Paléogénétique_2021

Différentes techniques permettent aujourd'hui d'analyser l'ADN de restes fossiles, comme ceux récupérés sur des échantillons de restes néanderthaliens (voir ci-contre). Ces nouvelles méthodes, qui constituent la paléogénétique, ont profondément révolutionné les informations apportées par les fossiles. En effet, dans la majorité des cas, les fossiles retrouvés sont très incomplets rendant leur étude compliquée, voire impossible. Grâce à la paléogénétique, on peut aujourd'hui exploiter de très petits fragments fossilisés suffisament bien conservés pour contenir de l'ADN. On peut alors comparer des séquences d'ADN récupérées sur ces restes d'individus fossiles et chercher à établir des liens de parenté entre ces individus.

Quand la paléogénétique nous renseigne sur l'histoire de l'humanité

Comment s'effectuent les études de paléogénétiques et quels en sont les apports pour la reconstitution de l'histoire de l'humanité ?

La paléogénétique est une discipline de la biologie s'intéressant à la récupération et à l'analyse des séquences d'acides nucléiques (ADN ou ARN) d'organismes à partir de restes fossiles.

Les Hommes de Denisova découverts par un ADN fossile

Les Dénisoviens représentent une espèce appartenant au groupe des Homonidés et récemment identifiée. Contrairement aux autres espèces d’hominidés, ce n’est pas un anthropologue qui a identifié cette nouvelle espèce mais un généticien.En 2008, des chercheurs avaient exhumé dans la grotte de Denisova (Montagnes de l’Altaï en Sibérie) des artefacts et des ossements datés sur une période comprise entre -30 et – 40 000 ans. Parmi ces derniers figurait le morceau d’une phalange auriculaire d’un jeune enfant (voir photo ci-dessous). En tentant une extraction d’ADN les chercheurs cherchaient à déterminer l’espèce d’hominidé qui avait séjourné dans la cavité : Homo néandertalensis ou Homo sapiens ? C’est le généticien Svante Pääbo (Institut Max-Planck, Leipzig en Allemagne) qui a séquencé l'ADN mitochondrial (ADNmt) extrait du minuscule morceau d’os. Les conclusions ont montré que les restes appartenaient à une espèce d’hominidé inconnue. L’homme de Denisova était né d’un morceau de phalange !

Questions

Question 1 : indiquez la particularité des critères qui ont servi à définir l'espèce Denisovien; selon vous, quels sont les critères qui sont habituellement utilisés ? Question 2 : indiquez quelles sont les conditions environnementales qui permettent d'expliquer la richesse en restes fossiles dans la grotte de Denisova ?

La grotte de Denisova (Altaï)

En 2010, les paléogénéticiens de l’Institut d’anthropologie évolutive de Leipzig ont découvert le génome dénisovien dans un petit morceau de cette phalange (partie bleue et verte). Récemment, une équipe de l’institut Jacques-Monod de Paris et de l’université de Bordeaux a réuni ce spécimen fossile à un autre fragment osseux provenant de la grotte de Denisova et ainsi reconstitué la célèbre phalange. © E.-M. Geigl, inst. Jacques-Monod/ Bence Viola, université de Toronto. Source : Pour la Science

Fragment de phalange de la femme de Denisova

En 2010, une étude réalisée sur l’ADN de la phalange distale Denisova 3 a révélé que cet ADN présente de nombreuses mutations qui ne se retrouvent ni chez les Néandertaliens, ni chez les hommes modernes. Ainsi, les Denisoviens seraient une nouvelle espèce humaine. Bien que l’espèce ne fût pas nommée officiellement (même si le nom Homo altaiensis commence à apparaître dans la littérature, essentiellement russe), c’est le premier groupe humain qui a été défini d’après une séquence d’ADN et non d’après des caractères morphologiques. Source : https://www.hominides.com/html/dossiers/denisoviens-groupe-humain-realite-biologique.php

L'histoire des chevaux révélée par son ADN Dès le décès d'un être vivant, son ADN commence à se dégrader sous l'action d'enzymes ou de micro-organismes. Cependant, la vitesse à laquelle le matériel génétique se fragmente dépend de nombreux facteurs, comme de la température de conservation du cadavre. Par -5 °C, l'ADN pourrait théoriquement subsister durant 6,8 millions d'années, mais il deviendrait illisible (et donc impossible à séquencer) à partir de 1,5 million d'années. Oui, le froid conserve... Une nouvelle étude, coécrite par Ludovic Orlando de l'université de Copenhague (Danemark), ne peut que le confirmer. En effet, l'équipe internationale à la base de ce travail vient de séquencer intégralement l'ADN d'un animal conservé dans le pergélisol arctique depuis 560.000 à 780.000 ans, établissant ainsi un nouveau record. Le fossile a été découvert en 2003, dans le centre-ouest de la région du Yukon, au Canada. Il s'agit d'un fragment d'os métapodial d'environ 15 cm de long, qui appartenait à la patte d'un ancien cousin de nos chevaux domestiques, selon les analyses génétiques. Auparavant, le plus vieux génome complètement séquencé était celui d'un ours polaire mort voilà 110.000 à 130.000 ans. Source : https://www.futura-sciences.com/planete/actualites/paleontologie-histoire-chevaux-devoilee-plus-vieux-genome-sequence-47465/

La phylogénie moléculaire

La comparaison de séquences entre des molécules d'ADN ou entre des molécules protéiques peut permettre d'établir des liens de parenté entre les espèces. En effet, en étudiant certaines séquences, il est possible de montrer que plus des espèces ont un lien de parenté étroit, donc un ancêtre commun récent, plus leurs séquences moléculaires sont proches. Les liens de parenté peuvent être représentés sous la forme d'arbres phylogénétiques dont la longueur des branches est proportionnelle au nombre de différences entre les séquences moléculaires.Grâce à la paléogénétique, ces comparaisons peuvent maintenant s'effectuer également sur de l'ADN fossile.

