Open Access
Issue
Med Sci (Paris)
Volume 40, Number 6-7, Juin-Juillet 2024
Page(s) 556 - 559
Section Forum
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2024084
Published online 08 July 2024

Vignette.(© Céline Bon).

Qu’ils explorent les phénomènes évolutifs ou qu’ils décrivent la structure génétique du monde vivant, le travail des généticiens des populations n’est pas très différent de celui des archéologues : à partir des indices laissés, pour les uns dans le sol, pour les autres dans le génome, ils sondent le passé et tentent de comprendre les mécanismes qui expliquent le monde actuel.

Chaque événement démographique (croissance ou décroissance des tailles de populations, divergence ou métissage entre populations) modifie la façon dont les variants génétiques sont transmis de génération en génération et donc la diversité génétique à l’échelle de la population. Via l’analyse des génomes, il est actuellement possible de reconstituer l’histoire des populations, des espèces – ou plutôt des fragments d’ADN qui composent leur information génétique.

La découverte en 1984 [1] que l’ADN pouvait se conserver quelques décennies dans des restes issus d’organismes vivants, hébergés dans des musées, a ouvert la porte à l’exploration de la diversité génétique dans le passé et introduit cette discipline parmi les archéologues, révolutionnant l’étude du passé : non seulement, l’ADN ancien fournit un panorama de la diversité génétique dans un cadre géographique, temporel (grâce aux analyses conjointes de datation du carbone 14) et culturel (grâce au travaux de l’archéologie) précis, mais il donne aussi accès à la diversité génétique de populations ou d’espèces éteintes aujourd’hui, ayant ou n’ayant pas contribué au génome de celles vivant actuellement sur Terre.

Progrès, limites et apports de la paléogénétique

L’essor de la paléogénétique, c’est-à-dire l’étude de l’ADN ancien, n’a été possible que grâce aux nombreux développements techniques et informatiques qui ont permis, à partir du milieu des années 1980, de réduire les contraintes liées à l’étude de ces échantillons particulièrement fragiles.

Les progrès techniques

Tout d’abord, l’étude des mécanismes de dégradation de l’ADN a permis de comprendre quelles étaient les limites de la paléogénétique [2, 3] : même dans des conditions froides et stables, l’ADN peut difficilement se conserver au delà du million d’années, et de quelques centaines d’années dans les climats tropicaux. Le plus ancien ADN séquencé a effectivement été retrouvé au Groenland et date de 2 millions d’années [4] ; et le génome le plus vieux est celui d’un mammouth sibérien âgé de 1,2 million d’années [5].

La prise en considération du caractère hautement dégradé de l’ADN ancien ainsi que l’augmentation de la puissance des techniques de séquençage a conduit à la mise en place de règles strictes pour éviter, ou du moins limiter, les contaminations par de l’ADN moderne [6] : ainsi, des protocoles de prélèvement sont établis dès les fouilles archéologiques, et les échantillons d’ADN ancien sont traités uniquement dans des salles blanches dédiées, évitant toute intrusion d’ADN moderne ou amplifié par PCR (polymerase chain reaction) (Figure 1).

thumbnail Figure 1.

Extraction d’ADN à partir d’un échantillon archéologique.

A posteriori, le taux de contamination par de l’ADN moderne est quantifié lors de l’analyse des séquences afin d’éliminer les échantillons les plus pollués [7, 8]. L’étude de l’ADN ancien a également bénéficié du développement des techniques de séquençage de seconde génération à partir du milieu des années 2000, particulièrement adaptées à l’analyse de courts fragments d’ADN, une caractéristique de l’ADN ancien [9]. En même temps que les progrès des techniques de séquençage, les capacités de calcul des ordinateurs se sont développées, permettant l’essor de la bioinformatique, et fournissant les outils et les capacités pour traiter les données ainsi massivement produites. Enfin [22] (→), l’enrichissement toujours croissant des bases de données de référence, en particulier pour l’espèce humaine, qu’elles soient modernes (comme les projets 1 000 Genomes [10] ou Simons Genome Diversity Project [11]) ou anciennes (Allen Ancient DNA Resource [AADR] [12]), permet une description de plus en plus fine des phénomènes démographiques ou culturels à l’origine de la diversité génétique actuelle.

