De l’Homme moderne et de ses relations avec ses cousins plus archaïques (2)

Je vous parlais l’autre jour des relations entre l’Homme moderne et Néandertal, parfois très intimes. En cherchant des ossements néandertaliens un peu partout, l’équipe de Svante Pääbo est tombé sur un os.

L'os de Denisova

L’os de Denisova

Un tout petit os de phalange, de quelques centaines de milligrammes, de la grotte de Denisova, dans l’Altai, qui par chance contenait énormément d’ADN.

Mais quand l’ADN mitochondrial a été séquencé, ce petit os a créé beaucoup de remous. Le dernier ancêtre commun entre le génome mitochondrial de ce « denisovien » et celui des néandertaliens et humains modernes est deux fois plus anciens que le dernier ancêtre commun des néandertaliens et des humains modernes. Un nouveau groupe humain, découvert uniquement sur la base de son génome, à partir d’un os dont les paléoanthropologues n’auraient su que faire !

Arbre phylogénétiques des humains modernes et archaïque, construit à partir du génome mitochondrial.

Arbre phylogénétiques des humains modernes et archaïque, construit à partir du génome mitochondrial. Source : Krause et al.

Voilà de quoi faire mousser les paléogénéticiens …

L’analyse du génome nucléaire a été rendue possible grâce à l’exceptionnelle préservation de son ADN et à la mise en place de nouvelles méthodes à la paillasse permettant d’utiliser tous les fragments d’ADN d’un extrait, y compris ceux qui sont simple brin. Petit coup de froid : Denisova n’est pas un groupe humain archaïque nouveau, mais un néandertalien, d’un groupe aussi différent des néandertaliens européens que les San le sont des autres humains modernes.

Phylogénie nucléaire des humains modernes et archaïques, avec les dates de divergence calculées entre des génomes séquencé à partir d'individus de différentes populations. Source : Reich et al.

Phylogénie nucléaire des humains modernes et archaïques, avec les dates de divergence calculées entre des génomes séquencé à partir d’individus de différentes populations.
Source : Reich et al.

Mais l’intérêt de Denisova n’était pas uniquement de nous montrer que Néandertal était une espèce hétérogène : il a aussi rendu plus complexe l’histoire des humains modernes.

Vous vous souvenez que le génome néandertalien avait permis de mettre en évidence un métissage entre cette espèce, et les ancêtres des humains modernes non-africains ?

En utilisant les D-stats pour comparer les proportions d’ADN denisovien dans les génomes modernes, les chercheurs n’ont pas montré de position particulière des humains modernes non africain (si ce n’est due au premier métissage avec Néandertal).

Mais un groupe humain ressort du lot : les Mélanésiens. Eux ont clairement reçu de l’ADN dénisovien !

Denisova4De la Sibérie à l’Océanie, la distance est longue. Comment les deux lignées ont-elles pu se croiser ?

On suppose que les ancêtres des mélanésiens ont suivi une route côtière entre l’Afrique et l’Océanie. A quel moment de leur trajet ont-ils croisé une population apparentée au dénisoviens ? Pourquoi n’a-t-on retrouvé aucune trace de ces denisoviens dans le sud de l’Asie ? Est-ce par manque de chance ? Parce qu’ils n’ont pas été clairement identifiés en tant que tel ?

Reste une autre question : d’où Denisova tient-il son génome mitochondrial si particulier ? Quel espèce humaine archaïque peut-on invoquer comme source de ce marqueur ? Ou s’agit-il de coalescence ancestrale ? L’analyse du génome nucléaire suggère le métissage entre Denisova et un humain archaïque inconnu : est-ce là qu’il a récupéré son génome mitochondrial ?

C’est là qu’intervient un très vieux monsieur : un échantillon de la Sima de los Uesos, un site espagnol contenant des humains archaïques, appelés Homo heidelbergensis par certains, et datés de 300 000 ans. Une prouesse technique plus tard (après tout, on en n’est plus là), le génome mitochondrial de ce vieux monsieur est séquencé : il appartient à la même lignée que Denisova.

Arbre phylogénétique des génomes mitochondriaux. Source : Reich et al.

Arbre phylogénétique des génomes mitochondriaux.
Source : Reich et al.

