Le melting-pot européen (2)

J’avais déjà écrit il y a quelques semaines, hum, mois un bref résumé des connaissances que nous avons sur la manière dont s’est effectuée la transition entre le Paléolithique-Mésollithique et le Néolithique. Ni transition uniquement culturelle, ni remplacement de population, elle voit l’arrivée d’une nouvelle population de fermiers et d’agriculteurs qui, porteurs de nouveaux haplogroupes mitochondriaux, dont la proportion va augmenter dans la population européenne, sans jamais, cependant, les faire tout à fait disparaître.

Mais, et ce n’est pas la première fois que nous le remarquons, le génome mitochondrial n’est qu’un marqueur : que dit le génome nucléaire ? Nous avons maintenant des génomes nucléaires de bonne qualité pour une petite dizaine d’individus datant de cette période qui permettent d’étudier la Révolution Néolithique en Europe du point de vue génomique.

Laissez moi vous les présenter :

Le génome européen le plus ancien connu appartient à La Brana 1 (Olalde et al. 2014). Lui et son compagnon, La Brana 2, sont deux hommes âgés d’il y a environ 7900 à 7700 ans, retrouvés dans une grotte du Léon, dans le nord de l’Espagne. Grâce à la très bonne conservation du site, près de la moitié de l’ADN contenu dans une dent de La Brana correspondait à de l’ADN humain : une couverture du génome de 3,4X a été obtenue. La Brana 2 n’a pu lui être séquencé qu’à faible couverture et je n’en parlerai pas plus (sauf pour dire que les deux compères appartiennent au même groupe génétique).

De la même époque date Loschbourg (Lazaridis et al. 2014), un chasseur-cueilleur luxembourgeois. Les datations radiocarbones effectuées sur lui et le matériel qui l’accompagnent donnent une date autour de 8000 ans avant le présent. Cette homme, âgé de 35 à 45 ans, a été déposé sur le dos, les bras croisés sur la poitrine, et la tête décorée d’ocre. Autour de lui, des pointes de flèches finement taillées, des restes d’aurochs, de cerf, de sanglier, des outils en bois de renne et des coquillages ont été retrouvés.

Là encore, la conservation de l’ADN et les efforts de séquençage ont porté leurs fruits : le génome est couvert à 22X.

De la même époque et de la même publication, mais d’un autre contexte archéologique provient Stuttgart : en effet, cette femme est une fermière, une agricultrice de la culture LBK dont nous avions déjà parlé. Elle est âgée de 7000 ans, et est morte entre 20 et 30 ans. C’est sur le côté, dans une position assise, qu’elle a été enterrée, avec des poteries.

Plus au nord, une population d’Hommes du Mésolithique scandinave a été étudiées (Skoglund et al. 2014) : le site est étrange, composé d’au moins dix adultes et un enfant. Pour les adultes, seuls des fragments du squelette sont présents, surtout du crâne. Certains d’entre eux étaient montés sur des piques de bois, encore présent pour deux d’entre eux au moment des fouilles. Apparemment, les têtes étaient exposées pendant un certain temps avec d’être enfouies dans le lac, accompagnées d’objet de bois de rennes, d’os, de bois et de pierre, des carcasses animales et des offrandes végétales. La population est datée entre 8300 et 7500 avant le présent, mais seul un échantillon, Motala 12, a été séquencé avec une bonne couverture (2,4X).

Quelques crânes (source : Olalde et al., Lazaridis et al.)

Quelques crânes (source : Olalde et al., Lazaridis et al.)

Restons au nord, en Scandinavie.

Un autre homme du Mésolithique, appelé Stora Forar 11, a été étudié, mais la couverture est si faible que je ne le prendrai pas en compte dans la suite (breaking news : de toute manière, il ne révolutionne pas l’histoire).

Un ensemble de chasseurs-cueilleurs, appartenant à la culture de Pitted Ware de l’île d’Ajvide en Suède a été étudiée par Skoglund et al. Ils sont âgés de 4900 à 4600 avant le présent, ce qui en fait les plus jeunes chasseurs-cueilleurs connus jusqu’à présent. Ils sont morts entre 20 et 50, sauf Ajvide52, un petit garçon de 7 ans, et ont été enterrés avec un ensemble d’objets, de pointes de flèches, de perles en dents de phoque et en os d’oiseaux, d’objet en pierre et de potteries … La plupart ont une mauvaise couverture, sauf l’un, Ajvide 58, qui est séquencé à 2,22X en moyenne. Et c’est sur ce dernier que nous concentrerons nos efforts.