(→) Voir la Chronique génomique de B. Jordan, page ??? de ce numéro

C’est l’ensemble de ces progrès qui a permis le développement de la paléogénomique, c’est-à-dire l’étude de l’ADN ancien à l’échelle du génome entier.

Les limites liées à l’échantillonnage

Malgré ces avancées techniques, des difficultés subsistent. La première est inhérente à l’ensemble des études archéo-anthropologiques : les analyses ne peuvent être effectuées que sur les restes humains ou animaux ayant été fouillés. Les paléogénéticiens sont donc tributaires de l’activité archéologique : plus elle y est dense sur un territoire, plus il y a de chances de retrouver des traces des individus qui y ont vécu, et donc d’obtenir des échantillons exploitables en paléogénétique. Ce biais d’échantillonnage peut se retrouver à toutes les échelles : certains pays consacrent beaucoup plus d’argent à la recherche archéologique, qui s’en trouve ainsi dynamisée, permettant l’accroissement du corpus potentiel d’étude. Des biais existent aussi à des échelles locales : la plupart des fouilles archéologiques sont des fouilles préventives afin d’analyser un site avant sa destruction lors de travaux d’aménagement : par conséquent, nous fouillons là où nous vivons aujourd’hui, et donc principalement dans les plaines et les vallées fertiles où vivaient nos ancêtres dont le mode de vie était agricole et sédentaire. Nous avons donc moins de chance de retrouver des données génétiques sur des individus chasseurs-cueilleurs, ou nomades, des éleveurs de montagne, que sur des agriculteurs de fonds de vallées.

Le mode de traitement du cadavre influe également sur la possibilité d’effectuer des analyses paléogénétiques : les corps des personnes inhumées sont mieux conservés dans le temps que ceux exposés à l’air libre ; quant à la crémation, elle dégrade la majeure partie de l’ADN, rendant l’échantillon inexploitable [13]. Les échantillons provenant de cultures où les corps étaient majoritairement, voire systématiquement inhumés, sont donc plus fréquemment analysés. Les échantillons provenant de populations qui favorisaient la crémation (par exemple, durant l’antiquité romaine), l’exposition (cultures zoroastriennes du sud-ouest asiatique), voire l’absence de traitement particulier sont beaucoup moins accessibles. Au sein d’un même groupe chrono-culturel, il est également possible que différents modes de traitement funéraires co-existent : nourrissons décédés jetés avec les ordures tandis que certains adultes seront inhumés ou brûlés comme dans la Grèce antique.

Par conséquent, le registre paléogénétique est parcellaire, intrinsèquement biaisé, et parfois selon des critères qui ne nous sont pas pour l’instant accessibles : si aucun reste humain atteint de la peste n’est dans ce cimetière, est ce parce que la population en était indemne ou parce que ceux qui en étaient atteints étaient inhumés ou brûlés ailleurs ?

Les limites dans la définition d’une population sur la base de l’ADN ancien

Une autre difficulté liée à l’étude de l’ADN ancien réside dans la catégorisation des individus étudiés. En génétique des populations modernes, il est possible de demander aux personnes échantillonnées le groupe ethnique auquel elles se réfèrent. Les critères de catégorisation utilisés en archéologie pour distinguer les différentes cultures reposent sur un éventail de caractéristiques : mode de subsistance, pratiques artistiques et artisanales (en particulier la céramique), pratiques funéraires, etc. Cependant, « pots are not people »1, et cette catégorisation ne permet que d’approcher très imparfaitement la notion de groupe ethnique. Par ailleurs, la génétique est également victime de biais : en biologie, la notion de population recouvre l’ensemble des individus d’un groupe se reproduisant plus fréquemment les uns avec les autres qu’avec des membres d’un autre groupe. Ce qui constitue la population, c’est l’existence d’une barrière plus ou moins poreuse au flux de gènes, qu’elle soit d’ordre géographique (distance, montagne, fleuve) ou culturelle (langue, religion, classe sociale). De ce fait, ni la population génétique, ni la culture archéologique ne recouvrent la notion d’ethnie telle qu’elle est définie pour les populations actuelles.

