Fossiles d'hominidés : ADN mitochondrial

En juillet 1997, la première extraction réussie d'ADN de Néandertal a été annoncée. Dans un article publié dans la revue Cell, une équipe de chercheurs allemands et américains dirigée par Svante Pääbo (Krings et al. 1997) a affirmé avoir extrait de l'ADN mitochondrial (ADNmt) à partir d'un morceau d'os prélevé sur le bras supérieur du premier fossile de Néandertal reconnu, l'individu découvert dans la grotte de Feldhofer, dans la vallée du Neander en Allemagne, en 1856 (Kahn et Gibbons 1997, Ward et Stringer 1997). Quelle est la signification de cette étude ?

Quel est l'ADN mitochondrial ?

L'ADN (acide désoxyribonucléique) est la gigantesque molécule utilisée pour encoder l'information génétique de tous les êtres vivants sur Terre. Les molécules d'ADN sont constituées d'une longue chaîne de molécules de bases disposées sous la forme d'une double hélice. Les bases sont l'adénine, la guanine, la cytosine et la thymine, souvent abrégées en A, G, C et T. Ce que nous considérons ordinairement comme « notre » ADN, car il contrôle la plupart des aspects de notre apparence physique, est également appelé « ADN nucléaire », car chaque cellule de notre corps contient deux copies de celui-ci dans le noyau cellulaire.

Mitochondries (singulier : mitochondrie) sont de petites organelles productrices d'énergie présentes dans les cellules. De manière surprenante, les mitochondries possèdent leurs propres molécules d'ADN, entièrement séparées de notre ADN nucléaire. La plupart des cellules contiennent entre 500 et 1000 copies de la molécule d'ADNmt, ce qui le rend beaucoup plus facile à trouver et à extraire que l'ADN nucléaire. Chez l'humain, le génome d'ADNmt est composé d'environ 16 000 paires de bases (beaucoup plus court que notre ADN nucléaire) et a été entièrement séquencé (pour au moins un individu ; Anderson et al. 1981). Ce qui rend l'ADNmt particulièrement intéressant, c'est que, contrairement à l'ADN nucléaire qui est hérité également du père et de la mère, l'ADNmt est hérité uniquement de la mère, car toutes nos mitochondries descendent de celles présentes dans l'ovule de notre mère (il peut cependant exister des exceptions rares à cette règle ; voir ci-dessous).

Considérez l'ensemble de toutes les femmes vivant aujourd'hui, puis l'ensemble de toutes leurs mères, et ainsi de suite. Évidemment, chaque ensemble sera aussi petit ou plus petit que l'ensemble précédent. Finalement, l'ensemble ne contiendra qu'une seule femme, connue sous le nom de « Ève mitochondriale ». L'ADNmt de tous les êtres humains vivants est hérité d'Ève mitochondriale.

Normalement, notre ADNmt est identique à celui de notre mère. Mais, comme tout l'ADN, l'ADNmt mute occasionnellement de sorte que l'une des bases (A, C, G ou T) change en une base différente. En raison de ces mutations, l'ADNmt humain a lentement divergé de l'ADNmt d'Eve mitochondriale, et la quantité de mutation est approximativement proportionnelle à la quantité de temps écoulé. Cela signifie que la similarité de l'ADNmt pour deux humains quelconques fournit une estimation approximative de la proximité de leur parenté à travers leurs ancêtres maternels. S'ils ont un ADNmt identique, ils sont assez étroitement apparentés, peut-être même des frères et sœurs. S'ils ont un ADNmt très différent, cela signifie que leur dernier ancêtre maternel commun vivait il y a longtemps.

Cependant, utiliser la différence génétique pour estimer le temps du dernier ancêtre commun est difficile, pour plusieurs raisons. L'une est que le taux de mutation de l'ADNmt est mal mesuré. L'autre est que même si le taux de mutation moyen est connu avec précision, certaines lignées accumuleront, par hasard, moins ou plus de mutations que la moyenne.

