Les recherches actuelles

    L'ADN fossile 

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Véronique BARRIEL

Muséum national d'histoire naturelle, Paris

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 





Depuis une dizaine d'années, l'extraction et l'amplification (multiplication) de l'ADN (acide désoxyribonucléique) à partir de restes anciens de plantes et d'animaux ont été rendues possibles grâce au développement des techniques de la biologie moléculaire. Cependant, la découverte de molécules biologiques dans des tissus fossiles est ancienne. En 1914, deux chercheurs français, Neuville et Gautrelet, étudient le sang d'un mammouth congelé et identifient un produit de transformation de l'hémoglobine, l'hématine. Dans les années 1950, l'analyse par chromatographie permet la mise en évidence de molécules biologiques dans les archives fossiles: protéines, acides aminés, lipides, etc. Mais la découverte d'acides nucléiques porteurs d'informations phylogénétiques ne date que de 1984 avec l'étude de restes naturalisés de quagga (espèce fossile d'équidés sauvages, exterminée d'Afrique en 1883 et paraissant combiner des traits de cheval et de zèbre) et celle d'une momie égyptienne vieille de 2500 ans. Depuis lors, la recherche sur l'ADN fossile est une activité scientifique très médiatisée. On se souviendra que la célèbre revue britannique Nature publia, en 1993, à la veille de la sortie du film “Jurassic Park”, les résultats d'une étude d'ADN (prélevé sur un charançon fossilisé dans l'ambre) vieux de 130 millions d'années, tout en se réjouissant de cette heureuse et involontaire coïncidence.


LA PRESERVATION DE L'ADN


L'ADN, localisé dans le noyau de la cellule, est la molécule porteuse de l'information génétique. C'est sa succession en nucléotides (adénine ou A, guanine ou G, cytosine ou C, thymine ou T) qui détermine la structure en acides aminés des protéines. Il existe également, dans le cytoplasme de la cellule, de petits organites, les mitochondries, qui jouent un rôle fondamental dans la production d'énergie et qui possèdent chacune plusieurs molécules circulaires d'ADN de petite taille. Le génome mitochondrial (dont la transmission est presque uniquement maternelle) possède la caractéristique d'évoluer cinq fois plus vite que le génome nucléaire, ce qui en fait un outil de choix pour l'étude des relations intraspécifiques.

La récupération de l'ADN fossile pose de nombreux problèmes. Le premier réside dans l'instabilité chimique des acides nucléiques. En milieu aqueux, l'ADN subit principalement deux types d'attaques: une dégradation chimique (hydrolyse et oxydation) et une dégradation enzymatique (autolyse et décomposition bactérienne). L'hydrolyse entraîne une rupture du brin d'ADN tandis que l'oxydation endommage l'ADN et empêche l'appariement des nucléotides touchés avec ceux de l'autre brin. La dégradation enzymatique intervient dès la mort de l'organisme. Elle est responsable de la décomposition des tissus (putréfaction) due à l'action des propres enzymes de l'organisme (autolyse) qui vont digérer l'ADN et à l'action d'enzymes libérées par des micro-organismes et qui vont dégrader les molécules restantes.

On a longtemps pensé qu'un fragment d'ADN d'une longueur de 800 nucléotides, soumis à un pH de 7 et à une température de 15 °C, était totalement dégradé au bout de cinq mille ans. L'extraction d'ADN dans des restes plus anciens est venue contredire cette affirmation. Il n'en reste pas moins que l'ADN fossile est toujours fortement dégradé et fragmenté.

L'ADN peut être préservé dans différents types de tissus. Les premiers travaux sur l'ADN ancien, en 1984, ont été réalisés à partir de tissus mous issus de restes momifiés ou de spécimens naturalisés. La conservation des tissus mous peut résulter de processus naturels comme la congélation en milieu froid ou la dessiccation (momies naturelles) dans les déserts chauds et secs. Les tissus mous peuvent aussi être conservés de façon artificielle (momies vraies, animaux taxidermisés, herbiers des collections, spécimens conservés dans l'alcool, échantillons histopathologiques). Dans tous les cas, les restes mous ont une répartition spatio-temporelle limitée. Il est également possible aujourd'hui d'extraire de l'ADN à partir de tissus durs (os et dents), qui sont un matériel de choix de par leur extension dans le temps et dans l'espace.

La bonne conservation de l'ADN dans les restes fossiles dépend des facteurs physico-chimiques environnementaux (pH, température, humidité, pression) qui interagissent entre eux de manière complexe. Le facteur temps ne semble pas, quant à lui, être un paramètre fondamental. Les dégradations chimiques et enzymatiques sont ralenties lorsque les températures sont faibles – l'idéal étant la congélation – ou dans des milieux anaérobies. Les milieux froids, les déserts chauds et secs, les tourbières et les fosses à goudron préservent donc mieux l'ADN ancien. L'ambre, résine végétale qui, depuis le Carbonifère, piège de nombreux arthropodes et autres invertébrés, permet une momification rapide et un embaumement naturel qui facilitent la conservation des tissus. C'est dans ce milieu qu'on a récupéré le plus vieux morceau d'ADN (dans un coléoptère du Crétacé daté de 120 à 135 millions d'années).