En parallèle de ces derniers chasseurs-cueilleurs, ce sont des premiers fermiers qui ont été étudiés avec la population de Gökhem, un village du centre de la Suède contenant un structure mégalithique contenant au moins 78 personnes. Les échantillons analysés ont été datés autour de 4700 à 5000 ans. Parmi les quatre échantillons étudiés, seul l’un a donné un génome relativement bien couvert (1,33) : Gök2, une femme morte à l’âge de 20 à 30 ans.

Enfin, retour au sud avec Ôtzi (Keller et al. 2012), l’homme des glaces, ou plutôt, le fermier du Tyrol italo-autrichien, dont la momie congelée a été retrouvée en 1991 dans le glacier dans lequel il est mort. Pour lui, c’est une couverture de 7,6X qui a été obtenue.

La Brana, Loshbour, Motala, Ajvide58, les chasseurs-cueilleurs, Stuttgart, Gökhem2, Ötzi les agriculteurs sont tous là, allons-y.

Commençons par le commencement : le génome mitochondrial. Il est évident qu’avec une couverture nucléaire de cette envergure, obtenir le génome mitochondrial est un jeu d’enfant. Les haplogroupes ont donc pu être déterminés pour tout ce petit monde, et les résultats ne sont guère étonnants :

haplogroupes mitochondriaux observés parmi les échantillons anciens étudiés. L'échantillon mésolithique est en beige, les chasseurs-cueilleurs en bleu et les agriculteurs en rouge

haplogroupes mitochondriaux observés parmi les échantillons anciens étudiés. L’échantillon mésolithique est en beige, les chasseurs-cueilleurs en bleu et les agriculteurs en rouge

Aucune différence n’est observée entre les échantillons de chasseurs-cueilleurs du Mésolithique et ceux du Néolithique, qui appartiennent tous à des haplogroupes U, U4 et U5 majoritairement. En revanche, chez les agriculteurs, on voit apparaître la diversité attendue grâce aux analyses précédentes, avec du H, du K, du T …

Quant au nucléaire …

A partir des séquences des génomes, il a été possible d’extraire les SNP, qui sont les différences d’un nucléotide entre deux séquences. Il n’est pas possible de définir des haplotypes pour un génome nucléaire entier : les recombinaisons fréquentes entre marqueurs empêchent aux mutations de ségréger ensemble. Pour les mêmes raisons, il n’est pas possible de retracer des arbres phylogénétiques. D’autres approches sont donc nécessaires.

La première d’entre elles consiste à visualiser les données, ie la proximité entre plusieurs génomes. Comme ces données sont complexes et que le nombre de dimensions est particulièrement élevé, il faut passer par des analyses en composantes principales. Cette approche statistique permet d’extraire les dimensions contenant le plus de différences, ie les plus adéquates pour expliquer les données et de les représenter en 2, voire 3 dimensions.

PCA

Ainsi, les points constitutifs d’un poisson peuvent se représenter en deux dimensions dans sa longueur et sa largeur. En revanche, une partie de l’information est perdue : son épaisseur. Ainsi, deux points (bleus) situé de part et d’autre de sa tête apparaîtront au même endroit sur l’ACP. On considère alors que la représentation de sa longueur et de sa largeur suffisent à obtenir les informations désirées sur l’animal.

Si la même chose est effectuée sur tout le génome de nos anciens européens (et des européens modernes), voilà ce qu’on obtient :

Analyse en composante principale de populations anciennes et modernes d'Europe, du Proche Orient, et d'Afrique du Nord

Analyse en composante principale de populations anciennes et modernes d’Europe, du Proche Orient, et d’Afrique du Nord. Modifié de Lazaridis et al. 2014

La première dimension sépare les populations modernes selon un gradient nord-sud, tandis que la seconde fait apparaître une différence est-ouest. C’est au sein de ce gradient que s’insèrent les européens anciens, montrant la parenté entre les hommes du Néolithique et ceux peuplant actuellement l’Europe.

Une claire différence apparaît entre les chasseurs-cueilleurs, qu’ils soient du Mésolithique ou du Néolithique, et les agriculteurs. Si aucune population européenne moderne n’est similaire aux anciens chasseurs-cueilleurs, les européens du sud actuel, comme les Sardes, ont un génome qui ressemble, dans les deux premières dimensions, à celui des premiers agriculteurs.

