Biofutur, le mensuel européen des biotechnologies

Ötzi éclaire l'histoire européenne

Agnès Vernet — 2016-01-14T14:07:58Z

Les recherches réalisées sur l'Homme des glaces illustrent l'histoire des Européens par ses conséquences sur des habitants des Alpes au moment de l'Âge du bronze.

Ötzi, une des plus anciennes momies jamais découvertes, nous raconte un peu de l'histoire du continent européen. Découverts en 1991 dans les Alpes italiennes, presqu'à la frontière avec l'Autriche, les restes de cet homme ayant vécu il y a 5 200 ans ont été très étudiés. Le 8 janvier, la revue américaines Science a publié l'analyse de la reconstruction du génome d'une bactérie gastro-intestinale, Helicobacter pylori, découverte dans l'abdomen de la momie (1). Or elle ne comporte aucune trace de la souche africaine qui a laissé sa marque dans toutes les bactéries contemporaines de cette espèce. À l'époque d'Ötzi, la souche africaine n'avait donc pas encore colonisé toute l'Europe. Une information importante pour comprendre les migrations humaines passées.
Une nouvelle étude nous éclaire aujourd'hui sur la lignée de cet Homme des glaces (2). De précédentes études portant sur le chromosome Y et le génome mitochondrial d'Ötzi ont démontré qu'il descend de la lignée G2a par son père et K1f par sa mère. Des traces génétiques de G2a sont encore décelées dans la population européenne alors que l'empreinte de K1f reste indétectable. Grâce à une comparaison génomique de grande ampleur – impliquant 1 077 échantillons de mitochondries modernes dont 42 provenant de la région où a vécu l'Homme des glaces –, des chercheurs de l'Académie européenne de Bolzano, en Italie, indiquent que la lignée K1f est désormais éteinte. Leurs analyses suggèrent que la mère d'Ötzi devait appartenir à une population petite et stationnaire. Cela expliquerait comment sa lignée a fini par disparaître, sous la pression des mouvements de populations débutés il y a 5 000 ans. Des migrations qui ont eu une influence considérable, jusqu'à remodeler complètement le profil génétique des Européens.

(1) Maixner F et al. (2016) Science 351, 162-5
(2) Coia V et al. (2016) Sci Rep, doi:10.1038/srep18932

La main d'Ötzi
© South Tyrol Museum of Archæology/EURAC/M. Lafogler

Évolution à grande vitesse

Agnès Vernet — 2015-12-15T04:02:00Z

Dans le golfe d'Alaska, des petits poissons n'ont eu besoin que de quelques dizaines d'années pour diverger de leur population d'origine et s'adapter à un tout nouvel environnement.

L'évolution n'est pas toujours un processus lent, même chez les vertébrés. Des chercheurs des universités d'Alaska, de Fairbanks et d'Anchorage, en collaboration avec l'Université de l'Oregon à Eugene et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, ont démontré que quelques décades suffisent pour modifier le destin d'animaux.
Ce résultat est le fruit d'observations dans le golfe l'Alaska. Cette zone a subi de grands bouleversements après le tremblement de terre de 1964 : des bassins d'eau douce ont surgi sur des îles dans la baie du Prince-William, piégeant des populations d'épinoches (Gasterosteus aculeatus), de petits poissons bardés d'épines qui vivaient jusque-là dans de l'eau salée. Les analyses génomiques – le séquençage de quelques 130 000 polymorphismes nucléotidiques simples chez plus de 1 000 individus prélevés sur trois îles – montrent que les animaux n'ont pas mis longtemps pour s'adapter à leur nouvel environnement. En un demi-siècle, les poissons d'eau douce ont divergé de leur ancêtre marin et cette évolution a débuté dès les premières années de colonisation.
Cette incroyable rapidité d'adaptation semble liée à la richesse génétique existant dans la métapopulation d'épinoches. G. aculeatus est présent dans de très nombreux milieux de l'Hémisphère nord – eaux douces, marines ou saumâtres – et dispose ainsi d'une grande variété génétique. Les scientifiques suggèrent que l'architecture du génome de ces poissons serait aussi favorable à cette évolution express en facilitant le réassemblage de groupes de séquences géniques afin qu'elles deviennent actives.
D'autres espèces pourraient aussi être dotées de cette faculté d'évolution à grande vitesse. Une arme incroyable dans l'histoire du vivant, très utile dans un contexte de changement climatique.