Qu’en conclure ? Sima de los Uesos est-il un représentant de cette espèce archaïque avec laquelle Denisova se serait métissé ? Mais les paléoanthropologues ont tendance à voir les humains de cette grotte comme des pré-Néandertaliens, et non comme une lignée différente. Aurait-il alors lui aussi reçu d’une autre espèce archaïque un génome mitochondrial particulier ?

Son génome nucléaire est actuellement en cours de séquençage. S’il est peu probable que nous ayons un génome d’excellente qualité, avec une excellente couverture pour un échantillon aussi ancien, un génome partiel apportera sans doute des informations sur les relations entre ces différents groupes humains.

Sources :

Krause J., Fu Q., Good J.M., Viola B., Mi, Pääbo S. 2010 The mitochondrial DNA genome of an unknown hominin in southern Siberia. Nature

Reich D. et al. 2010 Genetic History of an archaic hominin group from the Denisova Cave in SIberia. Nature

Meyer M. et al. 2014 A mitochondrial genome sequence of a hominin from Sima de los Uesos. Nature

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De l’Homme moderne et de ses relations avec ses cousins plus archaïques, chapitre 1

Voici le premier chapitre de cette longue histoire qui pourra peut-être durer quelques temps. L’un des grandes révolutions de la paléogénétique a été de pouvoir étudier les relations (génétiques) entre Homo sapiens, l’homme moderne, nous, et les autres espèces humaines qu’il a croisé.

Car finalement, c’est assez récent que l’Homme soit la seule espèce humaine sur Terre. Il y a quelques dizaines de milliers d’années, à peine quelques centaines de générations, on pouvait croiser parmi nous d’autres représentant de l’Humanité.

Et que faisait l’homme (ou la femme, pour ce qu’on sait) quand il les croisait ? Pas forcément la guerre.

Commençons ce premier chapitre avec la plus évidente de toutes ces espèces : Néandertal. C’est le premier homme archaïque (j’oppose ici archaïque à moderne) a avoir été découvert et il porte en lui beaucoup des visions de l’homme (occidental) sur le reste du monde. Néandertal barbare, simiesque ? ou Néandertal humain, civilisé ?

Deux visions de l'Homme de Néandertal

Deux visions de l’Homme de Néandertal. L’Homme de Néandertal par le peintre tchèque Burian (1905-1981) et la femme de Néandertal, reconstitution en 2008 pour le National Geographic.

Avec le premier, il semble impossible de se reproduire. Mais avec le second, en revanche…

Les premières analyses génétiques sur Néandertal ont été effectuées sur le génome mitochondrial, d’abord sur la région hypervariable, puis sur le génome mitochondrial entier, lorsque la technologie l’a permis :

Arbre phylogénétique du génome mitochondrial de Néandertal et d'humains modernes

Arbre phylogénétique du génome mitochondrial de Néandertal et d’humains modernes Source : Targetted retrieval and analysis of five Neandertal mtDNA genomes. Briggs AW et al., 2009

Le résultat a été très clair : les Néandertals (en violet) se distinguent des humains moderne (en vert) en ce qui concerne le génome mitochondrial et en forment un groupe frère, séparé par des centaines de milliers d’années.

D’un autre côté, ce résultat n’est guère étonnant : la présence d’un haplotype de type « humain moderne » chez un Néandertal est un indicateur de contamination, qui rejette immédiatement l’échantillon comme « impropre à l’analyse paléogénétique ».

C’est donc l’analyse nucléaire qui a permis d’éclaircir la situation. Le premier génome de Néandertal était une mosaïque, composée à partir de trois individus retrouvés dans la même grotte : Vindija, en Croatie. Et il restaient quelques trous dans cette mosaïque : le génome n’était connu qu’avec une couverture très faible.

Les résultats furent stupéfiants.

L’équipe s’est intéressée aux mutations d’un seul nucléotide, les SNPs, pour lesquels Néandertal porte un allèle différent du chimpanzé (respectivement appelés dérivé et ancestral), et pour lesquels les humains possèdent les deux. Et plus particulièrement, pour lesquels la répartition des allèles est différente de celle attendue selon l’arbre des espèces.