Extraction de l'ADN mitochondrial

Après la mort, l'ADN commence à se dégrader immédiatement. On pense que dans les conditions les plus favorables, certains fragments d'ADN peuvent survivre aussi longtemps que 50 000 à 100 000 ans. Le fossile de Néandertal de Feldhofer, estimé entre 30 000 et 100 000 ans, repoussait donc les limites pour ce type de travail. Cependant, les tests initiaux du fossile ont montré une bonne préservation des acides aminés, indiquant qu'il pourrait contenir de l'ADNmt récupérable.

La réaction en chaîne par polymérase (PCR) est une technique qui peut être utilisée pour créer de nombreuses copies d'un nombre initialement faible de molécules. Les chercheurs ont utilisé la PCR pour amplifier et extraire de nombreux courts fragments d'ADNmt à partir de l'échantillon de Néandertal. En les superposant, ils ont pu générer une séquence de 379 bases apparemment issue de l'individu Néandertal. Pour se protéger contre les erreurs et la contamination, chaque base a été extraite lors d'au moins deux amplifications séparées. La séquence a été extraite d'une section du génome de l'ADNmt connue sous le nom de région hypervariable 1 (HVR1), ainsi appelée parce que cette section du génome accumule des mutations plus rapidement que la plupart du génome et est donc particulièrement utile pour distinguer différentes populations.

Krings et al. ont ensuite comparé cette séquence à une base de données de 994 séquences d'ADNmt différentes provenant d'humains modernes. Pour la séquence d'ADNmt en question, les humains diffèrent en moyenne les uns des autres à 8 +/- 3,1 positions (le « 3,1 » représente une déviation standard). La plus grande différence entre deux humains modernes était de 24, et la plus petite différence était de 1 (car les doublons ont été supprimés de la base de données).

Distributions des différences de séquence par paires entre les humains, le Néandertal et les Chimpanzés. Axe X, le nombre de différences de séquence ; axe Y, le pourcentage des comparaisons par paires. (Krings et al., 1997)

En revanche, le génome du Néandertal présentait en moyenne 27 +/- 2,2 différences par rapport aux humains modernes (3,375 fois la différence moyenne entre les humains modernes). La plus petite différence entre un humain et le Néandertal était de 22, et la plus grande différence entre un humain et le Néandertal était de 36. Ces différences placent le génome du Néandertal bien en dehors des limites des humains modernes. Un autre résultat intéressant est que la séquence d'ADNmt semblait tout aussi éloignée de tous les groupes d'humains modernes. En particulier, elle ne semblait pas être plus étroitement liée aux Européens, ce qui aurait pu être attendu si, comme certains scientifiques le pensent, les Néandertaliens étaient au moins partiellement ancêtres des Européens.

En 1999, les mêmes chercheurs ont réussi à extraire une seconde séquence de 340 paires de bases d'ADNmt du même fossile de Néandertal (Krings et al. 1999). Cette étude a confirmé les résultats de la première. Lorsque les différences ont été calculées entre les 600 paires de bases comparables de 663 humains modernes, du Néandertal et de 9 chimpanzés, les humains modernes se différenciaient les uns des autres de 10,9 +/- 5,1 (étendue 1-35), le Néandertal se différenciait des humains de 35,3 +/- 2,3 (étendue 29-43), et les humains ainsi que les deux Néandertals se différenciaient tous deux des chimpanzés d'environ 94.

ADNmt d'un second Néandertal

En 1999, des scientifiques ont réussi à extraire une séquence de 345 paires de bases d'ADNmt d'un second Néandertalien, un fossile de 29 000 ans d'un bébé récemment découvert dans la grotte de Mezmaiskaya dans le sud-ouest de la Russie. (Ovchinnikov et al. 2000, Höss 2000) Les résultats de cette étude étaient similaires à ceux des études précédentes, plaçant l'échantillon de Mezmaiskaya en dehors de la plage de l'ADNmt de l'humain moderne.

De plus, les deux Néandertaliens sont assez similaires, différant l'un de l'autre par 12 paires de bases. La différence est supérieure à celle généralement observée entre des paires d'Européens ou d'Asiatiques modernes (seul 1 % d'entre eux diffèrent à 12 endroits ou plus), mais comparable aux différences entre des Africains modernes (37 % d'entre eux diffèrent à 12 endroits ou plus).

