In recent years, considerable progress has been made towards understanding the genetic basis of the evolution of morphological traits. In contrast, relatively little is known about how behavioral traits evolve. Astyanax mexicanus, a species of fish that exists in both surface and cave forms, is an ideal system to study behavioral evolution. Surface and cave morphs of Astyanax mexicanus differ in a variety of morphological and behavioral traits. They are interfertile, allowing for genetic analysis of the evolution of these traits. Finally, Astyanax mexicanus exists in multiple, independently evolved cave populations, providing an excellent system for studying convergent evolution.

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L’espèce Astyanax mexicanus est composée de deux morphotypes de poissons radicalement différents : le très classique poisson de surface vivant dans des rivières et le poisson cavernicole (CF, cavefish) aveugle et dépigmenté. Ces deux morphotypes diffèrent sur de nombreux aspects, aussi bien en termes de modalités sensorielles, qu’en termes de physiologie ou de comportement. L’approche « Evo-Devo » consiste à tenter de relier des différences développementales précoces à des modifications phénotypiques plus tardives. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes concentrés sur les modifications précoces de l’hypothalamus et de l’œil du CF. Nous montrons que des modifications précoces de signalisation de morphogènes tels que Shh ou Fgf conduisent à une modification de la taille des groupes de neurones peptidergiques au sein de l’hypothalamus, via les facteurs de transcription Lhx, impliqués dans la spécification neuronale. Plus particulièrement, nous montrons l’augmentation de taille des groupes de neurones NPY ainsi qu’hypocretine, qui à son tour provoque une réduction du sommeil chez le CF.Nous nous sommes aussi intéressés à l’oeil du CF, qui commence par se développer avant de dégénérer. Une réduction du quadrant ventral de la rétine avait été précédemment décrit. Nous rafinons cette description grâce à une étude de la régionalisation de la coupe optique du CF qui suggère une réduction de la rétine temporale plus spécifiquement. Nous proposons également une première description de la morphogénèse de l’oeil du CF grace à l’imagerie live de lignées transgéniques fluorescentes. Cette étude révèle un défaut d’invagination de la coupe optique chez le CF. Globalement, ce travail ouvre la voie vers une meilleure compréhension de l’évolution de la tête du CF. / Astyanax mexicanus is a fish species comprising two strikingly different morphotypes : the classical river-dwelling surface fish and the blind depigmented cavefish. These two morphs differ in many aspects in terms of sensorial modalities, physiology and behaviour. In the Evo-Devo approach, we try to link early developmental differences to later phenotypic modifications. Here we focus on the early modification of the hypothalamus and the eye of the cavefish. We show that early signalling modification of morphogens such as Shh or Fgfs lead to the modification of neuropeptidergic clusters in the hypothalamus via the neuronal fate-specifying transcription factors Lhx. More particularly, we show an increase in NPY and hypocretin cluster size. In turn, this increased hypocretin cluster size triggers a reduction of sleep in the cavefish larva.We also examine the embryonic eye of the cavefish which first develops before degenerating. This eye was previously reported to have a reduced ventral retina. We refine this description by studying the regionalisation of the cavefish optic cup and suggest that this reduction concerns more specifically the temporal retina. We also attempt a first description of the cavefish eye morphogenesis by live imaging on fluorescent transgenic lines. This description reveals a defect in the optic cup invagination of the cavefish. Overall, this work started deciphering the developmental evolution of the cavefish head.

Le poisson Astyanax mexicanus est un modèle particulièrement intéressant pour l'étude de l'évolution. En effet, dans cette espèce de poissons d'eau douce, il existe des populations vivant de façon pérenne dans des grottes. Dans cet environnement, l'obscurité est totale et permanente et les ressources en nourriture souvent faibles. Les poissons cavernicoles se sont adaptés à la vie souterraine et ils présentent de nombreuses modifications phénotypiques comme la dépigmentation, la perte des yeux, l’augmentation du nombre et de la taille d’organes sensoriels non-visuels et plusieurs changements du comportement. Un des problèmes majeurs est de savoir si ces modifications phénotypiques sont dues à des mutations préexistantes à la colonisation de l'environnement cavernicole ou si elles sont apparues après. Pour répondre à cette question, connaître l'âge des populations est un facteur important car dans une population récente, il n'y aura probablement pas eu suffisamment de temps pour l'apparition de beaucoup de mutations et leur fixation. L'objet de cette thèse est donc l'estimation de l'âge d'une population, celle de la grotte Pachón qui est souvent considérée comme étant une des plus anciennes et une des plus isolées. Au cours de ces travaux de thèse, nous avons développé une nouvelle méthode de datation qui repose d’une part sur la caractérisation du polymorphisme nucléotidique à l’intérieur de chaque population et entre populations, et d’autre part la comparaison de ces données avec des simulations de l’évolution du polymorphisme. Les résultats obtenus, ainsi que la réanalyse de données sur le polymorphisme d’haplotypes mitochondriaux et de loci microsatellites précédemment publiées, suggèrent que les populations cavernicoles seraient bien plus récentes qu’habituellement indiqué dans la littérature (quelques milliers d’années, et non plusieurs centaines de milliers d’années). Les conséquences d’un tempo rapide d’évolution sur le mode d’évolution de ces poissons cavernicoles ont aussi été présentées. / The fish Astyanax mexicanus is a particularly suitable model for evolutionary biology studies. Indeed, in this species there are several subterranean populations which live in the total and permanent darkness of cave. These cavefish are well adapted to the life in this inhospitable environment and they show several differences with their surface conspecific such as depigmentation, eye loss and behavioral changes. A major unresolved issue is about the relative role of surface fish standing genetic variation and de novo mutations appeared in cavefish populations after their settlement in caves in their phenotypic evolution. In order to examine this issue, accurate estimations of population ages are very important because many new mutations cannot appear and fix in a recent population. In this thesis we aimed to estimate the age of the Pachón cave population which is considered as one of the oldest and most isolated populations. We developed a new method which is based on measures of the distribution of single nucleotide polymorphism within each population and between populations. Our results, as well as reanalyses of published data about mitochondrial haplotypes and microsatellite loci polymorphism suggest that cavefish populations are much more recent than previously thought (several thousand years and not several hundred thousand years). The consequences of a fast tempo of evolution on the mode of evolution of cavefish are also discussed.

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.