Lorsque Papa Ours Brun rencontre Maman Ourse Polaire …


Retour aujourd’hui à mes premières amours, avec l’histoire évolutive des ours. Même si ma thèse a porté sur l’ours des cavernes, une espèce aujourd’hui éteinte, je me suis beaucoup intéressée à ses deux cousins : l’ours brun et l’ours polaire.

A l’époque où j’ai publié mon papier de thèse sur l’ours des cavernes, en 2008, nous avions surtout des données mitochondriales (vous vous souvenez, ces centrales énergétiques des cellules qui sont transmises uniquement par voie maternelle dont je vous parlais déjà ici ?). Et ces données nous permettaient de construire l’histoire suivante assez complexe *:

Il y a 2 millions d’années, une espèce d’ours a donné naissance à deux lignées. L’une va évoluer en Asie et en Amérique et donner naissance aux ours noirs ; la seconde, en Europe, va se scinder de nouveau en deux, quelques centaines de milliers d’années plus tard : d’un côté, l’ours des cavernes et de l’autre, les ours bruns et polaires.

Article3_1C’est là que les choses deviennent compliquées. En effet, les ours bruns se diversifient très vite en plusieurs sous-populations, qui vont conquérir tous les continent de l’hémisphère nord et donner naissance à des sous-espèces au physique parfois très impressionnant : le grizzly, par exemple. A en croire la phylogénie que je vous présente à côté, fondée sur les données mitochondriales, une de ces sous-espèces aurait donné naissance aux ours polaires, une espèce d’ours extrêmement spécialisée, uniquement carnivore et vivant dans des conditions … extrêmes. En effet, lorsqu’on regarde l’arbre, les ours bruns des îles ABC sont plus proches des ours polaires que des autres ours bruns. Les ours polaires forment-ils une espèce à part entière ? Sont-ils une sous-espèce d’ours bruns, ce que semble accréditer le fait que les deux espèces sont capable de se croiser dans les zoos ?

A priori, cette question de classification semble très théorique. Pourtant son influence sur les questions de conservation est elle bien réelle : va-t-on consacrer autant d’argent à sauver une sous-espèce qu’une espèce ? Pour l’ours polaire, dont l’avenir est hélas très compromis, c’est une question nécessaire.

This is the cute moment

Mais ces résultats avaient été obtenus sur des données mitochondriales, uniquement. Depuis 2008, des génomes nucléaires d’ours ont été séquencés, et l’information donnée par le génome nucléaire est bien différente : les ours bruns et polaires formeraient deux espèces clairement séparées, et les ours ABC seraient plus proches des autres ours bruns que des ours polaires.

Article3_2

Problème. Deux sources d’informations différentes ; deux conclusions différentes. Ce n’est pas comme ça que les choses sont sensées marcher…

Deux hypothèses peuvent expliquer ce phénomène. La première, c’est l’admixture, ou le mélange entre deux lignées : imaginons que des femelles ours polaires se croisent avec des mâles ours bruns. Elles donnent alors leur génome mitochondrial à leurs descendants. Et, au bout de quelques générations de croisement avec des mâles ours bruns, le génome nucléaire des arrière-arrière petits oursons pourra avoir perdu presque toute trace de leur ancêtre ourse polaire, mais le génome mitochondrial sera encore là pour en témoigner. L’admixture peut aussi marcher dans l’autre sens : le génome mitochondrial de femelles ourses bruns auraient pu conquérir la totalité des ours polaires, et faire disparaître le génome mitochondrial ancestral de cette espèce. C’est l’hypothèse qui est présentée ici : Article3_3

L’autre hypothèse fait appel à l’Incomplete Lineage Sorting (ILS)**. L’importance de ce phénomène a été découvert il y a peu, bien que ses effets lors de la spéciation soient parfois très important. Il se produit lorsque trois lignées se séparent rapidement. Les gènes qui étaient présents en plusieurs versions se séparent généralement en suivant la phylogénie et, en reconstruisant l’histoire des gènes, on reconstruit l’histoire des espèces. C’est le cas du gène ‘triangle’ dans le cas n°1 présenté ci-dessous. Mais, si les deux événements de spéciation (AB vs C, puis A vs B) se produisent très rapidement, il arrive que l’histoire de certains gènes (par exemple, le gène ‘rond’ du cas n°2) ne reproduise pas tout à fait l’histoire des espèces. C’est ce qui aurait pu se passer chez les ours, avec les gènes mitochondriaux.