La distance entre Mezmaiskaya et une séquence humaine moderne particulière, connue sous le nom de séquence de référence (Anderson et al. 1981), était de 22, contre 27 pour le premier Néandertal. (Cependant, aucune donnée n'est fournie pour les distances minimale, moyenne et maximale entre Mezmaiskaya et les humains modernes ; il n'est pas clair si Mezmaiskaya est en général plus proche des humains modernes que Feldhofer.)

Les analyses phylogénétiques d'Ovchinnikov et al. montrent que les deux Néandertaliens sont regroupés ensemble et séparés de tous les humains modernes. Comme pour le premier spécimen, Mezmaiskaya semble également être équidistante de tous les groupes d'humains modernes, renforçant la conclusion que les Néandertaliens ne sont pas étroitement apparentés aux Européens modernes.

Puisque ce deuxième individu a été découvert à environ 2 500 km (1 500 miles) du premier, il fournit une confirmation très forte des résultats précédents.

Le fait que son ADNmt soit également assez proche de celui du premier Néandertal rend beaucoup moins probable que Néandertals et les ancêtres des humains modernes aient tous deux fait partie d'une population d'hybridation présentant une grande variation génétique de l'ADNmt qui a été en grande partie perdue :

« En particulier, ces données réduisent la probabilité que les Néandertaliens aient contenu suffisamment de diversité de séquences d'ADNmt pour englober la diversité humaine moderne » (Ovchinnikov et al. 2000)

De manière intéressante, la conservation de l'exemplaire de Mezmaïskaïa semble être beaucoup meilleure que celle de l'exemplaire de Feldhofer. Elle est si bonne, en fait, qu'il existe une possibilité que son génome entier d'ADN mitochondrial puisse être séquencé, et il existe même une possibilité qu'une partie de son ADN nucléaire puisse être récupérée.

ADNmt d'un troisième Néandertalien

En 2000, des scientifiques ont annoncé le séquençage d'un troisième spécimen d'ADN mitochondrial néandertalien provenant d'une grotte à Vindija, en Croatie (Krings et al. 2000). Lorsque les trois Néandertaliens sont comparés aux humains modernes, les trois se regroupent ensemble, à part de tous les humains modernes. Cette conclusion est renforcée par une étude de Knight (2003). Knight a exclu de la comparaison les sites du génome d'ADN mitochondrial qui sont connus pour avoir muté plus d'une fois, et qui sont donc de mauvais indicateurs de relations phylogénétiques. Son étude a fortement confirmé des études antérieures montrant des histoires profondément divergentes pour les lignées d'ADN mitochondrial des humains modernes et celles des Néandertaliens connus.

Comme les humains modernes, les Néandertaliens présentaient une faible diversité génétique par rapport aux grands singes. La diversité des trois séquences d'ADN mitochondrial Néandertalien (3,73 %) est inférieure à celle des chimpanzés (14,82+/-5,7 %) et des gorilles (18,57+/-5,26 %), et similaire à celle des humains modernes dans le monde entier (3,43+/-1,22 %). Si les humains modernes sont répartis en groupes continentaux, la diversité des trois Néandertaliens est similaire (dans une déviation standard de) celle des Africains, des Asiatiques, des Amérindiens et des Aborigènes d'Australie, ainsi que des Océaniens. Les Européens modernes, qui vivent dans une région approximativement la même que celle des Néandertaliens, présentent une diversité moindre que celle des Néandertaliens.

Encore plus d'ADNmt néandertalien

Serre et al. (2004) ont pu séquencer l'ADNmt de quatre autres fossiles de Néandertal, ainsi que l'ADNmt de cinq premiers humains modernes. Les quatre Néandertals présentaient tous un ADNmt similaire à celui trouvé chez les Néandertals précédents. Serre et ses collègues n'ont trouvé aucune preuve de flux génique d'ADNmt entre les humains modernes et les Néandertals dans aucun sens, mais n'ont pas pu exclure la possibilité d'un flux génique limité. Intéressamment, les séquences d'ADNmt des Néandertals de Vindija, qui présentent une anatomie néandertalienne moins extrême que celle des Néandertals classiques et sont considérés par certains scientifiques comme transitionnels entre les humains modernes et les Néandertals classiques, n'étaient pas plus proches des humains modernes que le reste des fossiles de Néandertal.

