Et si on reprenait les bases (azotées – hahaha) ?

Comme promis… nous allons nous aventurer un peu plus en détail dans les méandres de l’ADN.

Et comme je ne sais pas qui me lit (bah ouais…) je vais reprendre un peu les bases. Juste histoire de.

L’ADN, c’est quoi ?

Je ne sais pas vous, mais moi quand j’entends « ADN », je revois le titre de mon cours de biologie de Seconde.

« ADN : unité et diversité du monde vivant »

Pourquoi unité ? Car c’est la base de tous les êtres vivants. On retrouve de l’ADN dans les plantes, les insectes, les animaux, les humains… Et même les virus et les bactéries. Ce qui, au passage, permet d’appliquer la paléogénétique à plein de domaines : certains bossent sur la domestication des plantes, sur l’évolution des espèces animales comme la vache, la chèvre ou le cheval… Et puis d’autres, comme moi, bossent sur de l’humain, sur Homo sapiens ou sur des espèces plus anciennes comme Neandertal, Denisova… et détectent des métissages entre ces espèces. Oula tiens je pense que je ferai un post rien que pour ça car c’est assez passionnant. Bref. Je me perds. Donc je disais, l’ADN est une molécule commune au vivant, mais pour ma part, pour ne pas dire de bêtise, je me contenterai de parler de ce que je connais le mieux, c’est-à-dire l’humain. 

Et donc le corollaire, pourquoi diversité ? Car malgré une structure commune, faite d’une double hélice composée de nucléotide. Tiens zut ça me fait penser, est-ce que quelqu’un vous a déjà dit ce que signifie ADN ? Acide DésoxyriboNucléique. Bon là j’ai tout dit et je n’ai rien dit… Donc l’ADN se compose : 

  • De bases azotées (aussi appelées bases nucléiques) au nombre de 4 : Cytosine (C), Guanine (G), Adénine (A) et Thymine (T)
  • De sucre (désoxyribose)
  • De phosphate
Structure de l’ADN (Par Pradana Aumars — Travail personnel, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=69714634)

J’en profite pour rappeler que la découverte de la structure en double hélice de l’ADN a été réalisée par Watson & Crick, en 1953. Ce qui leur a d’ailleurs valu un Prix Nobel. L’Histoire, comme souvent, a oublié la Femme derrière tout ça : Rosalind Franklin. Je m’égare, pardon.

Donc structure commune et diversité car le nombre de paires de bases constituant le génome n’est pas le même, les gènes qui codent pour des protéines sont différents…

Revenons-en à notre ADN humain. On en distingue 2 types au sein de nos cellules :

  • L’ADN nucléaire, contenu au sein du noyau de la cellule – et dont il n’existe qu’une seule version par cellule – se compose de plus de 3 milliards de paires de bases qui s’organisent en 23 paires de chromosomes (22 dit autosomes et 1 paire de chromosome sexuel, XX ou XY). On hérite à la fois de l’ADN de notre père et de notre mère ;
  • L’ADN mitochondrial, contenu dans les mitochondries est présent en de nombreuses copies dans une cellule et se compose de 16569 paires de bases. Contrairement à l’ADN nucléaire, c’est un ADN circulaire qui n’est transmis que par la mère. 

Voilà pour les généralités.

ADN mitochondrial et nucléaire
ADN mitochondrial et nucléaire
(Figure : © vetopsy.fr)

Et maintenant : les caractéristiques de l’ADN ancien

Comme je le disais ☞ ici, lorsque l’ADN est conservé, il est fragmenté, chimiquement modifié et présent en faible quantité.

Ceci est dû à l’action des enzymes (de l’individu et de l’environnement) qui vont venir agir sur la molécule d’ADN. Et comme l’individu est mort (oui, c’est le principe en archéologie), les mécanismes de réparation de l’ADN n’existent plus !