Comment séparer les deux hypothèses ? Dans le cas de l’ILS, le signal laissé dans le génome est symétrique : il y a autant de gènes qui rapprochent les espèces B et C, contre l’espèce A, que de gènes qui rapprochent les espèces A et C contre l’espèce B. En revanche, dans le cas de l’admixture, le signal ne peut être qu’asymétrique : si le mélange a eu lieu entre l’espèce B et l’espèce C, on ne trouve aucun signal rapprochant l’espèce A de l’espèce C.

Revenons à nos moutons, ou plus précisément à nos ours. Lorsque la phylogénie mitochondrial rapproche l’ours polaire des ours ABC, à rebours du signal majoritaire contenu dans le génome nucléaire, est-ce un signal d’admixture ou d’ILS ? Deux papiers publiés l’un dans Science, l’autre dans les Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, plus tôt dans l’année, penchaient vers l’admixture. L’équipe de Beth Shapiro a donc décidé d’enquêter plus sérieusement sur ce qui s’est passé chez les ours des îles ABC, en séquençant de larges portions du génome de plusieurs ours.

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Plutôt pas mal, le territoire des ours, non ?

Les îles ABC, pour Admiralty, Baranof, Chichagof, sont des îles situées au sud de l’Alaska. Jusqu’à la fin du dernier maximum glaciaire, il y a 15000 ans à peu près, elles étaient recouvertes de banquise et le domaine des ours polaires. Mais depuis que le climat s’est réchauffé, la glace a fondu et les ours bruns se sont emparés de ce territoire. Les chercheurs ont récupéré de l’ADN de plusieurs populations d’ours polaires et d’ours bruns, dont ils ont séquencés de largues régions génomiques.

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Ils se sont ensuite intéressé à certaines portions de l’ADN nucléaire : les positions qui sont différents entre les différents ours bruns et polaires (allèles). Ils se sont en particulier intéressés à l’histoire de ces allèles : si Lina, l’ourse polaire, porte un ‘C’ et Robert, l’ours brun des îles ABC, porte un ‘T’, dans quelle lignée a eu lieu la mutation ?

Pour cela, il faut un témoin et ce témoin, ça sera l’ours noir.

En effet, si Azy, l’ours noir, a lui aussi un ‘C’, c’est que 1/l’ancêtre portait un ‘C’, et la lignée menant à Robert a muté vers le ‘T’ ou que 2/l’ancêtre portait un ‘T’ et les lignées menant à Azy et à Lina, ont parallèlement et indépendamment muté vers le ‘C’ : peu probable, n’est-ce pas ? On va donc supposer que l’ours noir, dans ce cas, porte l’allèle ancestral. L’autre est appelé allèle « dérivé ».

Il y a donc plusieurs possibilités, lorsqu’on compare Robert, Ursule, les ours bruns, à Lina, l’ourse polaire et Azy, l’ours noir.

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Ursule possède l’allèle dérivé, tandis que Robert et Lina possèdent le même allèle ancestral. C’est donc dans la branche spécifique d’Ursule que la mutation a eu lieu.

 

 

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Ursule et Robert possèdent l’allèle dérivé, que ne possède pas Lina : la mutation a donc eu lieu dans la branche commune aux deux ours bruns.

 

 

Article3_10

Mais quand Robert et Lina possèdent le même allèle dérivé, tandis qu’Ursule possède l’allèle ancestral, c’est que Robert et Lina ont échangé du matériel génétique, ou, que par le phénomène d’Incomplete Lineage Sorting, le fragment d’ADN contenant cet allèle ne suit pas la même phylogénie que celle de l’espèce.