En 2008, 17 séquences d'ADNmt ont été extraites de fossiles néandertaliens (Green et al. 2008). Toutes ces séquences soutiennent la conclusion que l'ADNmt néandertalien se situe en dehors de la gamme de l'ADNmt humain moderne, et indiquent fortement que les Néandertaliens n'ont apporté aucune contribution durable au pool génétique de l'ADNmt humain. (Cela ne prouve pas, cependant, qu'ils n'ont apporté aucune contribution à l'ADN nucléaire d'aucun humain moderne.)

Le premier génome mitochondrial complet du Néandertal

Green : comparaisons humain/humain ; Rouge : comparaisons humain/N'tal ; Bleu : comparaisons humain/singe. Axe X, le nombre de différences de séquence ; Axe Y, la fraction des comparaisons par paires. (Green et al. 2008)

Chez les humains, les séquences présentaient entre 2 et 118 différences. Le nombre de différences entre les ADNmt humains et l'ADNmt néandertalien varie de 201 à 234. La minuscule chevauchement entre les données humaines et les données néandertaliennes dans le graphique original a disparu et, à la place, il existe désormais un écart significatif entre les résultats humains et néandertaliens. Green et al. ont conclu que :

L'analyse de la séquence assemblée établit sans équivoque que l'ADN mitochondrial des Néandertaliens se situe en dehors de la variation de l'ADN mitochondrial des humains actuels, et permet d'estimer la date de divergence entre les deux lignées d'ADN mitochondrial à 660 000 ± 140 000 ans.

Le premier génome nucléaire néandertalien

Les ADNmt néandertaliens se situent-ils en dehors de la gamme humaine ?

Oui.

Notez que (en référence à Krings et al. 2007) parce que deux séquences humaines modernes sont séparées de 24 bases, tandis que la plus petite différence Neandertal/humain n'est que de 22, cela ne signifie pas que la séquence Neandertal se situe dans la plage des humains modernes. Pour utiliser une analogie, supposons que nous ayons mesuré la taille de 994 adultes humains, et qu'ils aient varié de 4'8" à 6'8" (une différence de 24 pouces). Supposons que nous ayons ensuite trouvé un squelette d'une taille de 8'6". Personne ne prétendrait qu'il se situe dans la plage humaine moderne parce qu'il est plus proche de l'humain le plus proche (22 pouces) que l'humain le plus grand ne l'est de l'humain le plus petit (24 pouces).

Notez également que les deux figures (22 et 24) mesurent des choses très différentes, ce qui rend la comparaison des deux figures invalide. Tout comme le Néandertal a été comparé à 994 humains modernes, chacun de ces humains pourrait être comparé de manière similaire aux 993 autres humains. Nous pourrions calculer la distance minimale, moyenne et maximale de cet humain aux autres humains, tout comme cela a été fait pour le Néandertal. Si nous calculions ces valeurs pour tous les humains, nous pourrions ensuite calculer les valeurs minimales, moyennes et maximales de tous les minima, moyennes et maxima individuels, et comparer ces valeurs aux valeurs équivalentes pour le Néandertal.

Nous ne savons pas, à partir de l'article de Krings et al. 1997, la distribution des distances minimales entre les humains. La plus petite valeur est de 1. La plus grande valeur pourrait, je le soupçonne, atteindre jusqu'à 5. La même valeur pour le Néandertal est de 22, bien en dehors de la plage humaine.

Pour les distances moyennes entre les humains, nous savons que la valeur moyenne est de 8,0. La distance moyenne minimale sera un peu inférieure ; la valeur moyenne maximale doit être d'au moins 12 (cela peut être déduit du fait qu'il existe deux humains séparés de 24) et inférieure à 24 ; je soupçonnerais qu'elle serait d'environ 16 pour un humain hautement atypique. Pour le Néandertal, la valeur est de 27, encore une fois bien en dehors de la gamme humaine.