Bon déjà, vous l’aurez compris, la 1e condition c’est que l’ADN existe encore. Ça parait tout con mais bon, finalement, on n’a jamais la garantie qu’un échantillon contiendra de l’ADN. C’est d’ailleurs variable d’un élément anatomique à un autre et d’un individu à l’autre au sein d’un même contexte. Il existe des études qui ont tenté de calculer combien de temps l’ADN pouvait survivre. Mais je crois que l’étude de van der Valk et al., 2021, qui publie un ADN de mammouth de plus d’un million d’années a mis à mal ces théories…

Que signifie « l’ADN est fragmenté » ? Tout simplement que les brins sont cassés. De façon générale, la taille des fragments attendue en ADN ancien est d’environ 65-70 paires de bases. On est donc loin, très loin, de la molécule de 3.109 paires de bases ! C’est d’ailleurs un des critères d’authenticité de l’ADN ancien.

Ensuite, les modifications chimiques. On en distingue 4 types : l’oxydation (flèches bleues), l’autolyse, l’hydrolyse (flèches vertes) et les déaminations (flèches rouges). Cette dernière catégorie est aussi un critère d’authenticité de l’ADN ancien.


Dommages affectants une molécule d’ADN fossile (Hofreiter et al., 2001)

Et puis enfin, la quantité d’ADN endogène… Elle est très variable, comme je le disais, d’un élément anatomique a un autre (par exemple le taux d’ADN endogène est plus important dans le pétreux que dans une dent ou que dans un os long…) mais aussi d’un individu a un autre.

Mais comme vous êtes des lecteurs assidus, je suis sûre que vous vous dites que j’oublie aussi un paramètre !

 Eh oui ! ça dépend, aussi, de « quoi » on parle ! Étant donné que l’ADN nucléaire est présent en une seule copie, on aura plus de mal, ou moins de facilité comme vous préférez, à le récupérer que l’ADN mitochondrial. Ceci explique que pendant longtemps, on a essentiellement travaillé sur l’ADN mitochondrial !

Qu’est-ce qui favorise la préservation de l’ADN ?

Bon, a priori ce n’est pas tellement l’âge de l’échantillon… Des études avaient estimé une limite théorique a environ 100 000 ans (Hofreiter et al., 2001).

Donc le mammouth tout ça tout ça… 

Quoi alors ? Un ensemble de facteurs environnementaux, comme la température, le pH du sol ou encore l’humidité. Comme le montre la carte ci-après, les régions les plus froides semblent être les plus propices à la conservation de l’ADN. D’ailleurs le mammouth (le fameux !), il venait d’où ? Du nord-est de la Sibérie. En 2013, L. Orlando et collègues ont publié l’ADN d’une espèce disparue du genre Equus, dont le spécimen, daté de 560 à 780 000 ans, a été retrouvé dans le permafrost. Donc en gros le froid et l’ADN font bon ménage (la température est un paramètre important pour le bon fonctionnement des enzymes !).

D’ailleurs, jusqu’à présent (oui, je prends des précautions because you never know), nous n’avons pas réussi à extraire de l’ADN de vestiges brulés (genre des crémations) … 


Carte de répartition des génomes anciens obtenus (Marciniak et Perry, 2017)

Bon, je ne sais pas vous, mais personnellement, je trouve que ce post est déjà assez dense… alors je vous propose de remettre le laïus sur les méthodes à une prochaine fois !

Et donc, pour terminer…

Quelques trucs à retenir, utiles pour la suite :

  • ADN nucléaire VS ADN mitochondrial
  • SI l’ADN est présent, il est dégradé, fragmenté, en faible quantité
  • L’os pétreux (et même les osselets de l’oreille interne !) est l’élément anatomique qui donne les meilleurs résultats en termes de concentration de l’ADN
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Archéogénétique, paléogénétique… Une question de sémantique ou de point de vue ?

Pour commencer… soyons clairs : les propos que je tiens ici (dans ce post) n’engagent que moi et ma vision de la discipline.