Cette barrière au flux de gènes nécessite de nombreuses générations pour produire une différenciation génétique observable. C’est d’autant plus vrai dans le cadre de populations en croissance démographique dans lesquelles la dérive génétique est faible. Par conséquent, des groupes anciens pourront sembler indiscernables sur le plan génétique – mais appartenir à des communautés différentes. C’est le cas par exemple des courants de néolithisation de l’Europe de culture Cardiale (au sud) et Rubanée (à l’est)2, exprimant des cultures lithiques et céramiques, des modes de vie radicalement différents, mais très similaires sur le plan génétique [14].

C’est donc en croisant les données issues de différentes archéo-sciences que les données paléogénétiques pourront contribuer à éclairer l’évolution des populations humaines, pour approcher leur structuration ethnique, dans une approche clairement interdisciplinaire. Et, éclairer le passé, elles le font. Les apports de la paléogénomique depuis une quinzaine d’années sont légions, et il suffit de constater la frustration des chercheurs travaillant sur des régions ou des périodes où ces données ne sont que peu disponibles pour se rendre compte de leur importance !

Des études multi-échelles

À l’échelle de l’espèce

En donnant accès au génome d’espèces éteintes, la paléogénétique permet de mieux comprendre les mécanismes de spéciation, d’introgression3, et d’extinction. Même si d’autres groupes ont été étudiés, c’est surtout dans l’étude de l’évolution de la lignée humaine que la paléogénétique a été la plus prolifique. Il y a 70 000 ans, au moment où Homo sapiens sort d’Afrique, au moins quatre autres espèces humaines peuplent la Terre : Homo neandertalensis, Homo longi, Homo florensiensis et Homo luzonensis. Malheureusement, l’analyse paléogénétique des trois dernières, des espèces d’origine tropicale n’a pas été possible à cause de la mauvaise préservation de leur ADN. Cependant, en cherchant de nouveaux échantillons néandertaliens dans une grotte sibérienne, Svante Pääbo et son équipe ont découvert un autre groupe humain, les Denisoviens, un groupe frère des Néandertaliens [15, 23] (→).

(→) Voir le Repères de E. Heyer, m/s n° 2, février 2023, page 181

La comparaison de ces différents génomes avec ceux, contemporains et anciens, provenant d’Homo sapiens a montré que de nombreux flux de gènes s’étaient produits entre ces groupes [16]. L’analyse des traces laissées par ces introgressions, dans les génomes actuels, suggère que les descendants, en particulier les mâles, de ces croisements n’étaient pas parfaitement fertiles, et qu’une barrière au flux de gènes, une barrière d’espèce, était en train de se mettre en place, mais n’a pas pu aboutir suite à la disparition des Néandertaliens et des Dénisoviens [17]. Ces études montrent aussi que des variants archaïques, Néandertaliens ou Dénisoviens, existent encore dans le génome des populations humaines actuelles, ayant permis leur adaptation à des changements d’environnement.

L’étude des génomes de ces espèces disparues permet également de comprendre les raisons de leurs extinctions – ou plutôt de la survie d’Homo sapiens. En effet, les génomes des Néandertaliens et les Denisoviens montrent de la consanguinité, suggérant que les unions se faisaient entre personnes plus ou moins apparentées, alors que, pour des raison probablement d’ordre culturel, les Sapiens recherchaient des conjoints en dehors de leur groupe familial [18].