Pour les distances maximales, la valeur maximale est de 24, mais pour la plupart des humains, la distance maximale à tout autre humain sera inférieure à celle-ci. La valeur de 24 est hautement atypique, car elle est calculée entre les deux individus qui ont divergé le plus loin de la Ève mitochondriale de manière indépendante, et représente le maximum de près d'un demi-million (994 * 993 / 2) de comparaisons parmi les humains modernes. Pour le Néandertal, la valeur est de 36, là encore, bien en dehors de la plage humaine.

En d'autres termes, pour les trois mesures (distances minimale, moyenne et maximale aux autres humains), la mesure des Néandertaliens est beaucoup plus grande que la valeur maximale de la même mesure issue d'un échantillon de 994 humains modernes, et encore plus éloignée de la valeur moyenne. Le Néandertalien n'est pas seulement en dehors de la gamme humaine, mais bien en dehors de celle-ci.

L'extraction d'un génome mitochondrial complet du Néandertal (Green et al. 2008) rend la discussion ci-dessus obsolète, car nous savons désormais que lorsque l'on considère le génome complet, la superposition imaginaire entre les différences humain-humain et humain-Néandertal, que les créationnistes ont entièrement déformée, disparaît.

Problèmes possibles

Le taux de mutation de l'ADN mitochondrial n'est pas bien connu. Une étude de Parsons et al. (1997) a trouvé un taux 20 fois plus élevé que celui calculé à partir d'autres sources. Dans un article révisant la recherche sur l'ADN mitochondrial, Strauss (1999a) rapporte que les taux de mutation de l'ADN mitochondrial diffèrent dans certains groupes d'animaux et peuvent même varier considérablement au sein de lignées uniques. Bien qu'il y ait de nombreux points d'accord, certaines dates de divergence pour les animaux modernes calculées à partir de l'ADN mitochondrial ne correspondent pas à ce qui est connu du registre fossile. Il existe des suggestions de quelques sources que l'ADN mitochondrial paternel peut parfois être hérité, ce qui pourrait affecter les analyses basées sur l'ADN mitochondrial.

En 1999, Awadalla et al. ont publié une étude suggérant que l'ADNmt pourrait parfois être hérité des pères. Si l'ADNmt n'est hérité que des mères, la corrélation entre différentes mutations ne devrait pas dépendre de la distance qui les sépare dans le génome. Au lieu de cela, leurs mesures ont montré que les mutations à des sites éloignés du génome de l'ADNmt étaient moins susceptibles d'être corrélées que les mutations voisines, suggérant que l'ADNmt provenant des mères et des pères pourrait parfois se mélanger. Cependant, il n'existe pas encore d'explication sur la manière dont cette recombination pourrait se produire, et la possibilité que d'autres phénomènes soient à l'origine de cet effet n'a pas encore été réfutée. Si cela se produit, le mélange signifierait que les dates issues des études actuelles sur l'ADNmt seraient trop anciennes. Si le mélange est suffisamment fréquent, cela pourrait même signifier qu'il n'y a pas eu de Ève mitochondriale, car différentes parties de la molécule d'ADNmt auraient des histoires différentes. (Awadalla et al. 1999, Strauss 1999b) D'autres études, en revanche, ont contredit ces résultats et plaidé pour une héritage strictement maternel de l'ADNmt (Elson et al. 2001), et, selon Sykes (2001), le papier d'Awadalla et un autre papier qui suggéraient également que l'ADNmt pouvait être hérité paternellement étaient basés sur des données incorrectes et ont été ultérieurement retirés.

Conclusions

Références

Anderson S., Bankier A.T., Barrel B.G., de Bruijn M.H.L., Coulson A.R., Drouin J. et al. (1981) : Séquence et organisation du génome mitochondrial humain. Nature, 290:457-74.

Awadalla P., Eyre-Walker A., et Smith J.M. (1999) : Déséquilibre de liaison et recombinaison dans l'ADN mitochondrial des hominidés. Science, 286:2524-5.