Quant aux européens actuels les plus proches des chasseurs-cueilleurs anciens, il s’agit sans surprise des populations du nord de l’Europe, dont la proportion d’haplogroupe mitochondrial U est la plus élevée d’Europe.

Entre ces deux pôles, les européens modernes ont une proportion plus ou moins important de leur génome qui dérive de celui des premiers agriculteurs ou des derniers chasseurs-cueilleurs, qui témoigne d’un métissage différentiel entre ces deux populations anciennes.

Comment ce métissage s’est-il produit ? ça sera l’objet d’un prochain billet (vous avez vu que je tiens mes promesses !)

 Bibliographie

Keller A, Graefen A, Ball M, et al. 2012. New insights into the Tyrolean Iceman’s origin and phenotype as inferred by whole-genome sequencing. Nat. Commun.

Lazaridis I, Patterson N, Mittnik A, et al. 2014. Ancient human genomes suggest three ancestral populations for present-day Europeans. Nature 513:409–413.

Olalde I, Allentoft ME, Sánchez-Quinto F, et al. 2014. Derived immune and ancestral pigmentation alleles in a 7,000-year-old Mesolithic European. Nature

Skoglund P, Malmström H, Omrak A, et al. 2014. Genomic Diversity and Admixture Differs for Stone-Age Scandinavian Foragers and Farmers. Science 344:747–750.

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

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

Le melting-pot européen (1)

Loin de moi l’idée de faire de la politique – quoique l’approche des élections européennes pourraient m’y faire penser – mais les origines des habitants de l’Europe restent assez controversées. Sommes-nous les descendants glorieux des hommes du Paléolithique, les brillants peintres de Lascaux ? La révolution Néolithique en Europe a-t-elle été uniquement culturelle, des chasseurs-cueilleurs adoptant les pratiques de leurs voisins agriculteurs qui se diffusaient parmi eux ? Ou s’est-elle accompagnée d’un remplacement de populations, plus ou moins important ? Quant aux basques et aux sardes, si différents des autres européens, qui sont-ils ?

Si nous ne répondons pas encore à toutes ces questions, le portrait commence à devenir, petit à petit, plus clair. Et ceci grâce à qui ? Grâce à la paléogénétique. Même si les études d’ADN ancien sur les humains sont délicates, à cause des risques de contamination par l’ADN moderne des scientifiques eux-mêmes, les résultats que je présente ici sont très robustes : les mêmes conclusions ont été tirées par des études faites par différentes équipes. C’est donc qu’a priori, ils sont justes.

NB : cette réserve fréquente en ADN ancien devrait en fait être pour toutes les études scientifiques. Une toute seule ne signifie rien. C’est dans la reproductibilité qu’on acquiert la certitude que les résultats sont fiables.

Enfin, je vais me concentrer ici sur les résultats issus uniquement des données mitochondriales. Le génome mitochondrial, dont je vous parlais déjà ici, a une particularité : il est transmis uniquement par la mère. C’est donc uniquement la lignée maternelle que ces études nous permettent de suivre.
Commençons par le commencement, les temps très anciens du Paléolithique et ceux un peu plus récents du Mésolithique. Les hommes de cette époque sont des chasseurs-cueilleurs, plus ou moins nomades. Ils taillent la pierre, arrivant même au Mésolithique à créer des pointes de flèche d’une finesse inouïe. C’est de cette époque plus récente que datent la plupart des échantillons dont l’ADN a été étudié jusqu’à présent, même si un échantillon du Magdalénien a également été analysé. Quant à la localisation géographique, le nord comme le sud de l’Europe sont représentés.

PaleoMeso

Carte localisant l’origine des échantillons du Mésolithique et du Paléolithique dont l’ADN mt a été étudié.

Ces analyses montrent que la plupart des séquences, ou haplotypes, appartiennent à une même famille de séquence : l’haplogroupe U. Et, plus précisément, deux haplotypes sont largement majoritaires dans l’Europe pré-Néolithique, les haplotypes U5 et U4. Or, de nos jours, cet haplogroupe est extrêmement minoritaire en Europe. Alors qu’on le retrouve à près de 80% dans les populations préhistorique du nord de l’Europe, il représente de nos jours que 1-7% des séquences. Quelle dégringolade ! L’explication la plus évidente est la suivante : la part de Cro magnon dans le paysage génétique actuel est très faible. Les hommes qui ont peint Lascaux ne sont qu’une toute petite partie des ancêtres des européens actuels.
Cependant, quand on s’approche de la Baltique, on le retrouve à 40% chez les Saamis actuels (une population du Nord de la Scandinavie), et largement majoritaire dans les peuples à l’Est de la Baltique. Si on cherche des Cro Magnon, on ne doit les chercher ni dans le Pays Basque, ni en Sardaigne, mais en Lituanie !