À l’échelle de la population

La paléogénomique permet également d’étudier les mouvements de population au cours du temps, et de comprendre le rôle des migrations et des métissages dans l’établissement de la diversité génétique, mais aussi de la diversité linguistique ou culturelle, actuelles. Les applications sont innombrables : par exemple, l’étude de l’ADN ancien a permis de montrer que l’expansion du Néolithique était souvent – mais pas toujours – le résultat de la diffusion de populations à partir de leurs foyers primaires [19]. D’autres migrations se sont produites, comme celles de populations provenant des steppes centrasiatiques, participant probablement à la diffusion des langues de la famille indo-européenne [20]. Des mouvements de plus petite ampleur ont eu lieu à la faveur de transformations environnementales comme culturelles : la mise en place de l’Empire romain est ainsi accompagné d’un brassage des populations à l’intérieur de l’Empire [21], tandis que sa chute s’accompagne des migrations de populations venues d’Europe Centrale, voire d’Asie.

Grâce à ces mouvements, les populations ont rencontré de nouveaux environnements, tant géographiques, qu’infectieux ou culturels, auxquels elles se sont adaptées : grâce à l’ADN ancien, il devient ainsi possible de suivre les mécanismes par lesquels l’adaptation biologique s’est effectuée.

À l’échelle de la famille

À une échelle plus petite, l’étude de l’ADN ancien permet de reconstituer les liens familiaux biologiques. Ce faisant, elle permet de comprendre quel a été le rôle de l’apparentement biologique dans la structuration des sociétés du passé, et comment la notion de famille a pu évoluer. Sur le plan biologique, ces études donnent accès aux modalités par lesquelles les personnes pouvaient avoir des descendants et transmettre leur patrimoine génétique, modelant ainsi la diversité génétique actuelle.

La paléogénétique au-delà de l’archéologie

En offrant une autre archéoscience à la disposition des chercheurs, les études paléogénétiques ont d’abord intéressé les archéologues, en fournissant des données archéobiologiques permettant une meilleure compréhension de la structuration des sites archéologiques et de l’état de santé des individus du passé. À plus large échelle, les analyses paléogénétiques offrent aux archéoanthropologues et aux paléoanthropologues une source de données complémentaires pour la compréhension de l’évolution de l’humanité.

Mais les généticiens des populations humaines contemporaines se sont également saisis de l’outil paléogénomique, qui offre à leurs analyses la profondeur temporelle qui leur manquait, et permet aussi de fixer plus facilement dans l’espace et dans le temps les grands événements démographiques de l’espèce humaine. De part leur aspect diachronique, les études paléogénétiques sont également utiles dans l’étude des pressions de sélection, en donnant une estimation précise de la fréquence allélique dans chaque population à chaque pas temporel : il est ainsi plus simple de déterminer la puissance de la pression de sélection associée. D’autres disciplines commencent aussi à comprendre l’intérêt d’intégrer des données paléogénomiques dans leurs analyses. En biologie de la conservation4, la compréhension de la réponse des espèces aux changements environnementaux dans le passé fournit des clés pour mieux appréhender les transformations actuelles de la biodiversité. En microbiologie, l’ADN ancien permet non seulement d’identifier l’occurrence d’une infection par un agent pathogène, mais en reconstituant la séquence de ce pathogène à travers le temps, elle donne accès à son évolution génomique, elle permet d’appréhender les mécanismes d’acquisition ou de perte de facteurs de virulence ainsi que leur interaction avec les processus de défense anti-microbiens. Ainsi, via la compréhension des pressions de sélection exercées dans le passé, et la réponse des hôtes humains, l’étude de l’ADN ancien permet de mieux comprendre l’émergence des susceptibilités génétiques aux maladies du présent.

Liens d’intérêts

L’auteur déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.


1

« Les céramiques ne sont pas des gens ».

2

En référence aux techniques de poterie pratiquées par des populations du néolithique (ndlr).

3

Transfert de matériel génétique d’une espèce à une autre espèce suffisamment proche pour qu’elles soient interfertiles (ndlr).

4

La biologie de la conservation est la discipline scientifique qui étudie et vise à protéger la biodiversité (ndlr).