Vous avez sans doute remarqué que dans la description de ce blog je parle d’archéogénétique mais que dans le précédent post j’ai utilisé les termes paleogénétique et paleogénomique.
D’ailleurs, on peut aussi tout à fait parler d’archéogénomique – bah oui, pourquoi faire simple quand on peut faire compliqué ! [Mais… si vous avez tout lu (et retenu haha), vous savez que la différence entre génétique et génomique (au moins dans mon discours) est liée à l’approche méthodologique (☞ qui fera l’objet d’un post !)].

Pour simplifier le propos, je vais parler aujourd’hui de paleogénétique et d’archéogénétique.

Comme mentionné dans le premier article (☞ ici), la paleogénétique est une discipline récente (moins de 40 ans depuis la première publication) qui a nécessité la mise en place d’une méthodologie propre, comme par exemple la capacité à extraire de l’ADN des tissus minéralisés.
Mais pas uniquement !
Il a aussi fallu mettre au point des méthodes d’analyses statistiques adaptées à nos données (des données fragmentaires, chimiquement altérées… bref, en gros nos données ressemblent un peu à un gruyère 🧀 !).
En fait, dans cette discipline, tout était nouveau ! De l’obtention des données jusqu’à l’analyse…
Et comme dans toute discipline, les outils évoluent, les techniques s’affinent…
Bref, rien n’est gravé dans la roche (t’as la référence ?! 🎵).

Je sens que vous vous demandez où je veux en venir… Bah juste ici ☟! C’est parfait, on y est.

On peut donc, en ce sens, considérer la paleogénétique comme une discipline à part entière. Il y a des gens qui perfectionnent les protocoles pour extraire l’ADN et pour le sequencer… d’autres qui sont des geeks qui vont developper des outils statistiques, bio-informatiques pour les analyses…

Bon, et donc, l’archéogénétique dans tout ça ?

Vous aurez bien noté la contraction des mots archéologie et génétique. Parce que bon, la paleogénétique bosse sur quoi comme type de matos ?! Du matos archéologique. Bingo !

Et donc c’est là qu’intervient l’archéogénéticien : quelqu’un qui va utiliser la paleogénétique afin de répondre à une (ou des) question(s) archéologique(s).

Et donc, pour moi, qui me considère comme archéogénéticienne, la paleogénétique est une boîte à outils au service de l’archéologie (au même titre que les datations, les isotopes…).

Pour résumer (et encore une fois ça n’engage que moi), la paleogénétique est une discipline (avec ses développements propres) dont les outils sont utilisés par les archéogénéticiens avec l’objectif de répondre à une question archéologique.

En gros : tu peux developper des outils pour la paleogénétique sans être au fait des contextes archéologiques… et tu peux aussi utiliser ces outils dans un contexte particulier, sans pour autant être capable de developper ces outils.

‼️Attention nuance ! Il est primordial de comprendre à quoi servent
et comment fonctionnent les outils… ‼️

On sait tous se servir d’un couteau et dans quelles conditions l’utiliser. On sait, en fonction du contexte, s’il vaut mieux utiliser un couteau à viande ou à poisson. Pour autant on est pas tous capables de fabriquer le couteau. Tu vois où je veux en venir ?

Donc à l’avenir, cher lecteur, si tu decides de continuer ce voyage, sache que je parlerai de paléo-*quelque chose* quand je te présenterai les méthodes et d’archeo-*quelque chose* lorsque j’aborderai l’utilisation de la paléo-*truc* dans un contexte spécifique !

PS : je n’ai pas inventé le terme “archéogénétique“… c’est un terme que l’on doit à C. Renfrew en 2001, qui le mentionne dans un article intitulé ‘From molecular genetics to archaeogenetics‘ ainsi que dans un livre (co-édité par Colin Renfrew et Katie Boyle) ‘Archaeogenetics: DNA and the Population Prehistory of Europe’ (Cambridge: McDonald Institute for Archaeological Research, 2000. Pp. 342).

L’ADN ancien : histoire d’une (R)évolution

Pour ce premier article, je vous propose de plonger avec moi à la découverte de cette discipline, en empruntant un chemin plutôt épistémologique.