Pour trancher entre les deux hypothèses, Beth Shapiro et son équipe ont utilisé la statistique D. Cette valeur mesure l’excès d’allèle dérivé partagé entre un individu parmi deux appartenant à la même espèce. Plus clairement, si Lina partage autant d’allèles dérivés avec Ursule qu’avec Robert, la statistique D sera égale à 0. En revanche, si elle partage plus avec l’un qu’avec l’autre, la statistique D sera différente de 0.

Les chercheurs ont donc mesuré la statistique D entre plusieurs couples d’ours polaires et d’ours bruns, en séparant le chromosome X des autres chromosomes non sexuels, les autosomes.

Dstat

Lorsqu’on compare deux ours polaires et un ours brun, la valeur de la D-statistique est égale à 0, quelque soit le chromosome considéré, autosome ou chromosome sexuel. En revanche, lorsqu’on compare un ours polaire vs deux ours bruns, l’un d’Alaska et l’autre des îles ABC, la valeur devient clairement négative, indice fort d’admixture entre ours polaire et ours ABC, qui partagent environ 0.75% de leur génome. L’effet est encore plus fort pour le chromosome X : non seulement, les ours polaires et les ours bruns ABC partagent le même génome mitochondrial, mais également une part significative (6.5%) de leur chromosome X.

Reste à savoir le sens dans lequel s’est produit le mélange : est-ce une femelle ourse polaire qui a fricoté avec des ours bruns ABC et leur a transmis son génome mitochondrial, 6.5% de son chromosome X et 0.75% de son génome nucléaire ? Ou une ourse brun des îles ABC qui a été se mélanger avec des ours polaires ? Pour ce faire, les chercheurs ont simulé les deux scénarios et ont comparé les résultats ainsi obtenus avec ceux observés dans les populations d’ours réels : ils en concluent que les gènes ont circulé depuis les ours polaires vers les ours bruns ABC et reconstituent l’histoire du peuplement des îles ABC.

Jusqu’à il y a 16 000 ans, ces îles étaient recouvertes par les glaces et le domaine des ours polaires. De nombreux fossiles de phoques, la nourriture favorite des ours polaires, a d’ailleurs été retrouvée dans ces îles. A la fin du dernier maximum glaciaire, lorsque les îles se sont trouvées libérées des glaces, les ours bruns sont peu à peu venus coloniser les lieux. Ces ours étaient des mâles, sans doute des jeunes qui venaient chercher l’aventure dans ces régions inhospitalières. Ils y ont rencontré des femelles ourses polaires et ce qui devait arriver, arriva : les oursons naquirent au printemps. Plus la température s’est réchauffée, plus les ours bruns ont été nombreux à venir. Au bout de quelques générations, plus rien ne différenciaient les ours métis brun-polaire des ours bruns du continent, si ce n’est une trace enfouie au plus profond de leur génome.

Article : James A. Cahill et al. 2013 Genomic evidence for Island Population Conversion Resolves Conflicting Theories of Polar Bear Evolution. PLoS Genetics 9(3):e1003345

Deux autres articles récents traitent de ce thème, mais sans trancher le sens dans lequel s’est produit l’admixture : Hailer F. et al. Nuclear Genomic Sequences Reveal that Polar Bears Are an Old and Distinct Bear Lineage Science 336:344-347 et Miller W. Polar and brown bear genomes reveal ancient admixture and demographic footprints of past climate changes PNAS 109(36):E2382-E2390

*Les trois figures sont tirées de cet article : Hailer F. et al. Nuclear Genomic Sequences Reveal that Polar Bears Are an Old and Distinct Bear Lineage Science

** Si quelqu’un connait la traduction française de ce terme que je n’ai jamais lu qu’en anglais, je serais ravie d’avoir de ses nouvelles…

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Une réflexion sur “Lorsque Papa Ours Brun rencontre Maman Ourse Polaire …

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