Horloge moléculaire de l'évolution de l'homme

L'ADN contient l'histoire de nos ancêtres, de nos liens de parenté avec les visages familiers rencontrés lors des réunions de famille, mais aussi avec des événements plus anciens : nos liens de parenté avec nos plus proches parents non humains, les chimpanzés ; la manière dont les Homo sapiens se sont accouplés avec les Néandertaliens ; et la manière dont les hommes ont migré hors d'Afrique, s'adaptant au passage à de nouveaux environnements et modes de vie. Notre ADN contient également des indices sur le moment où se sont produits ces événements clés de l'évolution humaine.

Lorsque les scientifiques affirment que l’homme moderne est apparu en Afrique il y a environ 200 000 ans et a commencé à se propager à travers le monde il y a environ 60 000 ans, comment parviennent-ils à ces dates ? Traditionnellement, les chercheurs établissent des chronologies de la préhistoire humaine à partir de fossiles et d’artefacts, qui peuvent être datés directement à l’aide de méthodes telles que la datation au radiocarbone et la datation au potassium-argon. Cependant, ces méthodes nécessitent que les vestiges anciens présentent certains éléments ou conditions de conservation, ce qui n’est pas toujours le cas. De plus, des fossiles ou des artefacts pertinents n’ont pas été découverts pour toutes les étapes de l’évolution humaine.

L’analyse de l’ADN des génomes actuels et anciens offre une approche complémentaire pour la datation des événements évolutifs. Comme certains changements génétiques se produisent à un rythme régulier par génération, ils fournissent une estimation du temps écoulé. Ces changements s’accumulent comme les tic-tac d’un chronomètre, constituant une « horloge moléculaire ». En comparant les séquences d’ADN, les généticiens peuvent non seulement reconstituer les relations entre différentes populations ou espèces, mais aussi déduire l’histoire évolutive sur des échelles temporelles lointaines.

Les horloges moléculaires deviennent de plus en plus sophistiquées grâce à l’amélioration du séquençage de l’ADN, aux outils d’analyse et à une meilleure compréhension des processus biologiques à l’origine des changements génétiques. En appliquant ces méthodes à la base de données toujours plus importante d’ADN provenant de diverses populations (actuelles et anciennes), les généticiens contribuent à établir une chronologie plus précise de l’évolution humaine.

Comment l'ADN accumule les changements

Les horloges moléculaires reposent sur deux processus biologiques clés qui sont à l’origine de toutes les variations héréditaires : la mutation et la recombinaison.

Les mutations sont des changements dans le code de l'ADN, par exemple lorsqu'une base nucléotidique (A, T, G ou C) est remplacée par une autre par erreur. Par exemple, un nucléotide guanine (G) devient une thymine (T). Ces changements seront hérités par les générations futures s'ils se produisent dans les ovules, les spermatozoïdes ou leurs précurseurs cellulaires (la lignée germinale). La plupart résultent d'erreurs lors de la copie de l'ADN au cours de la division cellulaire, bien que d'autres types de mutations surviennent spontanément ou à la suite d'une exposition à des dangers tels que les radiations et les produits chimiques.

Dans un seul génome humain, on observe environ 70 changements de nucléotides par génération, ce qui est minuscule dans un génome constitué de six milliards de lettres. Mais au total, sur plusieurs générations, ces changements entraînent des variations évolutives substantielles.

Les scientifiques peuvent utiliser les mutations pour estimer le temps écoulé entre l'apparition des branches de notre arbre évolutif. Ils commencent par comparer les séquences d'ADN de deux individus ou espèces, en comptant les différences neutres qui n'altèrent pas les chances de survie et de reproduction de l'un ou l'autre. Ensuite, connaissant le rythme de ces changements, ils peuvent calculer le temps nécessaire pour accumuler autant de différences. Cela leur indique depuis combien de temps les individus ont des ancêtres communs.

La comparaison de l’ADN entre vous et votre frère ou votre sœur ne montrerait que relativement peu de différences mutationnelles, car vous partagez des ancêtres – maman et papa – il y a seulement une génération. Cependant, il existe des millions de différences entre les humains et les chimpanzés ; notre dernier ancêtre commun a vécu il y a plus de six millions d’années.

La recombinaison, également appelée crossing-over, est l'autre principale façon dont l'ADN accumule les changements au fil du temps. Elle conduit au mélange des deux copies du génome (une de chaque parent), qui sont regroupées en chromosomes. Au cours de la recombinaison, les chromosomes correspondants (homologues) s'alignent et échangent des segments, de sorte que le génome que vous transmettez à vos enfants est une mosaïque de l'ADN de vos parents.