Arbre phylogénétique 1 : établi à partir de l'ADN mitochondrial

L'ADN mitochondrial est celui des mitochondries, organites qui ont l’avantage d’être présents en de multiples exemplaires dans une même cellule et de contenir chacun de nombreuses molécules d’ADN similaires (alors qu’on ne trouve qu’un seul noyau par cellule, ne contenant qu’un unique exemplaire de chaque ADN paternel et maternel). Outre l’avantage du nombre, l’ADN mitochondrial, qui est d’héritage presque uniquement maternel, a l’intérêt d’être garanti contre les recombinaisons entre chromosomes paternels et chromosomes maternels existant au sein de l’ADN nucléaire. L’ADN mitochondrial permet ainsi de pister l’histoire évolutive sans le brouillage des recombinaisons. Source : https://planet-vie.ens.fr

Arbre phylogénétique 2 : établi à partir de l'ADN nucléaire

L'ADN nucléaire est celui présent dans le noyau des cellules.

Questions

Question 1 : d'après l'arbre 1, indiquez quelles sont les deux espèces qui ont le lien de parenté le plus étroit parmi les trois groupes représentés : Denisovien, Néanderthalien et Sapiens ? Question 2 : d'après l'arbre 2, indiquez quelles sont les deux espèces qui ont le lien de parenté le plus étroit parmi les trois groupes représentés : Denisovien, Néanderthalien et Sapiens ? Question 3 : proposez une explication à l'existence de deux arbres différents pourtant établis à partir de l'ADN.

Quand l'étude de l'ADN permet de reconstituer des hybridations passées

La reconstitution ci-contre est celle de Denny, également connue sous le nom de Denisova 11, l'un des ossements non identifiés de la grotte de Denisova. L’étude de son collagène ayant révélé son caractère humain, les paléogénéticiens ont entrepris de séquencer l’ADN contenu dans ce fragment d’os long, dont l’aspect suggère qu’il aurait appartenu à un jeune fille âgée d’environ 13 ans, morte il y a 90 000 ans environ. Pour leur analyse, les scientifiques ont foré l'os en trois points afin d’obtenir de la poudre. Puis ils se sont livrés aux manipulations chimiques et à l’amplification (par la technique PCR) pour constituer des collections de fragments d’ADN humain. C’est sur la base de ces « bibliothèques de séquences » que les ordinateurs de l’institut Max-Planck ont reconstitué le génome complet de Denisova 11. https://www.pourlascience.fr/sd/paleontologie-humaine/les-neandertaliens-et-les-denisoviens-ont-eu-des-enfants-14864.php

Questions

Question 1 : d'après les résultats publiés dans cet article, justifiez que Denny est un individu F1, c'est-à-dire la fille d'un couple mixte "Néandertalien-Dénisovien". Question 2 - Les études paléogénétiques effectuées sur l'os de Denny ont montré que l'ADN mitochondrial était néandertalien. A partir de cette information, indiquez l'origine spécifique (Néandertalien ou Dénisovien) de la mère et du père de Denny.

Dans le numéro du 23 août 2018 de la prestigieuse revue Nature (publiée par Slon et collaborateurs) une étude portant cette fois sur l’ADN nucléaire de ce fragment osseux a été publiée et il ressort que près de la moitié de cet ADN est néandertalien et l’autre moitié est dénisovien. En d’autres termes, Denisova 11 n’est ni tout à fait un Néandertalien, ni tout à fait un Dénisovien.https://www.hominides.com/html/actualites/neandertaliens-denisoviens-hybridation-1261.php

Denny, alias Denisova 11, avait 13 ans, estime-t-on. Bien que de père dénisovien, elle ressemblait peut-être à cet enfant néandertalien (reconstitution d’après le moulage d’un crâne découvert à Devil’s Tower, à Gibraltar).

Dans le génome des individus étudiés, il est possible de déterminer pour certains gènes s'ils possèdent deux allèles de même origine NN (deux allèles Néandertaliens) ou DD (deux allèles Dénisoviens) ou des allèles d'origine différente (ND : un allèle Néandertalien et un allèle Dénisovien). Dans cette étude, les chercheurs ont cherché à déterminer si Denny était la fille d'un couple "mixte" (Denisovien/Néanderthalien) ou bien éventuellement la fille de deux individus eux-mêmes hybrides. Pour cela, ils ont comparé les proportions de gènes à l'état hétérozygote (ND sur le graphique) et homozygotes (NN ou DD) identifiés chez Denny (Dénisova 11) avec les proportions de ces différentes catégories de gènes (ND, DD et NN) chez des individus hybrides F1 (issus d'un croisement entre un parent Néandertalien et un parent Dénisovien), chez des individus F2 (issus d'un croisement entre deux individus F1) et chez des individus issus d'un croisement F1XD (entre un hybride F1 et un individu Dénisovien). The genome of the offspring of a Neanderthal mother and a Denisovan father