Quelle est la cause d’un changement aussi brutal de la situation ? Devrait-on la chercher du côté du Néolithique ? La révolution culturelle s’est-elle accompagnée de l’arrivée massive d’une nouvelle population, remplaçant l’ancienne ?

Source : wikimedia commons

Potterie du Rubanée (Source : wikimedia commons)

Quand on s’intéresse au génome mitochondrial d’échantillons du Néolithique du Nord de l’Europe (Allemagne, France, …), en particulier de la culture Rubanée (LBK dans les publications), on voit apparaître de nouveaux haplogroupes en plus de l’haplogroupe U: H, HV, T, K, J, W, N1a. Des analyses mathématiques qui comparent les populations déjà passées à la Révolution Néolithique de celles qui, contemporaines, restent encore au Mésolithique, montrent que ces populations sont très différentes : ce n’est donc pas un hasard lié au faible nombre d’échantillons si une telle structuration génétique apparait. Les populations de chasseurs cueilleurs sont génétiquement différentes de celles des premiers agriculteurs européens. Ainsi, la Révolution Néolithique s’est accompagnée d’un flux migratoire extrêmement important. La population du paléolithique et du mésolithique a été largement remplacée par des groupes venus …

Tadam !!

Distance génétique entre populations du Néolithique et populations modernes. A. 42 échantillons du Rubanée ; B. 21 chantillons du cimetière de Derenburg (Allemagne) datant de la même période. (Source : Haak et al. 2010)

Distance génétique entre populations du Néolithique et populations modernes.
A. 42 échantillons du Rubanée ; B. 21 chantillons du cimetière de Derenburg (Allemagne) datant de la même période.
(Source : Haak et al. 2010)

 

du Proche-Orient et d’Anatolie, via l’Europe Centrale. C’est avec des populations modernes de cette région du monde que les échantillons du Néolithiques ont la distance génétique la plus faible. Les archéologues se doutaient déjà qu’une relation existait entre le Nord-Est de la Méditerranée et les premiers hommes du Néolithique européens grâce aux ressemblances culturelles qu’ils ont mis en évidence. Mais les études génétiques permettent de préciser la nature de ces relations : ce sont les peuples, et non seulement les idées, qui ont circulé avec troupeaux, et pratiques culturelles différentes,qui se sont très peu mélangés avec les populations locales qu’ils ont peu à peu remplacées. Entre les deux hypothèses de diffusion culturelle et de diffusion démique (de « démos », peuple en grec), c’est la seconde qui l’emporte.

De fait, il est possible de retrouver une trace de cette histoire dans la population actuelle. Des chercheurs ont étudié l’histoire des haplogroupes U (l’haplogroupe majoritaire chez les « chasseurs-cueilleurs ») et H (celui des « fermiers-éleveurs ») en reconstituant la taille des populations qui les portaient. Le nombre de gens portant l’haplogroupe U augmente fortement à la fin du Paléolithique : la fin du dernier maximum glaciaire a permis que les populations paléolithiques cloîtrées dans les refuges au sud de l’Europe recolonisent le nord et s’étendent ainsi. Au contraire, c’est après 9000 av. JC que la population portant l’haplogroupe H augmente en taille, lorsque des groupes humains d’agriculteurs remontent vers l’Europe et s’y installe. Et quand les deux populations coexistent, l’haplogroupe U perd : la taille de sa population diminue entre 6000 et 5000 av. JC. Pas facile de cohabiter… La situation se normalise enfin après 5000 av. JC, après la fusion entre les deux populations, une fois que tout le monde est passé à l’agriculture.