LES METHODES D'EXTRACTION ET D'AMPLIFICATION DE L'ADN FOSSILE
L'ADN ancien peut être extrait et amplifié à l'aide des méthodes classiques (plus ou moins modifiées) développées sur le vivant. Dans un premier temps, les tissus sont soigneusement nettoyés avant d'être broyés ou mixés et les os sont décalcifiés. Ils sont ensuite traités avec des agents émulsifiants pour dissoudre les composés lipidiques et avec des protéases pour digérer les protéines. L'ADN est extrait avant d'être précipité (à l'alcool) ou concentré. Les rendements d'extraction, bien que variables d'un type de substrat à un autre, restent cependant trop faibles (de l'ordre de 1 à 20 p. 100) pour que les échantillons obtenus soient utilisés directement.

Une méthode, mise au point en 1985 et nommée P.C.R. (polymerase chain reaction, amplification en chaîne par polymérase), permet d'augmenter la quantité initiale d'ADN. Son principe repose sur l'utilisation d'une enzyme qui synthétise une chaîne d'ADN à partir de précurseurs des nucléotides. L'opération est répétée un certain nombre de fois et, le résultat de cette opération étant exponentiel, on obtient ainsi un grand nombre de molécules d'ADN identiques à la molécule initiale. La caractéristique majeure de la P.C.R. est son extrême sensibilité (en théorie une molécule initiale suffit). Toutefois, cela peut devenir un handicap dans le cas de l'ADN ancien. En effet, cet ADN dégradé et fragmenté ne s'avère pas un bon substrat pour l'enzyme, et il devient alors plus facile d'amplifier une molécule actuelle contaminante. Ce problème est très délicat quand on travaille sur des échantillons humains.

La contamination des échantillons anciens par de l'ADN moderne peut avoir des sources variées et intervenir à différents niveaux; elle peut être naturelle (propre au spécimen comme en cas de présence de parasites ou de micro-organismes au moment de la mort), ou ultérieure à la mort (lors de la découverte du spécimen ou en laboratoire pendant l'extraction ou l'amplification). De nombreuses personnes manipulent les restes entre la mort de l'organisme étudié et l'analyse en laboratoire, et les contaminations sont donc difficiles à contrôler. Il est notamment conseillé de porter des gants stériles pour tous les prélèvements et de disposer, dans le laboratoire, de pièces isolées, réservées à l'étude de l'ADN ancien, en séparant les différents postes de travail et en imposant un sens de manipulation strict.


LES APPLICATIONS DE L'ADN FOSSILE
À quoi peut servir l'ADN fossile? Les applications sont nombreuses et variées, aussi bien en archéologie, en préhistoire ou en paléontologie.

L'ADN peut servir à caractériser un individu par son empreinte génétique en utilisant des séquences nucléotidiques très variables, ou encore à établir des liens de parenté entre individus (au sein d'une sépulture collective, par exemple).

L'identification d'un individu est fréquente dans des contextes historiques (comme la confirmation de la mort du “médecin” d'Auschwitz, Josef Mengele, au Brésil en 1979, ou l'étude des restes de l'homme congelé du Tyrol) ou d’investigations policières (comparaison de l'ADN d'une victime non identifiée avec des parents présumés).

Ces dernières années, plusieurs études ont porté sur la famille Romanov qui a régné sur la Russie de 1613 à 1917: les restes du tsar Nicolas II (porteur, comme son frère, d'une maladie génétique osseuse, l'hétéroplasie), exécuté avec sa famille en juillet 1918, ont ainsi été identifiés avec certitude tandis que l'analyse des restes d'une femme ayant prétendu être Anastasia, la fille du tsar (et avoir échappé à l'assassinat) infirmait cette assertion.

Il est également possible de déterminer le sexe d'un individu grâce à des séquences spécifiques du chromosome Y (caractéristique du sexe mâle) ou des gènes dont la taille varie en fonction du sexe (tel le gène de l'amélogénine utilisé pour la famille Romanov).
En 1995, une équipe de l'université de Jérusalem a étudié le sexe de plusieurs squelettes de nouveau-nés (âgés de moins d'un jour) de la fin de l'époque romaine au début de l'époque byzantine (site d'Ashkelon en Israël) pour essayer de comprendre l'infanticide dans les sociétés passées. Contre toute attente, les nouveau-nés étaient majoritairement de sexe masculin.

Certaines analyses peuvent porter sur des espèces animales: ainsi, en 1995, on a pu identifier les différentes espèces dont la peau avait été utilisée pour la fabrication des parchemins de la mer Morte.