Lescak EA et al. (2015) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1512020112

William Cresko, de l'Institut d'écologie de l'Université de l'Oregon, au milieu de ses collections d'épinoches.
© Charlie Litchfield

Un problème de taille

Agnès Vernet — 2015-10-30T14:10:59Z

L'ancêtre commun à tous les grands singes aurait été assez petit, contrairement à l'hypothèse généralement admise.

Il y a environ 17 millions d'années, la superfamille des Hominoïdes (les grands singes) a divergé, donnant naissance d'une part aux Hominidés (humains, chimpanzés, gorilles et orang-outans) et d'autre part aux Hylobatidés (gibbons). Ces derniers sont d'une taille moins imposante que les premiers. Pendant longtemps, les chercheurs n'ont trouvé que de grands fossiles datant de l'époque précédant la divergence, ils ont donc supposé que les premiers Hominoïdes étaient grands et que la branche des gibbons était une lignée « naine ». Mais un fossile découvert en Catalogne, en 2011, vient remettre cette hypothèse en question. Des travaux à Barcelone ont accidentellement mis au jour 70 morceaux fossilisés d'un squelette de singe. Ils appartiennent à une femelle Hominoïde de petite taille ayant vécu il y a 11,6 millions. Elle appartiendrait à une nouvelle espèce que les chercheurs ont appelé Pliobates catalonia. D'après l'analyse phylogénétique de plus de 300 marqueurs, il s'agirait d'un membre d'une famille, aujourd'hui éteinte, ayant divergé des autres Hominoïdes peu de temps avant la distinction entre Hominidés et Hylobatidés. Ce fossile semble donc constituer un bon indicateur de ce à quoi l'ancêtre commun aux grands singes a pu ressembler.
P. catalonia possédait eu une stature comparable à celle des actuels gibbons (entre 4 et 5 kg). La morphologie de son crâne – reconstruite par tomographie 3D d'après des fragments osseux – rappelle aussi celle des Hylobatidés. Son squelette, bien qu'incomplet, indique qu'elle devait se déplacer lentement en grimpant à travers la canopée. Ses articulations ont due être très flexibles et autoriser les suspensions aux branches. Autant d'éléments qui bousculent le dogme sur la grande taille de l'ancêtre des Hominoïdes actuels.

Alba DM et al. (2015) Science 350, 6260

Ci-dessous : Arbre phylogénique des Hominoïdes incluant P. catalonia
© Marta Palmero / Institut Català de Paleontologia Miquel Crusafont

En vignette : Reconstruction du crâne et représentation de la tête de P. catalonia
© Marta Palmero / Institut Català de Paleontologia Miquel Crusafont

Retour sur l'histoire migratoire de l'Afrique

Agnès Vernet — 2015-10-09T14:34:14Z

L'analyse du génome ancien, d'un africain ayant vécu il y a 4 500 ans, éclaire sur des mouvements migratoires millénaires.