Chez l'homme, environ 36 recombinaisons se produisent par génération, une ou deux par chromosome. Comme cela se produit à chaque génération, les segments hérités d'un individu particulier sont divisés en morceaux de plus en plus petits. En fonction de la taille de ces morceaux et de la fréquence des croisements, les généticiens peuvent estimer à quand remonte l'ancêtre de cet individu.

Élaborer des échéanciers en fonction des changements

Les changements génétiques dus à la mutation et à la recombinaison fournissent deux horloges distinctes, chacune adaptée à la datation de différents événements évolutifs et échelles de temps.

Comme les mutations s’accumulent très lentement, cette horloge fonctionne mieux pour les événements très anciens tels que les divisions entre espèces. Inversement, l’horloge de la recombinaison est plus adaptée pour les 100 000 dernières années. Ces événements « récents » (à l’échelle de l’évolution) incluent les flux génétiques entre différentes populations humaines, l’apparition d’adaptations bénéfiques ou l’émergence de maladies génétiques.

Le cas des Néandertaliens illustre comment les horloges de mutation et de recombinaison peuvent être utilisées ensemble pour nous aider à démêler leurs relations ancestrales complexes. Les généticiens estiment qu'il existe entre 1,5 et 2 millions de différences mutationnelles entre les Néandertaliens et les humains modernes. Ce qui suggère que les groupes se sont initialement séparés il y a entre 750 000 et 550 000 ans.

À cette époque, une population – les ancêtres communs des deux groupes humains – s’est séparée géographiquement et génétiquement. Certains individus du groupe ont migré vers l’Eurasie et ont évolué au fil du temps vers les Néandertaliens. Ceux qui sont restés en Afrique sont devenus des humains anatomiquement modernes.

Mais leurs interactions ne s’arrêtent pas là : les hommes modernes se sont finalement répandus en Eurasie et se sont accouplés avec les Néandertaliens. En appliquant l’horloge de recombinaison à l’ADN néandertalien conservé chez les humains actuels, les chercheurs estiment que les groupes se sont croisés il y a entre 54 000 et 40 000 ans. Lorsque les scientifiques ont analysé un fossile d’Homo sapiens, connu sous le nom d’Oase 1, qui a vécu il y a environ 40 000 ans, ils ont découvert de vastes régions d’ascendance néandertalienne intégrées dans son génome, suggérant qu’Oase avait un ancêtre néandertalien il y a seulement quatre à six générations. En d’autres termes, l’arrière-arrière-grand-parent d’Oase était un Néandertalien.

Les défis des horloges instables

Les horloges moléculaires sont un élément essentiel des calculs évolutifs, non seulement pour les humains mais pour toutes les formes d'organismes vivants. Mais certains facteurs viennent compliquer la situation.

Le principal défi réside dans le fait que les taux de mutation et de recombinaison ne sont pas restés constants au cours de l'évolution humaine. Les taux eux-mêmes évoluent, ils varient donc au fil du temps et peuvent différer selon les espèces et même selon les populations humaines, bien que relativement lentement. C'est comme essayer de mesurer le temps avec une horloge qui tourne à des vitesses différentes dans des conditions différentes.

L’un des problèmes concerne un gène appelé Prdm9, qui détermine l’emplacement de ces événements de croisement d’ADN. Il a été démontré que la variation de ce gène chez les humains, les chimpanzés et les souris modifie les points chauds de recombinaison, c’est-à-dire de courtes régions où les taux de recombinaison sont élevés. En raison de l’évolution de Prdm9 et des points chauds, les taux de recombinaison à petite échelle diffèrent entre les humains et les chimpanzés, et peut-être aussi entre les Africains et les Européens. Cela implique que sur différentes échelles de temps et selon les populations, l’horloge de la recombinaison tourne à des rythmes légèrement différents à mesure que les points chauds évoluent.

Un autre problème est que les taux de mutation varient selon le sexe et l'âge. À mesure que les pères vieillissent, ils transmettent chaque année à leur progéniture quelques mutations supplémentaires. Le sperme des pères plus âgés a subi davantage de cycles de division cellulaire, ce qui a donc plus de possibilités de mutations. Les mères, en revanche, transmettent moins de mutations (environ 0,25 par an) car les ovules d'une femelle se forment la plupart du temps tous en même temps, avant sa propre naissance. Les taux de mutation dépendent également de facteurs tels que le début de la puberté, l'âge de la reproduction et le taux de production de sperme. Ces caractéristiques du cycle de vie varient selon les primates vivants et différaient probablement aussi entre les espèces éteintes d'ancêtres humains.

