Des secrets sur l’évolution humaine révélés grâce à l’étude d’ADN ancien d’Europe et du Proche-Orient

Une étude pionnière sur l’ADN ancien, publiée dans la prestigieuse revue Nature, montre que la fréquence de deux variants de l’ADN liés à la maladie cœliaque avait considérablement augmenté au sein des populations de ces régions.

Des centaines d’autres variants d’ADN de ce type ont également découverts dans le cadre de cette étude, qui apporte un éclairage sans précédent sur la manière dont, ces 10 000 dernières années, l’évolution humaine, et plus particulièrement la biologie du corps humain, a été façonnée par la sélection naturelle. (La sélection naturelle se produit lorsqu’une version d’un gène liée à un trait spécifique, tel qu’une maladie comme la maladie cœliaque, mais aussi des caractéristiques comme les cheveux roux ou un groupe sanguin spécifique, s’avère suffisamment avantageuse pour la survie et la reproduction).

Sous la direction de scientifiques de l’université de Harvard, les chercheurs ont analysé et comparé les génomes, ou séquences d’ADN complètes, de près de 22 000 individus. Les données comprenaient 10 000 génomes anciens jamais étudiés auparavant, 6 000 génomes déjà publiés et 6 000 individus modernes.

Avant cette étude, on ne connaissait que 21 changements génétiques dus à la sélection naturelle — par opposition aux migrations, aux fusions de communautés ou à des facteurs similaires.

« C’est fascinant de pouvoir observer l’évolution en action, et pas seulement d’étudier les traces qu’elle laisse sur les schémas de variation modernes », confie l’auteur principal de l’étude, le généticien de Harvard David Reich, au Times of Israel, le temps d’une interview vidéo.

L’industrialisation de la production d’ADN ancien

Reich, qui dirige un laboratoire spécialisé dans l’ADN ancien, la biologie et les maladies, explique que l’extraction d’ADN ancien n’est possible que depuis quelques années, et qu’il a fallu du temps pour accumuler suffisamment de données afin de mener une étude sur l’évolution humaine.

« La technologie permettant d’extraire l’ADN ancien de restes humains n’est disponible que depuis 2010 », rappelle-t-il. « Je pense qu’il n’est pas exagéré de dire qu’elle a littéralement transformé notre compréhension du passé. »

Ce scientifique est l’auteur de nombreuses études sur l’histoire humaine de groupes, de sites archéologiques et de régions spécifiques, notamment les Juifs et les populations de la terre d’Israël.

L’article publié dans Nature, qui analyse des génomes provenant de pays comme l’Islande, l’Espagne, la Russie, l’Iran ou encore Israël, a adopté une approche différente en se penchant sur la biologie humaine.

« Nombre de ceux qui se sont lancés dans ce domaine étaient des biologistes, qui pensaient sincèrement que la chose la plus passionnante que l’on puisse faire avec l’ADN ancien était d’essayer de comprendre comment notre biologie avait pu évoluer au fil du temps », ajoute-t-il.

« Mais pour étudier l’histoire humaine, il suffit d’un ou de quelques échantillons par population, mais pour comprendre l’évolution, il faut de nombreux échantillons. Ces données n’existaient pas. »

Pour rendre ce type d’étude possible, le Reich Lab et d’autres laboratoires, ailleurs dans le monde, se sont concentrés sur « l’industrialisation de la production d’ADN ancien » ces dix dernières années, explique le scientifique.

« Nous avons extrait l’ADN d’individus à l’aide de robots, nous l’avons purifié à l’aide de robots, et nous l’avons transformé en une forme pouvant être séquencée à l’aide de robots », poursuit-il. « Nous avons également utilisé toutes sortes de méthodes informatiques pour analyser les données de manière uniforme, ce qui a permis d’obtenir des données de haute qualité. »

Le laboratoire Reich a travaillé avec près de 270 archéologues qui ont fourni des échantillons accompagnés des données de base nécessaires à l’analyse, étant entendu que les résultats de la recherche portant sur l’aspect historique de l’étude seraient partagés ultérieurement.

« Les archéologues ne s’intéressent pas particulièrement à la question de l’évolution biologique, mais ils ont vu que les données pouvaient être utiles et diffusées d’une manière qui ne nuise pas au récit archéologique », souligne Reich.

En conséquence de quoi, explique le généticien, cette nouvelle étude a doublé la quantité de données dans l’ensemble du domaine de l’ADN ancien — et triplé celles disponibles pour l’Eurasie occidentale.

Interrogé sur la datation des échantillons anciens, Reich explique avoir travaillé avec des échantillons dont la datation semblait fiable et relativement précise, qu’elle repose sur la datation au carbone 14, au placement clair dans une chronologie basée sur la couche de sol dans laquelle ils avaient été trouvés ou une combinaison des deux.

« Nous avons exclu les échantillons dont la chronologie était moins claire », précise-t-il.

Au-delà des mouvements de population

Un autre défi que relève l’article, grâce à l’intuition de l’auteur principal de l’étude, Ali Akbari, chercheur senior au laboratoire de Reich, consiste à ne documenter que les changements causés par la sélection naturelle – et elle seule.