Les grandes découvertes de l'histoire de l'humanité sont toujours le fait d'une chance inouïe, comme celle offerte aux anthropologues Kathryn et John Arthur, de l'Université de Floride du Sud, qui découvrirent en 2012, en Éthiopie, au fond d'une cave fraîche et sèche – des conditions idéales pour la conservation de l'ADN – les restes d'un homme. Enterré il y a 4 500 années, il a été appelé Mota par les scientifiques en référence au nom du site. L'isolement puis le séquençage de cet ADN ancien lève le voile sur l'histoire du continent africain et notamment sur un flux migratoire qui marque l'arrivée, il y a 3 000 ans, dans la Corne de l'Afrique d'une population très proche des premiers agriculteurs du Néolithique et venant d'Asie occidentale (Proche-Orient, Anatolie). Un retour vers une région d'Afrique surnommée le berceau de l'humanité alors que le continent est surtout réputé pour être une terre d'émigration. Le premier séquençage complet d'un génome ancien africain précédant cet événement établit une référence pour les paléogénéticiens.
La comparaison de la séquence de Mota et des génomes des africains modernes permet de mesurer l'impact de cette migration d'Asie occidentale sur la diversité génétique des populations et ainsi d'en évaluer l'importance. D'après les résultats des travaux menés par un consortium international, dirigé par Andrea Manica de l'Université de Cambridge et Ron Pinhasi de l'University College de Dublin, l'ampleur de cette migration est bien plus importante qu'attendu. Les personnes vivant aujourd'hui en Afrique de l'Est ont hérité jusqu'à 25 % de leur génome des migrants venant d'Asie occidentale. À l'échelle du continent, le degré d'hérédité avec ces ancêtres asiatiques ne descend pas sous les 5 %, même pour des populations considérées comme peu métissées comme les pygmées Mbuti.
Pour laisser des traces aussi importante 3 000 ans plus tard, ce flux migratoire a dû entraîner un très grand nombre d'individus. Les causes de ce départ massif restent inconnues. Mais les archéologues remarquent que l'arrivée de ces populations asiatiques en Afrique coïncident avec le développement de l'agriculture et notamment avec des cultures du blé et de l'orge dans la région.

Gallego Llorente M et al. (2015) Science, doi:10.1126/science.aad2879

La tombe de Mota.
© Kathryn et John Arthur

Quand l'humanité montre les dents

Agnès Vernet — 2015-04-24T03:00:00Z

L'analyse de deux dents, datant du Paléolithique, identifie une population humaine contemporaine du déclin des néandertaliens.

Il perdure de nombreuses zones d'ombre dans l'histoire de l'humanité, notamment il y a entre 39 000 et 41 000 ans, lorsque les néandertaliens ont disparu tandis comme le territoire de l'homme moderne gagnait en ampleur. Pour comprendre ces événements, il est essentiel de bien attribuer chaque trace de culture humaine au bon groupe – hommes modernes ou de Neandertal. Parmi les cultures les plus finement étudiées, celle du Proto-Aurignacien est l'objet d'un débat au sein des paléoanthropologues pour en connaître les auteurs. Il s'agit d'une culture d'Europe méditerranéenne caractérisée notamment par des lamelles constituées d'une seule pierre taillée et dont on a trouvé des traces dans des sites datés d'environ 40 000 ans. La question de l'attribution de cette culture vient d'être tranchée, grâce aux travaux d'institutions italiennes, dont l'Université de Bologne, en collaboration avec l'Institut Max Planck pour l'anthropologie évolutionniste de Leipzig et le Centre pour l'étude des origines humaines de New York.
Les chercheurs ont travaillé sur deux incisives découvertes sur les sites italiens de Riparo Bombrini pour la première et de la Grotte de Fumane pour la seconde, entourés, dans les deux cas, d'objets attribués à la culture proto-aurignacienne. La morphologie de la première concorde avec les analyses dentaires d'hommes modernes. Les scientifiques ont réussi à extraire de la seconde de l'ADN mitochondrial. En le comparant à des échantillons d'ADN appartenant à différents représentants du genre Homo et même à un échantillon de chimpanzé, ils confirment le résultat de l'analyse morphologique et attribuent ces restes humains à des hommes morphologiquement modernes.
Ces travaux constituent un élément important pour modéliser les différentes populations humaines présentes en Europe lors de la disparition de Neandertal. Les individus ayant produit cette culture du Proto-Aurignacien ont certainement participé à la dispersion des hommes modernes à travers le continent, leurs créations ayant été retrouvées dans différents sites européens. Ce faisant, ils ont aussi pu jouer un rôle dans déclin de leurs cousins. Lequel ? Seules de nouvelles recherches nous le diront.