Par conséquent, au cours de l’évolution humaine, le taux moyen de mutation semble avoir considérablement ralenti. Le taux moyen sur des millions d’années depuis la séparation des humains et des chimpanzés a été estimé à environ 1 x 10⁻⁹ mutations par site et par an – soit environ six lettres d’ADN altérées par an. Ce taux est déterminé en divisant le nombre de différences de nucléotides entre les humains et les autres singes par la date de leur séparation évolutive, telle que déduite des fossiles. C’est comme calculer sa vitesse de conduite en divisant la distance parcourue par le temps écoulé. Mais lorsque les généticiens mesurent directement les différences de nucléotides entre les parents vivants et leurs enfants (en utilisant les pedigrees humains), le taux de mutation est deux fois moins élevé que l’autre estimation : environ 0,5 x 10⁻⁹ par site et par an, soit seulement environ trois mutations par an.

Pour ce qui est de la divergence entre les Néandertaliens et les hommes modernes, le rythme le plus lent donne une estimation entre 765 000 et 550 000 ans. Le rythme le plus rapide, en revanche, suggérerait une estimation de la moitié de cet âge, soit entre 380 000 et 275 000 ans : une différence considérable.

Pour savoir quels taux utiliser, quand et sur qui, les chercheurs ont développé de nouvelles méthodes d’horloge moléculaire, qui répondent aux défis de l’évolution des taux de mutation et de recombinaison.

De nouvelles approches pour de meilleures rencontres

Une approche consiste à se concentrer sur les mutations qui surviennent à un rythme régulier, indépendamment du sexe, de l'âge et de l'espèce. Cela pourrait être le cas pour un type particulier de mutation que les généticiens appellent transitions CpG, par lesquelles les nucléotides C deviennent spontanément des T donna un dinucléotide TpG. Étant donné que les transitions CpG ne résultent généralement pas d'erreurs de copie de l'ADN au cours de la division cellulaire, leurs taux devraient être principalement indépendants des variables du cycle de vie – et vraisemblablement plus uniformes au fil du temps.

En se concentrant sur les transitions CpG, les généticiens ont récemment estimé que la séparation entre les humains et les chimpanzés s'était produite il y a entre 9,3 et 6,5 millions d’années, ce qui correspond à l'âge attendu d'après les fossiles. Si, dans les comparaisons entre espèces, ces mutations semblent se produire plus rapidement que d'autres types, elles ne sont pas encore complètement stables.

Une autre approche consiste à développer des modèles qui ajustent les fréquences de l'horloge moléculaire en fonction du sexe et d'autres caractéristiques du cycle biologique. Grâce à cette méthode, les chercheurs ont calculé une divergence chimpanzé-humain cohérente avec l'estimation du CpG et les dates des fossiles. L'inconvénient ici est que, lorsqu'il s'agit d'espèces ancestrales, nous ne pouvons pas être sûrs des caractéristiques du cycle biologique, comme l'âge à la puberté ou la durée d'une génération, ce qui entraîne une certaine incertitude dans les estimations.

La solution la plus directe est l'analyse de l'ADN ancien récupéré à partir de fossiles. Comme les spécimens fossiles sont datés indépendamment par des méthodes géologiques, les généticiens peuvent les utiliser pour calibrer les horloges moléculaires pour une période ou une population donnée.

Cette stratégie a récemment permis de résoudre le débat sur la chronologie de notre divergence avec les Néandertaliens. En 2016, des généticiens ont extrait l’ADN ancien de fossiles vieux de 430 000 ans qui étaient les ancêtres des Néandertaliens, après leur séparation de la lignée d’Homo sapiens. En sachant où ces fossiles se situent dans l’arbre évolutif, les généticiens ont pu confirmer que pour cette période de l’évolution humaine, la fréquence plus lente de l’horloge moléculaire de 0,5 x 10⁻⁹ fournit des dates précises. Cela place la séparation entre Néandertal et l’homme moderne entre 765 000 et 550 000 ans.

Alors que les généticiens démêlent les subtilités des horloges moléculaires et séquencent davantage de génomes, nous sommes sur le point d'en apprendre plus que jamais sur l'évolution humaine, directement à partir de notre ADN.