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