 

Evolution de la taille de la population efficace, calculée à partir des haplotypes actuels. La ligne pleine représente la taille de la population calculée ; les lignes pointillée, les 95% de probabilité. Source : Fu et al. 2012

Evolution de la taille de la population efficace, calculée à partir des haplotypes actuels.
La ligne pleine représente la taille de la population calculée ; les lignes pointillée, les 95% de probabilité.
Source : Fu et al. 2012

Est-ce là la fin de l’Histoire ? Sommes nous les descendants de ces migrants du Proche-Orient ?
Il semblerait que non. Déjà, ce qui a mis la puce à l’oreille de la première équipe ayant étudié les populations du Rubanée, c’est la forte prévalence de l’haplogroupe N1a. Il a même été retrouvé dans un de trois individus enterrés dans une chambre mégalithique, dans les Deux-Sèvres. S’il est fréquent au Néolithique, cet haplogroupe extrêmement rare aujourd’hui. Ces premiers agriculteurs auraient donc été remplacés par une troisième population…
C’est également ce que montrent deux études plus récentes.
L’une s’intéresse à des populations du Néolithique, de l’Âge de Cuivre et de l’Âge du Bronze, en Ukraine. Les chercheurs mettent en évidence une discontinuité génétique entre les ukrainiens actuels et ceux du Néolithique, mais montrent que ceux de l’Âge du Cuivre et du Bronze ne sont pas différentiables des populations modernes. Entre le début du Néolithique et la fin de la Préhistoire, il y aurait donc eu de nouveau un fort mouvement migratoire – et pas grand chose de notable depuis.

Potterie Campaniforme (Source : wikimedia commons)

Potterie Campaniforme (Source : wikimedia commons)

La seconde précise le portrait en comparant les haplotypes au sein de l’haplogroupe H, cet haplogroupe apparaissant en Europe au Néolithique et toujours très bien représenté dans la population européenne. Or, si l’haplogroupe lui même reste bien représenté à toutes les époques du Néolithique, les haplotypes eux-mêmes changent au milieu du Néolithique, entre les débuts du Néolithique (la culture du Rubanée) et la fin (les cultures Campaniforme et de la Céramique cordée). Des flux de population venus principalement de la Péninsule ibérique pour la Campaniforme et également Nord-Est de l’Europe pour le Céramique cordée auraient peu à peu remplacé les populations du Rubanée.

Potterie de la Culture de la Céramique Cordée (Source : wikimedia commons)

Potterie de la Culture de la Céramique Cordée
(Source : wikimedia commons)

 

Dans le sud de l’Europe, la situation est quelque peu différente. Déjà, au Paléolithique, il semble que les chasseurs-cueilleurs des rives méditerranéennes montraient un peu plus de diversité que ceux du centre de l’Europe, puisqu’on y trouvait déjà l’haplogroupe H en plus de l’haplogroupe U. Cependant, le faible nombre d’individus séquencés pousse à prendre cette information avec des pincettes.
Ensuite, aucun des individus du Néolithique analysés, provenant du Nord de l’Espagne et du Sud de la France ne présente l’haplogroupe N1a, celui qui signait dans le centre de l’Europe la première vague de migration néolithique. La Néolithisation dans le sud de l’Europe aurait donc pris une autre voie, par la Méditerranée. Cette seconde voie d’entrée du Néolithique en Europe était déjà suspectée par les archéologues car cette région se caractérise par une autre culture, le Cardial.

Potterie du Cardial (Source : wikimedia commons)

Potterie du Cardial
(Source : wikimedia commons)

Enfin, la répartition haplotypique de cette cinquantaine d’échantillon n’est pas significativement différente de celle des espagnols d’aujourd’hui : il y a bien une parenté entre les espagnols d’aujourd’hui et ceux dont on retrouve la trace il y a 5000 ans. Contrairement à l’Europe du nord qui aurait vu se succéder deux remplacements de population, l’histoire de l’Europe du Sud serait plus simple, avec un seul mouvement migratoire d’importance. Mais bien entendu, ces analyses ne montrent que l’histoire de la lignée maternelle. Si des hommes, et uniquement des hommes, s’installent dans une région et se marient avec les femmes locales, nous ne pourrons en voir de trace dans le génome mitochondrial (promis, la suite, l’histoire du génome nucléaire arrive bientôt !).

 

Mais déjà, ces analyses permettent de retracer une histoire complexe pour le peuplement de L’Europe : elle voit se succéder en quelques milliers d’années trois remplacements de populations massifs. D’abord, les premiers agriculteurs remplacent presque largement les derniers chasseurs-cueilleurs au centre et au sud de l’Europe; puis se font remplacer eux-même par des peuples venus du sud et du nord de l’Europe. Le paysage génétique européen s’est donc construite via des flux migratoires successifs, d’abord venus d’Afrique, avec les premiers hommes modernes, puis du Proche-Orient avec les premiers agriculteurs, et enfin du brassage génétique au sein de l’Europe, quand les ibères sont remontés vers le nord et l’est de l’Europe.