Benazzi S et al. (2015) Science, doi:10.1126/science.aaa2773

Représentation 3D par microtomographie des deux dents, à gauche celle de Riparo Bombrini, à droite celle trouvée dans le Grotte de Fumane.
© D. Panetta/CNR Institute of Clinical Physiology

De l'eau à la terre ferme

Agnès Vernet — 2014-08-29T03:00:00Z

En acclimatant des poissons à la vie terrestre, des chercheurs reproduisent les premières adaptations de l'ancêtre des tétrapodes.

Il y a environ 400 millions d'années, un groupe de poissons est sorti de l'eau pour explorer la terre ferme et a fini par donner naissance aux tétrapodes c'est-à-dire les amphibiens, les reptiles, les oiseaux et les mammifères modernes. Pour comprendre ce phénomène, des chercheurs des universités canadiennes Mc Gill, à Montréal, et d'Ottawa ont cherché à reproduire cette « terrestrialisation », comme ils nomment l'adaptation d'une espèce aquatique à la vie terrestre. Ils ont étudié les changements anatomiques et comportementaux de Polypterus senegalus – des poissons d'Afrique qui possèdent à la fois des branchies et des poumons – ayant grandit dans un environnement strictement terrestre au cours de sa première année de vie. Cette espèce est un modèle pour comprendre l'évolution des tétrapodes : elle dérive des actinoptérygiens, une branche très ancienne des poissons, et présente beaucoup de similarités morphologiques avec le genre Elpistostege, aujourd'hui disparu, considéré comme un parent proche de l'ancêtre commun des tétrapodes. Les P. senegalus survivent sur la terre ferme, grâce à leur poumons fonctionnels et peuvent même se déplacer en s'appuyant sur leur nageoires pectorales.
En élevant ces poissons dans un milieu strictement terrestre, les chercheurs ont modifié les forces environnementales auxquels les animaux sont soumis, espérant ainsi voire apparaître des changements comportementaux et anatomiques. Et ça a fonctionné ! Comparativement aux individus élevés dans un milieu aquatique, les P. senegalus terrestres marchent plus efficacement, en plaçant leurs nageoires pectorales plus près de leur corps et en levant davantage la tête.

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La marche d'un P. senegalus terrestres, en temps réel.
© Standen EM/Du TY

Côté anatomie, « leur squelette pectoral est devenu plus allongé, avec des attaches plus solides au niveau de la poitrine – ce qui semble améliorer le maintien du corps durant la marche. Le squelette et la tête s'éloignent un peu, ce qui permet potentiellement de faciliter les mouvements de la tête et du cou » explique Trina Du, une thésarde qui a travaillé sur ce projet. Ces légers changements ne sont pas anodins : ils s'inscrivent dans une tendance qui correspond exactement aux fossiles Elpistostege. Cette expérience semble donc se rapprocher de la « terrestrialisation » de nos très lointains ancêtres. Elle met en évidence une « plasticité développementale », la capacité d'adaptation d'un individu en développement à un milieu différent. Si certains de ces acquis sont transmis à la descendance, cela constituera une traduction concrète de la sélection naturelle.
« À notre connaissance, il s'agit du premier exemple démontrant que la plasticité développementale peut faciliter des transitions importantes au sein de l'évolution » s'enthousiasme Hans Larrsson qui dirige le laboratoire de l'université Mc Gill où l'expérience a été menée. Espérons que ces travaux se poursuivent afin de pouvoir mesurer les conséquences moléculaires de cette « terrestrialisation » primitive…

Standen EM et al. (2014) Nature, doi:10.1038/nature13708

P. senegalus
© Antoine Morin

Comment les bactéries ont domestiqué les phages

Agnès Vernet — 2014-08-06T03:00:00Z

Le génome bactérien poursuit une évolution constante en assimilant et abandonnant des gènes dérivés des phages.

