La rubrique Parlons Sciences inaugure avec cet article un cycle d'articles sur l'ADN.
Retrouvez l'article de Ludovic Orlando : "Sur les pas : de l'ADN !"
Visiter le Muséum de Toulouse nous permet d'apprécier la diversité des formes de vie sur notre planète, y compris celles des espèces éteintes depuis des dizaines, des centaines, voire des milliers d’années. Les spécimens de musées renferment également une mine d'informations pourtant invisibles à l'œil du visiteur : les informations génétiques qu’ils contiennent dans leurs molécules d'ADN. En analysant l'ADN qui survit après la mort de ces spécimens, les spécialistes en paléogénomique sont capables de décoder les génomes des organismes du passé, et d’accéder ainsi à l'ensemble des séquences d'ADN qui régissent leurs fonctions biologiques. L'ADN ancien constitue ainsi un outil très puissant permettant de suivre l'évolution du vivant au cours du temps, de retracer nos origines, et même de quantifier l'impact des humains sur la biodiversité. Avec le développement continu des techniques de séquençage d’ADN ancien dans l’ère du big data, la paléogénomique, en complémentarité avec d’autres disciplines telles que l’archéologie, la morphologie et les sciences paléoenvironnementales, offre des perspectives prometteuses pour contribuer à répondre aux questions de nos sociétés.
L’ADN, molécule du vivant…
L'ADN, ou l’acide désoxyribonucléique, est une longue molécule, porteuse de l'information génétique chez tous les organismes vivants, bactéries, plantes, animaux parmi lesquels les humains. Les techniques classiques dites de « biologie moléculaire » permettent d'isoler et d'analyser les molécules d'ADN à partir de tissus ou de fluides d'individus vivants afin de caractériser les relations génétiques entre les organismes et de comprendre les bases génétiques de l'évolution des populations et des espèces.
… qui survit après la mort
En 1984, l'idée est venue d'appliquer ces mêmes techniques à des restes anciens conservés dans les musées. Le premier spécimen analysé fut celui d’un quagga, un membre de la famille des chevaux, ânes et zèbres. Cette espèce, jadis abondante en Afrique du Sud, s’est éteinte en 1883 du fait de sa sur-chasse (Figure 1). L’étude a montré que des séquences d'ADN proches de celles d’un zèbre actuel pouvaient être retrouvées à partir d'échantillons de muscle prélevés sur un quagga empaillé du Musée d'Histoire Naturelle de Mayence en Allemagne et vieux de 140 ans. Ainsi, cette étude fondatrice a provoqué un fort engouement dans la communauté scientifique et a ouvert la voie à l'étude des spécimens de collections de zoologie ou de paléontologie, d’herbariums, ou de sites archéologiques. Bientôt suivra le séquençage de l’ADN de peaux de momies égyptiennes de 2.000 ans ou d’os de dinosaures de 80 millions d'années.
Figure 1. Quagga, sous-espèce éteinte de zèbre d'Afrique du Sud (Equus quagga quagga) Zoo de Regent's Park, Londres, 1870.
(Crédit Frédéric York via wikipedia)
Les techniques d'ADN ancien sont en fait applicables à une grande variété d’échantillons biologiques d’animaux qui survivent aux dommages du temps, tels que les os, les dents et le tartre dentaire, mais aussi les peaux, les cheveux, les poils et les plumes, ou encore les coquilles d'œuf et les coquilles de mollusques. De l’ADN ancien de plantes peut de même être obtenu à partir de feuilles, graines, ou bois... Les objets archéologiques comme les outils, les poteries, les parchemins et les tissus anciens sont également des sources d’ADN ancien de par les éléments qui le constituent ou qu'ils ont contenu (Figure 2). L'engouement initial a ensuite quitté le seul champ de la science pour atteindre le grand public, inspirant le livre à succès Jurassic Park de Michael Crichton en 1993, et son adaptation cinématographique par Steven Spielberg en 1994, deux œuvres de fiction qui imaginent comment les techniques d'ADN ancien peuvent redonner vie à des dinosaures.
Figure 2. Exemples de spécimens du Muséum de Toulouse analysables en paleogénomique.
1. Dents, tartres, os. 2. Poils, cheveux, fourrures, peaux, cornes. 3. Plumes. 4. Spécimens fixés (ex. dans du formol). 5. Coquilles d’œuf. 6. Coquilles de mollusques. 7. Fèces fossilisés. 8. Feuilles, tiges, graines, bois. 9. Poteries. 10. Outils. 11. Manuscrits, parchemins.
(Crédits : Muséum de Toulouse, Wikimedia commons)
Jurassic Park ? Mission Impossible !
Cependant, la communauté scientifique s'est rapidement aperçue que les techniques en vigueur étaient sévèrement limitées. Cela est dû au fait qu'après la mort d'un organisme, son ADN subit des dégradations qui ne sont plus réparées par les systèmes mis en œuvre par les cellules vivantes. On retrouve alors dans les spécimens anciens, des molécules d'ADN très courtes et endommagées chimiquement, rendant le travail expérimental très peu rentable et efficace, et conduisant les spécialistes à commettre de fréquentes erreurs dans leurs tentatives de lecture de l'information que ces molécules anciennes portent. Par conséquent, il n’était alors possible d’analyser que de courtes séquences d’ADN ancien, représentant moins de 0.0005% de la totalité de l’information génétique contenue dans le génome.