L’Europe, déjà une terre d’immigration ?

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Les sources :

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Et tu t’es lavé les dents ?

Qu’est ce qui nous accompagne tous les jours, nous définit aussi surement que notre carte d’identité, est aussi petit qu’on ne peut pas le voir sans un microscope, mais pèse tout de même quelques kilos ?

Vous séchez ? Allez, je vous aide : qu’est ce qui vous aide à digérer votre nourriture, est impliqué dans un nombre croissant de maladies et vous donne mauvaise haleine le matin, au réveil ?

Nos bactéries, bien sûr, ou pour être plus juste, nos écosystèmes de bactéries : celui de la bouche, celui de la peau, celui du vagin, ou du tube digestif. Vous ne vous voyez pas comme une planète, avec ses régions chaudes et humides, à la biodiversité luxuriante, et ses déserts arides ?

Vous devriez…

Ce qui est intéressant avec notre microbiome, cet ensemble d’écosystèmes bactériens qui constitue 90% des cellules que porte notre corps*, c’est qu’il indique beaucoup de choses sur notre mode de vie et notre santé. Ainsi, par exemple, ce ne sont pas les mêmes bactéries que l’on trouve dans le tube digestif d’une personne mince et d’une personne obèse. Mieux encore, si on transfère à des souris sans flore intestinale, les bactéries de souris obèse, les premières prennent du poids (et elles n’en prennent pas si on leur transfère la flore de souris minces). Non seulement notre flore bactérienne est un témoin de notre mode de vie, mais elle influe également sur notre santé.

Des chercheurs australiens, de l’Université d’Adélaïde, se sont intéressés à la flore bactérienne de notre bouche, et à la manière dont elle a évolué suite aux deux changements de régime alimentaire qu’a connu l’espèce humaine : le Néolithique, où l’apport en glucides a considérablement augmenté par rapport au Paléolithique ; et la Révolution Industrielle, où la farine et le sucre raffinés sont devenus monnaie courante.

Par chance, les bactéries de notre bouche s’organisent en un biofilm complexe, la plaque dentaire, qui, en incorporant du phosphate de calcium, se minéralise en tartre. Dans le tartre, les bactéries (et leur ADN, qui nous intéresse) sont emprisonnées, et ce tartre peut se conserver sur le squelette aussi longtemps que les dents.

Alan Cooper et son équipe ont donc récupéré du tartre sur des dents de toutes les époques, du Mésolithique (à la frontière entre le Paléolithique et le Néolithique), à l’époque moderne, en passant par le Néolithique, l’Age du Bronze, le Moyen-Âge ancien et récent. Ils en ont extrait l’ADN bactérien de chacun des échantillons et se sont intéressés à une séquence bien particulière : le gène 16S. Ce gène, qui code pour un ARN ribosomal**, est présent chez toutes les bactéries, mais porte des mutations qui permettent de faire la différence entre chaque espèces. Il nous sert en quelque sorte de « code-barre génétique », grâce auquel on parvient à connaître les différentes espèces bactériennes qui constituent le microbiome de la bouche.

ImageCette figure montre la composition en différentes familles de bactéries des échantillons étudiés. Sur la gauche, sont les échantillons de tartre ou la composition du microbiome de la bouche, tel que mis en évidence par Human Oral Microbiome Database (HOMD). Sur la droite, sont des échantillons de provenance variée, qui permettent de vérifier si la contamination des échantillons anciens est importante : ce n’est pas le cas dans cette analyse.
La flèche verte est la flèche du temps.

Après avoir vérifié que la composition du microbiome du tartre ancien ressemblait à celui du tartre moderne, et pas du tout à celui du sol, des sédiments ou du labo dans lequel les échantillons avaient été prélevés, les chercheurs ont comparé les échantillons entre eux. Qu’ont-ils vu ? Que la composition de la flore bactérienne change au cours du temps.