Si certaines maladies sont parfois repérables sur les ossements, les agents pathogènes (virus, bactéries, etc.) ne peuvent être détectés que grâce à des analyses moléculaires. La première étude de paléopathologie a porté, aux États-Unis, sur la maladie de Lyme, maladie neurologique causée par une bactérie et transmise par des tiques. L'ADN bactérien a été retrouvé dans des tiques conservées dans l'alcool trente ans avant la première description de la maladie. De la même manière, le virus du sida a été identifié dans les tissus d'un marin de Manchester mort d'une pneumonie en 1959, et la tuberculose a été mise en évidence, en Amérique du Sud, à l'époque précolombienne. En 1995, cent cinquante ans après sa mort, les yeux de John Dalton ont pu être analysés: la déficience visuelle du découvreur du daltonisme était liée à l'absence du gène MW-opsine.

Certaines séquences variables peuvent fournir des informations sur les migrations de populations, humaines ou animales, et leur diffusion. En effet, les séquences génétiques anciennes peuvent être comparées à leur homologue des populations actuelles. Ainsi, 20 p. 100 des Asiatiques présentent une perte (ou délétion) de neuf nucléotides dans une région de l'ADN mitochondrial. L'étude de cette délétion chez différentes populations d'Amérindiens a confirmé leurs relations avec les populations d'Asie du Nord-Est. L'étude de la domestication d'espèces végétales (comme le maïs, souvent associé aux tombes précolombiennes) ou animales (comme le lapin domestique, qui semble originaire de la péninsule Ibérique et qui aurait été introduit au-delà des Pyrénées par l'homme) constitue également un axe de recherche en plein développement.

Dans une perspective d'évolution moléculaire, les séquences peuvent servir à déterminer les relations de parenté entre espèces actuelles et fossiles. La première étude publiée sur l'ADN fossile a permis, à partir d'une peau naturalisée de cent quarante ans, de construire un arbre phylogénétique fondé sur des données moléculaires, reliant le quagga avec les espèces d'équidés actuelles. Cette analyse et les suivantes ont montré que le quagga était étroitement apparenté au zèbre de Burchell. D'autres travaux ont porté sur des animaux aussi variés que l'ours des cavernes, le thylacine (loup marsupial de Tasmanie qui a disparu de la faune endémique d'Australie dans les années 1930) ou les moas, oiseaux ratites aptères de Nouvelle-Zélande, connus au Pléistocène et qui ont disparu au XVe siècle. L'étude d'une portion du génome mitochondrial (ARN 12S) a montré que les moas et les kiwis n'étaient pas étroitement apparentés, mais ce résultat a été contredit ultérieurement par l'étude d'un autre gène mitochondrial (cytochrome b) et même par l'analyse d'un autre alignement possible des séquences ayant permis la reconstruction phylogénétique.

En règle générale, l'ADN fossile pose de tels problèmes techniques qu'en 1995 des protocoles de recherche sévères ont été proposés, visant à contrôler la reproductibilité des résultats au sein du laboratoire, mais également entre différentes équipes, principes jugés indispensables avant toute publication. Les critères exigés sont particulièrement stricts pour toute étude concernant le matériel humain.

Ce domaine de recherche est en plein développement. En effet, en 1995, le CNR.S a lancé un appel d'offres intitulé “ADN fossile” pour l'établissement de projets, souvent multidisciplinaires. En outre, une nouvelle revue, Ancient Biomolecules, publiée depuis 1996 en Grande-Bretagne, est entièrement consacrée aux molécules anciennes (notamment les facteurs influençant leur conservation ainsi que leur exploitation pour comprendre l'histoire évolutive).



LES RECENTES DECOUVERTES DE L'ADN ANCIEN
Depuis 1994, les résultats sur l'ADN ancien ont été nombreux. Une extraction a permis de récupérer de l'ADN des os d'un mammouth congelé vieux de 40 000 ans, le record d'âge pour des tissus durs jusqu'à la publication, en novembre 1994, du résultat d'une équipe américaine: de l'ADN extrait d'os de dinosaure vieux de 80 millions d'années. Ce résultat suscita à la fois enthousiasme et scepticisme, notamment au sein de la communauté scientifique où, pour de nombreux chercheurs, cet ADN devait être celui d'un contaminant, le tissu étant trop ancien pour avoir pu conserver et livrer du matériel génétique. Il est vrai que, contre toute attente, l'analyse phylogénétique indiquait une plus grande ressemblance avec la séquence humaine qu'avec celles des oiseaux ou des crocodiles. Cependant, lors du troisième congrès consacré à l'ADN ancien, qui s'est tenu à Oxford en juillet 1995 (120 participants de 15 pays différents dont la France), l'équipe américaine a campé sur ses positions mais sans obtenir l'unanimité. Actuellement, les articles des “détracteurs” se multiplient afin de mettre en évidence la contamination certaine par de l'ADN humain et l'intégration possible d'une portion du génome mitochondrial dans le génome nucléaire pouvant alors conduire à des résultats erronés.
En novembre 1995, une équipe française a extrait de l'ADN de restes humains vieux de 12 000 ans, ce qui peut laisser entrevoir une connaissance plus “intime” de nos ancêtres.

Ce texte, ainsi que la bibliographie ci-dessous, sont repris intégralement de l'article paru sous le titre L'ADN ancien, dans La science au présent, 1997, Encyclopaedia Universalis éditeur.


BIBLIOGRAPHIE


 
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