J’avais déjà parlé d’un cas pareil concernant les ours bruns et blancs. C’est la même question qui se pose ici : s’agit-il d’un cas d’incomplete lineage sorting, de coalescence ancienne ? Ou d’un cas de métissage ?

Et comme dans le cas des ours (en l’occurrence, l’approche fut inventée pour les Néandertal, et réutilisée pour les ours), les auteurs ont mesuré la proportion d’allèles soutenant l’une ou l’autre répartition et la différence entre les deux en faisant un D-test.

D-test comparant la proportion d'allèles dérivés néandertaliens dans les populations humaines modernes. Source : Higher levels of ancestral Neandertal ancestry in East Asian than in European. Wall JD.

D-test comparant la proportion d’allèles dérivés néandertaliens dans les populations humaines modernes.
Source : Higher levels of ancestral Neandertal ancestry in East Asian than in European. Wall JD.

On observe aucune asymétrie si on compare des africains entre eux. En revanche, si on compare des européens ou des asiatiques à des africains, on observe que les premiers ont plus d’allèles dérivés néandertalien que les seconds.

En séquençant deux nouveaux individus, un néandertalien caucasien de Mezmaiskaya, et un sibérien de la grotte de Denisova, dans l’Altai, le dernier avec une très bonne couverture, l’équipe de Svante Pääbo a pu préciser les résultats obtenus sur les néandertaliens croates.

La fraction d’ADN néandertalien est assez faible : 1,5-2%, et elle n’est pas identique dans toutes les populations : le génome des populations de l’est de l’Asie est légèrement plus riche en ADN néandertalien que celui des populations européennes. La raison en est encore inconnue : y-a-t-il eu plusieurs événements de métissage chez les ancêtres des asiatiques ? Ou les ancêtres des européens se sont-ils séparés en premier de la population en cours de métissage avec Néandertal ?

Deux modèles explicatifs

Deux modèles explicatifs

Deux génomes très récents, d’humains modernes anciens, âgés de près de 45 000 ans (Kostenki 14 et Ust’Ishim) ont permis d’observer un phénomène très intéressant. Dans ces deux génomes, la longueur des fragments d’ADN portant l’allèle néandertalien est plus long que dans les génomes modernes. Cette observation montre que le métissage avec Néandertal était un événement très récent : à chaque génération, lors de la production des gamètes, un événement de recombinaison entre les chromosomes homologues paternels et maternels permet de créer un nouveau chromosome, porteur d’une information originale :

De parents à enfant ...

De parents à enfant …

Et comme chacun de ces chromosomes est déjà le produit d’une recombinaison entre chromosomes grand-parentaux, chacun porte en lui une fraction de l’information génétique de tous ses ancêtres :

Recombi2

De grands parents à petits enfants …

Mais la conséquence est que, de génération en génération, les chromosomes ancestraux sont fragmentés en morceaux de plus en plus petits :

Recombi3Si chez ces deux échantillon, Kostenki et Ust’Ishim, on observe des fragments néandertaliens longs, c’est que l’événement de métissage est encore très récent. En mesurant la longueur de ces fragments et en appliquant un modèle de recombinaison, très bien connu dans l’espèce humaine, les chercheurs ont pu établir que le métissage s’était effectué il y a 50 à 60 000 ans. A peine quelques milliers d’années avant la mort de ces deux individus…

En jaune et en bleu sont représentés les allèles néandertaliens (respectivement hétérozygotes et homozygotes). Ust’Ishim est sur la première ligne. Les autres sont des humains modernes actuels.

Ce que Néandertal nous a laissé … Ce sera pour une prochaine fois !

Sources :

Krings M et al. 2009 Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell

Briggs AW et al. 2009 Targeted retrieval and analysis of five Neandertal mtDNA genomes Science

Green RE et al. 2010 A draft sequence of the Neandertal Genome Science

Prüfer K et al. 2014 The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains Nature

Fu Q et al. 2014 The genome sequence of a 45,000-year-old modern human from western Siberia. Nature

Seguin-Orlanda A et al. 2014 Genomic structure in Europeans dating back at least 36,200 years Science

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.

Article3_4

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.

Article3_8

 

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.

 

 

Article3_7

 

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…