Références

  1. Higuchi R, Bowman B, Freiberger M, et al. DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family. Nature 1984 ; 312 : 282–284. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  2. Allentoft ME, Collins M, Harker D, et al. The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils. Proc Biol Sci 2012 ; 279 : 4724–4733. [PubMed] [Google Scholar]
  3. Overballe-Petersen S, Orlando L, Willerslev E. Next-generation sequencing offers new insights into DNA degradation. Trends Biotechnol 2012 ; 30 : 364–368. [Google Scholar]
  4. Kjær KH, Winther Pedersen M, Sanctis B De, et al. A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA. Nature 2022; 612 : 283–91. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  5. Valk T van der, Peˇcnerová P, Díez-del-Molino D, et al. Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths. Nature 2021; 591 : 265–9. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  6. Hofreiter M, Serre D, Poinar HN, et al. Ancient DNA. Nat Rev Genet 2001 ; 2 : 353–359. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  7. Renaud G, Slon V, Duggan AT, et al. Schmutzi: Estimation of contamination and endogenous mitochondrial consensus calling for ancient DNA. Genome Biol 2015 ; 16 : 1–18. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  8. Peyrégne S, Peter BM. AuthentiCT: a model of ancient DNA damage to estimate the proportion of present-day DNA contamination. Genome Biol 2020; 21 : 246. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  9. Sarkissian C Der, Allentoft ME, Ávila-Arcos MC, et al. Ancient genomics. Philos Trans R Soc B Biol Sci 2015; 370. [Google Scholar]
  10. Auton A, Abecasis GR, Altshuler DM, et al. A global reference for human genetic variation. Nature 2015 ; 526 : 68–74. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  11. Mallick S, Li H, Lipson M, et al. The Simons Genome Diversity Project: 300 genomes from 142 diverse populations. Nature 2016 ; 538 : 201–206. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  12. Mallick S, Micco A, Mah M, et al. The Allen Ancient DNA Resource (AADR) a curated compendium of ancient human genomes. Sci Data 2024; 11 : 182. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  13. Ottoni C, Koon HEC, Collins MJ, et al. Preservation of ancient DNA in thermally damaged archaeological bone. Naturwissenschaften 2009 ; 96 : 267–278. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  14. Olalde I, Schroeder H, Sandoval-Velasco M, et al. A common genetic origin for early farmers from mediterranean cardial and central european LBK cultures. Mol Biol Evol 2015 ; 32 : 3132–3142. [PubMed] [Google Scholar]
  15. Meyer M, Kircher M, Gansauge MT, et al. A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science 2012 ; 338 : 222–226. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  16. Green RE, Krause J, Briggs AW, et al. A draft sequence of the neandertal genome. Science 2010 ; 328 : 710–722. [Google Scholar]
  17. Sankararaman S, Mallick S, Dannemann M, et al. The genomic landscape of Neanderthal ancestry in present-day humans. Nature 2014 ; 507 : 354–357. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  18. Skov L, Peyrégne S, Popli D, et al. Genetic insights into the social organization of Neanderthals. Nature 2022; 610 : 519–25. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  19. Feldman M, Gnecchi-Ruscone GA, Lamnidis TC, et al. Where Asia meets Europe – recent insights from ancient human genomics. Ann Hum Biol 2021; 48 : 191–202. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  20. Allentoft ME, Sikora M, Sjögren KG, et al. Population genomics of Bronze Age Eurasia. Nature 2015 ; 522 : 167–172. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  21. Antonio ML, Gao Z, Moots HM, et al. Ancient Rome: A genetic crossroads of Europe and the Mediterranean. Science 2019 ; 366 : 708–714. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  22. Jordan B. L’ADN ancien parle de plus en plus. Med Sci (Paris) 2024; 40 : ???. [Google Scholar]
  23. Heyer E. Prix Nobel de physiologie ou médecine 2022 – Svante Pääbo, précurseur de la paléogénomique. Med Sci (Paris) 2023; 39 : 181–3. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] [Google Scholar]

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