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.

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