cellulaire permettant aux cellules de communiquer entre elles via des signaux moléculaire interagissant avec des protéines. La voie de signalisation BMP (, un ligand) permet la spécification des cellules dorsales en plus du bon développement des amnioserosa. Les amnioserosa sont des cellules épithéliales remplissant les cavités épidermiques dorsales à un stade embryobiologie)|nnaire de la drosophile appelé gastrulation (formation des axes embryonnaires). Donc ici le bon fonctionnement de cette voie BMP - impliquée dans le passage du stade embryonnaire blastula à gastrula - est assuré par un réseau génique composé de trois gènes : egr, cv-2 et zen. Chacun de ces gènes a un rôle bien particulier. Egr (eiger) induit l’augmentation du signal étant la synthèse de BMP (ou rétroaction positive) ; Cv-2 (crossveinless-2) induit l’inhibition ; et Zen (zerknüllt) est une homéoboîte assurant précocement la transcription des deux premiers gènes pour qu’ils puissent agir Gavin-Smyth, J., Wang, Y.-C., Butler, I., and Ferguson, E.L. (2013). A Genetic Network Conferring Canalization to a Bistable Patterning System in Drosophila. Current Biology 23, 2296–2302....

Dans une expérience de Galvin-Smyth et al. sur ce système développemental décrit ci-haut, il fut démontré qu’en l’absence (1) des gènes egr et cv-2, il y a une sérieuse augmentation/variation dans la signalisation de BMP mais pas quand l’un ou l’autre des deux gènes est présent ; (2) la même observation s’appliqua en l’absence de zen. Donc, cela démontre que le bon signalement de la voie BMP est un processus canalisé bistable car il dépend des deux étapes ou composantes génétiques différentes : l’expression de zen puis celle de egr et cv-2 (ou l’un des deux), et ce dans le but de permettre l’expression appropriée des cellules amnioserosa au bon endroit (partie dorsale de l’embryon) et bon moment (gastrulation). Donc dans ce contexte, l‘expression des cellules amnioserosa est le phénotype canalisé. Un autre aspect intéressant est que c’est un phénotype canalisé à plusieurs niveaux car il peut encore y avoir bon développement (spécification) des cellules amnioserosa même en cas de baisse du signal de BMP et la variation dans le nombre de cellules n’affecte pas la viabilité de l’embryon car ce dernier y démontre une tolérance. Tout ceci est démonstratif de l’effet de la canalisation au niveau des réseaux de gènes; mais ça ne s’arrête pas là.

De façon subséquente, il est même démontré que la canalisation peut agir dans d’autres perspectives par exemple de façon interspécifique : de façon différente pour différentes espèces d’un même genre/groupe. Après avoir compris le fonctionnement de la voie BMP, Galvin-Smyth et al. commencèrent par chercher la cause de l’expression précoce du gène zen. Ils trouvèrent en partie qu’elle est initiée par un « élément répresseur ventral » conservé en amont par rapport à zen et contenant des sites de liaisons permettant la liaison d’un facteur transcriptionnel de type « doigt de zinc » nommé Zelda. Pour que ce dernier puisse bien se lier à cet élément régulateur répresseur il doit avoir des motifs (les sites de liaison) de type « TAG » ; sans eux – comme avec des motifs mutés – le facteur Zelda ne peut pas se lier et il s’ensuit une diminution de l’expression de zen. Donc cela représente un autre élément sous l’effet ou le contrôle de la canalisation sur les gènes pour le bon développement dorso-ventral de la drosophile.

Cependant, deux autres aspects additionnels sont remarquables dans ce contexte. D’abord, en comparant différents les stades embryonnaires développementaux, on peut observer des conséquences différentes au sujet de l’expression de zen ou egr (succédant à zen). Par exemple, il a été observé que des mutations sur ces motifs TAG atténuaient l’expression au stade embryonnaire mais pas au . Cela signifie que la canalisation peut aussi agir qu’à partir de certaines périodes spécifiques lors du développement, et cela a été visible pour toutes les espèces de drosophiles utilisées. Ensuite, Galvin-Smyth et al. les trois espèces de Drosophila utilisée sont : D. melanogaster, D. yakuba et D. santomea. Bien que ces trois espèces proviennent de lieux différents, l’effet de l’expression atténuée du gène zen aboutit ultimement à des conséquences différentes quant au nombre de cellules amnioserosa. Effectivement, pour le même stade embryonnaire chez les trois espèces il a été observé que l’espèce D. santomea avait le plus haut taux de variation comparativement aux deux autres espèces de Drosophila. Cela démontre l’effet interspécifique de la canalisation : elle induit un effet stabilisation chez beaucoup d’individu d’un même groupe (comme D. melanogaster et D. yakuba) mais pas pour certains (ici D. santomea). En bref, ici l’on voir que l’espèce D. santomea est beaucoup plus susceptible aux mutations : dans ce contexte l’on peut parler d’espèce ‘’décanalisée’’.