Pour contenter leur besoin permanent d'adaptation, les bactéries sont sans cesse à la recherche de nouvelles ressources génétiques. Dans une compétition évolutive impitoyable, des outils avantageux pour la colonisation de nouveaux milieux, la résistance aux infections ou le transfert horizontal d'informations génétiques peuvent être déterminants. Louis-Marie Bobay, Marie Touchon et Eduardo Rocha, de l'Institut Pasteur, viennent de démontrer que les bactéries assurent cet intense renouvellement génétique grâce aux phages, des parasites ou des virus spécialistes des procaryotes.
L'idée n'est pas neuve mais les travaux de génomique comparative des trois biologistes indiquent que le phénomène est continu et qu'avant leur intégration, les phages sont soumis à une sélection par leur hôte. Les chercheurs parlent même de « domestication des phages » par les bactéries.
Après avoir identifié plus de 300 prophages – des séquences phagiques intégrées dans le génome d'un hôte – transmis d'une génération à l'autre au sein d'entérobactéries, ils démontrent que certaines séquences sont très anciennes et pourraient avoir été déterminantes dans la divergence entre Escherichia coli et Salmonella enterica.
L'analyse de la distribution de l'ADN prophagique dans les génomes bactériens semble indiquer que certains gènes – probablement ceux impliqués dans la virulence – sont inactivés rapidement alors que d'autres sont maintenus, traduisant une dégradation génétique lente. Selon les trois chercheurs, cela pourrait être le signe d'une sélection des gènes à conserver ou non par les hôtes. L'évolution des bactéries s'appuierait alors sur un flux permanent d'acquisitions et de pertes de prophages.

Bobay L-M et al. (2014) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1402770111

Un écosystème ancestral loin d'être archaïque

Agnès Vernet — 2014-06-26T03:00:00Z

Des fossiles pluricellulaires datant de plus 2 milliards d'années témoignent d'une biodiversité riche et complexe.

Quand, en 2010, des chercheurs du CNRS et de l'Université de Poitiers mettent la main sur plus de 250 fossiles d'organismes pluricellulaires complexes dans un gisement sédimentaire près de Franceville, au Gabon, l'histoire du vivant est alors sur le point d'être réécrite (1). Vieux de 2,1 milliards d'années (Mda), ces fossiles démentent l'hypothèse d'une apparition des organismes complexes il y a 600 millions d'années (Ma). Leur histoire est en fait bien plus longue qu'on le pensait.
La poursuite des fouilles met au jour plus de 400 fossiles et c'est un véritable écosystème marin ancien que les biologistes ont sous les yeux (2). Composé d'organismes microscopiques et macroscopiques – certains spécimens mesurent 17 centimètres –, il révèle des modes de croissance très sophistiqués : les morphotypes sont variés, de forme lisse ou plissée, massive ou cloisonnée. D'après les analyses au microtomographe à rayons X, leur texture semble avoir été uniforme ou grumeleuse, de nature plutôt médusaire – molle et gélatineuse. Au vue de la pluralité des formes de vie représentées dans ces fossiles, il ne peut y avoir guère de doute : ces organismes ont évolué.
Tout comme l'émergence du biota comparable découvert en Australie – qui correspond à un pic d'oxygénation de l'atmosphère il y a 800 Ma –, l'émergence de la biodiversité ancienne découverte au Gabon semble associée à une hausse des taux d'oxygène entre -2,3 et -2 Mda. Un changement brutal d'atmosphère aurait ensuite éteint cette éruption de biodiversité.
Si cet écosystème est la plus ancienne trace de vie complexe découverte, rien ne dit que d'autres formes, ayant emprunté peut-être d'autres chemins évolutifs, ne sont pas encore cachées quelque part. L'entière richesse du vivant reste encore à dévoiler.

(1) El Albani A et al. (2010) Nature 466, 100-4
(2) El Albani A et al. (2014) PLoS One 9, e99438

Les dinosaures avaient-ils le sang chaud ?

Agnès Vernet — 2014-06-16T03:00:00Z

Les dinosaures n'étaient pas de gros lézards. C'est l'étude de leur métabolisme qui le démontre.