NB : Ce texte est une version française légèrement modifiée d’un article que j’ai écrit pour le blog du projet COMMIOS.

L’ADN ancien : un développement récent

Tout a commencé en 1984 avec Hichugi et son équipe, lorsqu’ils ont récupéré un fragment d’ADN sur un quagga empaillé, une espèce disparue à la fin du XIXe siècle. Cette découverte a été rapidement suivie par le premier ADN ancien humain ! En effet, à peine un an plus tard, en 1985, Svante Pääbo et ses collègues publient les données génétiques d’une momie égyptienne, morte il y a plus de 2000 ans… Pour être honnête , on s’est aperçu par la suite que ce résultat était dû à une contamination moderne. Mais qu’importe ! On savait que c’était possible, alors on l’a fait !
Et c’est ainsi que la paléogénétique est née.

Au cours des années suivantes, nous avons assisté à une course entre les équipes afin de publier l’ADN le plus ancien et, malheureusement, de nombreux résultats se sont avérés dus à des contaminations. Mais, somme toute, cela fut très instructif et a permis de développer des méthodes et d’établir des règles.

ADN ancien : quelques règles

Bon, maintenant que j’ai attisé votre curiosité… Vous êtes très certainement en train de trépigner d’impatience pour avoir la réponse à cette question : comment font-ils ?

Tout d’abord, laissez-moi vous dire quelques mots sur les caractéristiques de l’ADN ancien. Lorsque l’ADN est encore présent dans les échantillons (bah oui, c’est un peu la condition sine qua non), il est fragmenté (donc courts segments de nucléotides), dégradé (présente des altérations chimique) et en faible quantité.

L’un des développements majeurs (et qui n’est d’ailleurs pas seulement utilisé pour l’ADNa) est la PCR. Oui, je sais, cet acronyme est bien connu depuis le début de la crise du Co***, mais savez-vous vraiment ce que ça signifie ? Réaction en chaîne par polymérase. C’est la clef pour amplifier des fragments d’ADN, ce qui est absolument nécessaire lorsque l’ADN est en faible quantité. Et en plus, on a de la chance car ça fonctionne très bien sur les fragments courts (et si vous avez tout suivi vous vous souvenez que l’ADN ancien est fragmenté ! 😉).

Bon, mais encore faut-il pouvoir extraire ces fragments d’ADN… Comme vous l’avez peut-être remarqué, en 1984 et 1985, les résultats ont été obtenus à partir d’un animal empaillé et d’une momie, ce qui signifie que les équipes ont travaillé avec des tissus mous. Bon, je ne vais pas vous mentir, ce n’est pas vraiment ce qu’on trouve le plus souvent en contexte archéologique ! Ce qui nous amène donc au deuxième développement majeur de la paléogénétique : la possibilité d’extraire l’ADN des os et des dents, c’est-à-dire des tissus minéralisés. Je ne vais pas entrer dans les détails, mais c’est comme faire la cuisine, on suit une recette un protocole.
Mais ceci, mes amis, fut une avancée incroyable.

Nous savons donc comment extraire et amplifier l’ADN… Reste à savoir comment le faire correctement. Comme je vous l’ai déjà raconté, les premières publications sont malheureusement des contaminations. Ceci s’explique par des caractéristiques de l’ADN ancien (il est présent en faible quantité et en plus il est altéré, oui je sais, je radote !, mais promis, c’est important de garder ça en tête !). Si on extrait de l’ADN ancien et moderne (accidentellement !) et bien l’ADN moderne va être plus facile à récupérer (car il est présent en de multiples copies, et oui, vous avez tout suivi !). Ces problèmes de contamination ont donc permis de mettre en place des règles.
Ces règles comprennent le travail dans un laboratoire stérile – ou salle blanche (croyez-moi sur parole, c’est moi sur la photo !) -, échantillonner de façon stérile et, si ce n’est pas possible, décontaminer les échantillons… Ces règles ont été publiées par Cooper et Poinard en 2000, soit 16 ans après la première publication en paléogénétique, dans la revue Science, dans un article intitulé “Ancient DNA : Do It Right or Not at All”.