Le passage du Mésolithique, avec des chasseurs-cueilleurs, au Néolithique, avec des fermiers, se traduit par une diminution nette de la proportion de Firmicutes au profit des autres espèces. Que des taxons très peu représentés dans les échantillons préhistoriques gagnent en importance au fil des âges : les Fusobactéries deviennent une part importante de notre microbiome ; et les Bacteroides explosent. Or, de nombreuses études ont montré que le taux de bactéries de type Bacteroides dans la flore microbienne est corrélé positivement au poids de l’individu : les humains modernes sont donc plus gros et plus lourds que leurs ancêtres, sans que l’on sache si la modification de la flore bactérienne en est une des causes, ou un des symptômes.

Les chercheurs ont aussi quantifié la diversité génétique présente dans chacun des échantillons.Image

Ce graphique montre une diversité assez faible dans les échantillons les plus anciens : cependant, les ADN très âgés sont souvent dégradés, ce qui doit artificiellement diminuer la quantité d’espèces qu’on est capable de retrouver. Là où la courbe est plus intéressante, c’est dans la partie la plus récente : entre le Moyen-Âge et l’époque moderne, c’est près d’un tiers de la diversité phylogénétique qui est perdue. Depuis le Moyen-Âge, et, si on en croit les conclusions des auteurs, depuis la Révolution Industrielle, notre écosystème buccal a perdu beaucoup de biodiversité.

Les chercheurs se sont intéressés plus précisément à la présence de certaines espèces bactériennes. Les archéologues savent depuis longtemps qu’au Néolithique apparaissent des maladies que ne connaissaient pas les chasseurs-cueilleurs de la Préhistoire : les caries et la gingivite. Or, des espèces bactériennes ont été mises en évidence comme fortement associées à ces deux maladies. Ainsi, Porphyromonas gingivalis est une des bactéries qui cause la gingivite. Quant à Streptococcus mutans, elle prolifère en présence de sucre et serait une des causes principales des caries.

Que voit-on sur le graphique ci-dessous ?

Image

Les bouches des hommes du Mésolithique ne contenaient pas de S. mutans et très peu de P. gingivalis. Cette dernière prolifère après le Néolithique. Quant à S. mutans, si elle commence à pointer le bout de son nez à l’Âge du Bronze, elle explose après la Révolution Industrielle et ses sucres raffinés.

Que conclure de cette étude ? Que notre alimentation riche en sucres simples comme complexes ne fait pas de bien à nos dents. Que notre bouche renferme un écosystème de composition variée, mais dont la richesse diminue au fil du temps. Comme tous les écosystèmes qui subissent une baisse de biodiversité, il en devient plus fragile et plus susceptible d’être envahi par des organismes pathogènes. Que les Révolutions Agricole et Industrielle ont un rôle direct sur le fonctionnement de notre organisme.

A titre personnel, cette étude me conduit à deux réflexions. Déjà, que la paléogénétique est une discipline merveilleuse, qu’on aurait tort de considérer comme un passe-temps agréable mais pas très utile à la société. La sempiternelle question du « Mais ça sert à quoi, ce que tu cherches ?? » trouve ici une réponse assez claire.

Le seconde remarque nait de l’explication donnée par les chercheurs et que je reprends ici : selon eux, c’est la modification de l’alimentation, et en particulier l’apport de plus en plus important de glucides dans l’alimentation, qui cause la variation de la composition de notre flore bactérienne. Je trouve que cette explication est un peu rapide, et qu’elle ne prend pas assez en compte les innombrables changements qui ont ponctué l’histoire humaine. Au Néolithique, nous n’avons pas seulement changé d’alimentation, nous avons aussi changé de mode de vie. En se sédentarisant, les êtres humains se sont peut-être frottés à une moins grande variété de bactéries, ce qui se traduirait par l’appauvrissement de la composition de notre flore bactérienne ? Quant aux australiens modernes, analysés dans l’étude, ils boivent une eau purifiée de tous microbes, prennent des antibiotiques, ont une hygiène plus poussée qu’au Moyen-Âge, autant de comportements dont l’incidence sur notre microbiome n’est pas négligeable.

 

Merci à Léa et Amélie, pour votre relecture et vos conseils. You’re the best !

Sequencing ancient calcified dental plaque shows changes in oral microbiota with dietary shifts of the Neolithic and Industrial revolutions. Adler CJ. et al. Nature Genetics Advanced online publication. doi:10.1038/ng.2536

*et 99% des gènes.

**les ribosomes sont des structures sub-cellulaires qui participent à la traduction des ARN en protéines.