La préservation de l'ADN au cours du temps dépend du contexte environnemental dans lequel le spécimen a été déposé, les sols perpétuellement gelés (pergélisols), par exemple, offrent les conditions optimales. Même dans des conditions de conservation idéales, il est communément admis que les probabilités sont faibles de retrouver de l'ADN plus vieux qu'un million d'année, réduisant à néant les chances de ramener les dinosaures à la vie après 65 millions d’années d’extinction.
Par ailleurs, la dégradation de l'ADN ancien rend les analyses très sensibles à la présence d'ADN moderne, qui peut « contaminer » les expériences. Cette contamination peut intervenir à tout moment après la mort du spécimen et peut provenir du sol du site de fouilles, des produits et matériels utilisés pour analyser le spécimen, ou de tout archéologue, paléontologue ou généticien impliqué dans ces analyses. Les contaminations peuvent être contrôlées et réduites, notamment grâce à l'isolation et au nettoyage intensif des laboratoires où les analyses d'ADN ancien sont réalisées (salle blanche), ou grâce au port d'équipement de protection (gants, masques, combinaison, etc ; Figure 3). Avec la mise en lumière du problème de la contamination, de nombreux résultats, dont ceux obtenus à partir d’échantillons de momie ou de dinosaures, ont été contestés car ils n’avaient pas été obtenus dans des conditions conformes aux critères stricts établis pour l’authentification des séquences ADN anciennes. Les problèmes inhérents à l'étude de l'ADN ancien ont longtemps été considérés comme des limites techniques insurmontables à la caractérisation de génomes anciens complets.
Figure 3. Paléogénomicienne travaillant dans un laboratoire d'ADN ancien.
(Crédits: Antoine Fages)
La révolution du séquençage ADN à haut débit au secours de la paléogénomique
Le développement de technologies de séquençage ADN à haut-débit dans les années 2000 a révolutionné le domaine de l'ADN ancien, permettant, en 2010, la caractérisation du génome du premier humain ancien jamais séquencé, un homme de la culture Saqqaq du Groënland daté de 5.500 ans. Au cours des dix dernières années, le nombre de génomes anciens séquencés a augmenté de façon exponentielle, le plus ancien étant celui d'un cheval vieux d’au moins 560.000 ans retrouvé dans le pergélisol canadien (Figure 4). Ainsi, la paléogénomique a depuis permis de reconstruire les trajectoires évolutives d'un certain nombre d'espèces, dont certaines sont aujourd'hui éteintes, comme les mammouths par exemple. Elle a par ailleurs clarifié nos relations avec nos cousins hominidés disparus, les Néandertaliens et les Dénisoviens. L'ADN ancien a aussi retracé les migrations humaines qui ont conduit au peuplement de la planète. Une autre application de la paléogénomique est l'étude de la modification des espèces animales et végétales au cours des processus de domestication, comme pour le cheval, le chien, le cochon, ou le maïs. Pour finir, l'ADN isolé sur des victimes de pandémies historiques a rendu possible l'identification des bactéries impliquées, entre autres, dans les infections de lèpres et de pestes. Parmi elles, on compte la Peste Noire du XIVème siècle, qui décima près de la moitié de la population de l’Europe, et dont un cimetière a été découvert en 2014 à deux pas du Muséum de Toulouse, rue des Trente-Six Ponts.
Figure 4. Analyse d'un os de cheval au laboratoire de paléogénomique (Crédits : Clio Der Sarkissian)
Les méthodes d’exploration de l’ADN ancien sont constamment améliorées tant par les biologistes moléculaires dans leurs laboratoires que par les spécialistes en bioinformatique devant leurs ordinateurs, ce qui permet de générer et d’analyser de manière plus performante un nombre toujours croissant de données à partir de specimens de plus en plus vieux. L’interprétation de ces données en collaboration avec des archéologues, morphologistes 3D, et spécialistes en sciences des paleoenvironnements promet d’aider à comprendre comment les systèmes biologiques ont répondu aux changements environnementaux et aux activités humaines du passé. Connaître ces processus est particulièrement pertinent pour les sociétés actuelles au vu des changements globaux auxquels nous assistons aujourd’hui avec les effets du réchauffement climatique et de la pollution. Le potentiel de l’ADN ancien à retracer le passé souligne la valeur scientifique et l’importance des spécimens conservés dans les Muséums d’Histoire Naturelle comme celui de Toulouse.
A lire sur ce sujet :
Orlando L, 2005, L’anti-Jurassic Park. Belin, p 272
Article rédigé par Clio Der Sarkissian, Post-doctorante Marie Skłodowska-Curie
Laboratoire Anthropologie Moléculaire et Imagerie de Synthèse (AMIS), UMR 5288 CNRS Université Paul Sabatier Toulouse 3
Équipe Archéologie Génomique Evolution et Sociétés (AGES)
Faculté de Médecine de Purpan
http://amis.cnrs.fr/
http://amis.cnrs.fr/?Archaeology-Genomics-Evolution-and-Societies-AGES
Mis en ligne le 1er juillet 2019