Gare aux idées reçues ! Ce que nous croyons savoir sur les dinosaures n'est parfois qu'une idée sans fondement. En étudiant de près la structure des os fossilisés de dinosaures, des chercheurs ont ainsi fragilisé l'idée que ces gros lézard, de par leur parenté avec les reptiles, étaient ectothermes, c'est-à-dire des animaux dont la température corporelle suit la courbe de la température ambiante (1). Les quelques échantillons analysés présentaient, en effet, les signes de taux de croissance plutôt compatibles avec l'endothermie – quand la température interne est indépendante de la température extérieure –, qui se caractérise par un métabolisme et une croissance rapides.
Pour évaluer cette hypothèse avec des arguments plus solides, des chercheurs de l'Université du Nouveau-Mexique, à Albuquerque, ont construit une base contenant plus de 30 000 taux métaboliques relatifs à 381 espèces modernes ou fossiles, dont 21 espèces de dinosaures pour lesquels le taux métabolique a été estimé grâce à la mesure des cernes de croissances sur les os (2). En comparant ces données en prenant en compte la taille des animaux et la température moyenne de leur environnement, ils estiment que les dinosaures n'étaient pas ectothermes, ni même endothermes. Ils se situeraient plutôt entre les deux, dans une zone assez proche du thon ou des grands requins, dont les taux métaboliques sont très élevés et restent influencés par la température extérieure. Un résultat qui met en péril la distinction ferme existant entre ectotherme et endotherme.

(1) Erickson GM et al. (2001) Nature 412, 429-33
(2) Grady KM et al. (2014) Science 344, 1268-72

Nouvel envol pour l'évolution des oiseaux

Agnès Vernet — 2014-05-26T03:00:00Z

Les oiseaux inaptes au vol ne se seraient pas éloignés de leur ancêtre commun en courant... mais en volant.

Parfois la connaissance avance par petits pas, parfois elle envoie les théories à la poubelle. Les travaux menés par Alan Cooper, de l'Université d'Adélaïde, en collaboration avec d'autres universités australiennes et néo-zélandaises, appartiennent à la seconde catégorie. Alors qu'on croyait la spéciation des oiseaux inaptes au vol provoquée par la séparation des continents – ce qu'on appelle une « spéciation vicérante », c'est-à-dire imposée par l'isolement géographique –, le collectif océanien de chercheurs démontre qu'ils se seraient dispersés sur la planète en volant avant de perdre cette aptitude.
Leurs recherches s'appuient sur l'analyse phylogénétique d'Æpyornis et Mullerornis, deux genres d'Æpyornithiformes – ou oiseaux éléphants, un groupe d'espèces inaptes au vol de Madagascar aujourd'hui éteint. Selon l'hypothèse classique, leur plus proche parent était Struthio camelus, l'autruche africaine, dont ils auraient été séparés lors de la dislocation de la Pangée – le supercontinent qui a perduré jusqu'au début du Jurassique. Mais leur ADN mitochondrial montre une parenté forte avec Apteryx australis ou kiwi, le petit oiseau omnivore néo-zélandais, et plus distante avec les grands coureurs africains. La proximité géographique ne se traduit donc pas par une proximité phylogénétique.
Pour expliquer ce résultat, Alan Cooper et ses collaborateurs imaginent que l'ancêtre des oiseaux éléphants est arrivé à Madagascar en volant et que ses descendants ont perdu cette capacité car l'île n'hébergeait pas de prédateurs. Selon eux, certains oiseaux auraient perdu le vol en s'installant, à l'aube du Tertiaire – il y a environ 65 million d'années –, dans les niches écologiques récemment libérées par l'extinction massive des dinosaures, les principaux prédateurs d'alors.

Mitchell KJ et al. (2014) Science 344, 898-900

Un squelette de kiwi adulte à côté d'un œuf d'Æpyornis maximus, une grande espèce d'oiseau éléphant.
© Kyle Davis et Paul Scofield / Canterbury Museum

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