Elson J.L., Andrews R.M., Chinnery P.F., Lightowlers R.N., Turnbull D.M., et Howell N. (2001) : Analyse des ADNmt européens pour la recombinaison. American Journal of Human Genetics, 68:145-53.

Green R., Malaspinas A-S, Krause J., Briggs A., et al. (2008) Séquençage à haut débit d'un génome mitochondrial complet du Néandertal. Cell, 134:416-426.

Green et al. 2010 : Une séquence de brouillon du génome du Néandertal. Science, 328:710.

Höss M. (2000) : Génétique des populations du Néandertal. Nature, 404 : 453-4.

Kahn P. et Gibbons A. (1997) : ADN d'un humain éteint. Science, 277:176-8.

Knight A. (2003) : La relation phylogénétique entre les ADN mitochondriaux des Néandertaliens et des humains modernes basée sur des sites nucléotidiques informatifs. Journal of Human Evolution, 44:627-32.

Krings M., Capelli C., Tschentscher F., Geisert H., Meyer S., von Haeseler A. et al. (2000) : Une vue de la diversité génétique des Néandertaliens. Nature Genetics, 26:144-6.

Krings M., Geisert H., Schmitz R.W., Krainitzki H., et Pääbo S. (1999) : Séquence d'ADN de la région hypervariable II mitochondriale à partir de l'échantillon type Néandertal. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 96:5581-5.

Krings M., Stone A., Schmitz R.W., Krainitzki H., Stoneking M., et Pääbo S. (1997) : Séquences d'ADN de Néandertal et origine des humains modernes. Cell, 90:19-30.

Ovchinnikov I.V., Götherström A., Romanova G.P., Kharitonov V.M., Lidén K., et Goodwin W. (2000) : Analyse moléculaire de l'ADN néandertalien du Caucase du nord. Nature, 404:490-3.

Parsons T.J., Muniec D.S., Sullivan K., Woodyatt N., Alliston-Greiner R., Wilson M.R. et al. (1997) : Un taux élevé de substitution observé dans la région contrôle de l'ADN mitochondrial humain. Nature Genetics, 15:363-8.

Reich, Green, Kircher et al. 2010 : Histoire génétique d'un groupe d'homininés archaïques de la grotte de Denisova en Sibérie. Nature 468:1053.

Schmitz R.W., Serre D., Bonani G., Feine S., Hillgruber F., Krainitzki H. et al. (2002) : Le site type du Néandertal réexaminé : investigations interdisciplinaires des restes squelettiques de la vallée du Néandertal, Allemagne. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 99:13342-7.

Serre D., Langaney A., Chech M., Teschler-Nicola M., Paunovic M., Mennecier P. et al. (2004) : Aucune preuve de contribution de l'ADN mitochondrial des Néandertaliens aux premiers humains modernes. PLoS Biology, 2:313-7.

Strauss E. (1999a) : Les horloges mitochondriales peuvent-elles garder le temps ? Science, 283:1435

Strauss E. (1999b) : l'ADNmt montre des signes d'influence paternelle. Science, 286:2436

Sykes B. (2001) : Les sept filles d'Eve. Londres : Bantam Press. (un bon livre de vulgarisation sur l'ADN mitochondrial)

Ward R. et Stringer C.B. (1997) : Une clé moléculaire pour les Néandertaliens. Nature, 388:225-6.

Commentaires

Séquence mitochondriale du Néandertal stockée au GenBank (numéro d'accès AF011222)

L'ADN montre que les Néandertaliens n'étaient pas nos ancêtres (Université d'État de Pennsylvanie)

Indices ADN sur les Néandertaliens : ADNmt d'un troisième Néandertalien

ADN néandertalien, par Mark Rose (Institut archéologique d'Amérique)

Autres références sur l'ADN mitochondrial

Concordance de l'ADN mitochondrial, par Kevin Miller et John Dawson

The Fire Within: The Unfolding Story of Human Mitochondrial DNA, par Ken Miller

Oxford Ancestors : tracez votre lignée mtADN

Cette page fait partie de la FAQ sur les hominidés fossiles de l'Archive TalkOrigins.

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