« L’histoire a été si compliquée partout dans le monde, y compris en Europe et au Moyen-Orient, avec de nombreux mouvements de population, migrations et métissages », rappelle Reich. « Bon nombre de ces changements sont dus à l’arrivée de nouveaux individus ou résultent d’un métissage entre deux groupes. Nous avions besoin d’une stratégie pour détecter l’aiguille dans la botte de foin. »

Le modèle statistique utilisé par les chercheurs a comparé chaque génome aux 22 000 autres et mesuré leur degré de parenté.

« La plupart des génomes humains sont extrêmement similaires les uns aux autres ; si on les aligne les uns à côté des autres, 99,9 % des lettres d’ADN seront identiques », explique Reich. « Sur les 3 milliards de lettres que compte un génome, il peut y avoir 3 millions de différences, ce qui semble beaucoup, mais ne représente en réalité qu’une sur mille sur tout l’ensemble. »

Le système a analysé près de 10 millions de lettres qui différaient entre les génomes humains étudiés et a examiné si le fait de prendre en compte uniquement le temps aidait à prédire les changements.

« La littérature antérieure n’avait identifié qu’une vingtaine de positions [dans le génome] ayant considérablement évolué au fil du temps », souligne Reich. « Ce nombre est désormais passé à près de 500 positions pour lesquelles nous trouvons des preuves claires d’adaptation, et probablement plusieurs milliers de plus si l’on abaisse le seuil de certitude. »

La forte augmentation de la fréquence des deux variants d’ADN associés au risque de maladie cœliaque figure parmi celles-ci.

« On aurait pu penser que ces variants seraient devenus moins courants au cours des derniers millénaires car, à mesure que les gens ont commencé à consommer du blé, [ils auraient pu] devenir moins sensibles à ces affections, mais ils sont au contraire devenus plus sensibles », expliqueReich. « Pourquoi ? Nous ne le savons pas. Probablement parce que [ces variants] offraient également une protection contre d’autres maladies. »

Les scientifiques ont également documenté un changement lié au risque de contracter la tuberculose.

« Il existe plusieurs variations génétiques [dont la fréquence] s’est en quelque sorte inversée », affirme Reich. « L’une de ces variations est le facteur de risque plus important pour les cas graves de tuberculose. Nous observons une très forte sélection naturelle en faveur d’une augmentation de la fréquence de ce facteur de risque entre il y a 6 000 ans et il y a 2 000 ans. Par la suite, il y a eu une très forte sélection contre ce facteur. »

« D’un point de vue spéculatif, il se peut que la tuberculose se soit répandue et que le fait de porter cette variante soit devenue très néfaste, alors qu’avant, elle protégeait peut-être contre autre chose, une autre maladie infectieuse, et il était donc avantageux de la porter », ajoute-t-il.

L’étude documente en outre l’évolution de variants associés à toute une série de pathologies, comme la sclérose en plaques, l’hémochromatose, le trouble bipolaire et la maladie de Crohn, ainsi que des traits humains tels que les cheveux roux, le teint clair et différents groupes sanguins.

Les auteurs ont également publié une base de données ouverte consultable par tous les chercheurs pour examiner n’importe quel emplacement du génome humain et voir quelles variantes d’ADN s’y trouvent.

Interrogé sur les apports de cette étude sur l’ADN juif ancien ou les variantes génétiques spécifiques associées à des maladies répandues au sein de la communauté juive, Reich répond qu’il n’y a pas beaucoup d’échantillons provenant d’individus juifs dans cette étude.

Il explique que l’ADN ancien provenant d’individus juifs est généralement facile à identifier, car les Juifs avaient tendance à ne pas se mélanger aux populations environnantes. Comme les Juifs sont généralement enterrés dans des cimetières distincts, la probabilité d’identifier de l’ADN juif dans un contexte funéraire non juif est faible.

De même, les scientifiques n’ont pas examiné en quoi des régions ou des populations spécifiques d’Eurasie occidentale différaient, notamment en étudiant spécifiquement l’ADN ancien provenant de la terre d’Israël.

Ce sera probablement une piste pour de futures recherches, car Reich souligne que l’étude actuelle n’est « qu’un début », mettant en avant le potentiel de ses données et de ses résultats pour d’autres études dans les domaines médicaux et biologiques, ainsi qu’en histoire et en archéologie.

« Nous ne disposons pas encore d’observations systématiques permettant de distinguer les populations du Proche-Orient des populations européennes, mais c’est une piste importante et intéressante », analyse-t-il.

L’extension du stock de génomes analysés pourrait également donner des résultats importants.

« Nous avons travaillé avec un ensemble de données extraordinaire qui peut être réutilisé à toutes sortes de fins, mais il est très clair que si l’on augmente encore la taille de l’échantillon, on fera davantage de découvertes », affirme-t-il.

À l’avenir, le scientifique espère par ailleurs mener une étude semblable ailleurs dans le monde.

« Quels résultats pourrions-nous obtenir si nous menions une étude comme celle-ci en Asie de l’Est, ou parmi les Amérindiens ? Seraient-ils similaires ou différents ? », interroge-t-il.

Reich ajoute que des recherches similaires pourraient également être menées sur l’ADN animal afin de mieux comprendre leur évolution.

« Ce sont les choses qui nous intéressent et qui pourraient être intéressantes à faire par la suite », conclut-il.