Une personne (ok, moi !) travaillant en salle blanche

De la paléogénétique à la paléogénomique

Il a donc fallu près de 20 ans pour mettre au point une méthode entièrement reproductible dans le domaine de l’ADN ancien (ce qui, à l’échelle de l’archéologie, peut sembler être une seconde). Et, vu que le “Sky is the limit”, comme disent nos collègues américains, les développements se sont poursuivis. Moins de 5 ans après l’article de Cooper et Poinard, et 21 ans après la toute première publication, le premier génome – ou du moins des parties du génome – d’un ours des cavernes datant de 40 000 ans a été publié (Noonan et al., 2005). Je sais ! C’est fou !

Et là vous vous dites ” Mais de quoi elle parle ? D’abord elle nous parle de paléogénétique et maintenant de paléogénomique… Je suis perdu(e) !”. Donc, rapidement : quelle est la différence entre la paléogénétique et la paléogénomique ? Je vous promets de vous en dire plus dans mon prochain article (#teasing de fou), mais en bref : en paléogénétique, nous travaillons a priori, c’est-à-dire que nous ciblons une région spécifique de l’ADN, et nous amplifions ce fragment par PCR. A contrario, en paléogénomique, on amplifie tout et on choisit la séquence d’intérêt a posteriori.

On avance encore un peu dans le temps, et cinq années plus tard, voici le premier génome humain ancien, un Eskimo du Groenland, mort il y a environ 4000 ans (Rasmussen et al., 2010).
On continue notre avancée dans le temps et nous voici en 2021. Hier quoi. Le “record” actuel, le “fameux ADN le plus ancien” a été publié. Il s’agit du génome de mammouth datant de plus d’un million d’années (van der Valk et al., 2021). 1,2 million d’années 🤯.

Prenons cinq minutes pour y réfléchir ensemble, si vous le voulez bien. Premier fragment d’ADN ancien publié en 1984. Plus ancien génome obtenu en 2021.
Trente-sept ans – c’est le temps qu’il a fallu pour accomplir quelque chose d’aussi incroyable.

Le développement de la paléogénomique : un boom depuis 2015

Une autre chose est assez incroyable : le nombre de génomes humains publiés… Et encore le graphique n’est pas à jour car une équipe (dont je fais partie) vient de publier près de 800 nouveaux génomes (Patterson et al., 2021), ce qui est, je crois, le jeu de données le plus important publié en une seule fois…

ADN ancien : le boom (https://reich.hms.harvard.edu/research)

Bon, mais regardons tout ça d’un peu plus près… En 2018, parmi les 1372 génomes humains anciens disponibles, 1144 provenaient d’Europe (et 400 étaient datés du Néolithique à l’âge du Bronze). Ceci témoigne donc de fortes disparités entre les régions et les périodes étudiées, qui s’expliquent, au moins partiellement, par des problématiques de conservation de l’ADN (promis, ce sera le sujet du prochain article !).

Lorsque j’ai terminé mon doctorat, à la fin de 2019, seules 26 données étaient disponibles pour l’âge du Fer en Europe occidentale. Ouaip, 26 (et les données que j’ai produites, of course !).
Et donc maintenant, grâce à un effort conjoint de différentes équipes, dont l’équipe COMMIOS à laquelle j’appartiens, plus de 500 données sont disponibles pour l’âge du Fer. D’ailleurs, je vous encourage vivement à lire cet article : ‘Large-scale migration into Britain during the Middle to Late Bronze Age’. Je pense même que ce sera le premier article que je décrypterai pour vous sur ce blog !

Voilà, c’est tout pour cette fois.
J’espère que vous avez apprécié cette histoire sur l’émergence de cette discipline et que vous êtes aussi impressionné que moi par la rapidité avec laquelle cette méthode a été développée !