Épigénome et paléogénome
THIERRY GRANGE & EVA-MARIA GEIGL
Pour donner du sens aux phénomènes biologiques, il est indispensable de prendre en compte leur évolution. La génomique comparative permet ainsi de progresser dans la compréhension des liens entre génotype et phénotype en intégrant la dimension de l’évolution des génomes. Les adaptations phénotypiques récentes sont plus favorables pour permettre l’identification des évolutions génomiques sous-jacentes en minimisant la complexité induite par la dérive génétique neutre. Notre équipe mène différents projets de recherche concernant l’étude de l’évolution relativement récente des génomes en ajoutant des témoins directs de l’évolution, les fossiles, aux modélisations à rebours réalisées à partir de génomes modernes. Pour cela, nous utilisons et développons les approches de la paléogénétique et de la paléogénomique, d’une part afin de documenter des évolutions récentes, d’autre part afin de repousser les limites méthodologiques pour étudier des échantillons plus anciens ou provenant de régions géographiques peu favorables à la préservation de l’ADN. Nous étudions ainsi d’une part l’évolution dirigée par l’être humain, surtout la domestication, comme modèle d’évolution récente et accélérée ; d’autre part, nous étudions l’évolution des populations humaines au cours du peuplement de l’Europe depuis l’ère glaciaire.
Mots-clés : évolution, génomes, ADN ancien, paléogénomique, peuplement, domestication
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Pour donner du sens aux phénomènes biologiques, il est indispensable de prendre en compte leur évolution. La génomique comparative permet ainsi de progresser dans la compréhension des liens entre génotype et phénotype en intégrant la dimension de l’évolution des génomes. Les adaptations phénotypiques récentes sont plus favorables pour permettre l’identification des évolutions génomiques sous-jacentes en minimisant la complexité induite par la dérive génétique neutre. Notre équipe mène différents projets de recherche concernant l’étude de l’évolution relativement récente des génomes en ajoutant des témoins directs de l’évolution, les fossiles, aux modélisations à rebours réalisées à partir de génomes modernes. Pour cela, nous utilisons et développons les approches de la paléogénétique et de la paléogénomique, d’une part afin de documenter des évolutions récentes, d’autre part afin de repousser les limites méthodologiques pour étudier des échantillons plus anciens ou provenant de régions géographiques peu favorables à la préservation de l’ADN. Nous étudions ainsi d’une part l’évolution dirigée par l’être humain, surtout la domestication, comme modèle d’évolution récente et accélérée ; d’autre part, nous étudions l’évolution des populations humaines au cours du peuplement de l’Europe depuis l’ère glaciaire.
Nous avons développé une recherche interdisciplinaire pour poursuivre cinq thèmes de recherche principaux :
1. ETUDE DE LA DYNAMIQUE DES POPULATIONS DES BOVINS AU PLÉISTOCÈNE SOUS INFLUENCE DU CLIMAT ET DE LA DOMESTICATION PAR L’ÊTRE HUMAIN
Un des axes majeurs de la recherche de notre équipe est l’analyse de l’évolution des Bovina, c’est-à-dire, des genres Bos et Bison. L’analyse comparative de la diversité génétique et de la dynamique des populations de ces genres au Pléistocène devrait nous permettre de distinguer les processus naturels dus aux changements climatiques et environnementaux et les processus anthropiques lors de la domestication qu’a subis le genre Bos.
Nous avons étudié la diversité génétique des bisons au cours du Pléistocène et à l’Holocène en Europe et en Asie. A cette fin, nous avons analysé 66 ossements âgés jusqu’à ~50.000 ans provenant d’Europe (France, Suisse, Pologne) et d’Asie (Caucase, Yakutie) ainsi que 25 spécimens du début du 20ème s. n.e. (Massilani et al., 2016, BMC Biology). Ces derniers correspondent à la dernière population sauvage des bisons européens datant de leur extermination et précédant la reconstitution du cheptel à partir d’animaux en captivité. Nous avons d’abord analysé la région hypervariable de l’ADN mitochondrial en ciblant quatre petits fragments, une approche qui a été couronnée de succès pour 43 spécimens, et a fourni de l’information génétique partielle pour 13 spécimens supplémentaires. La construction d’un arbre phylogénétique de maximum de vraisemblance a permis la distinction de trois clades. Le clade le plus divers correspond au bison des steppes, B. priscus, éteint à la fin du Pléistocène alors qu’il a été présent depuis la France jusqu’en Béringie. Il a traversé le détroit de Béring et a évolué en B. bison, le bison américain actuel. Les deux autres clades sont distincts du premier et plus proche l’un de l’autre. Alors qu’un des deux ne contient que des spécimens du Pléistocène du Nord du Caucase et de la France datant de 48 à 34.000 ans, le deuxième contient des spécimens de France et du Sud du Caucase datant de 55 à 34.000 ans et de 14.000 ans au Moyen-Âge, ainsi que les spécimens historiques de la Pologne et du Caucase datant de la première guerre mondiale. Ceci a identifié ces spécimens comme étant des bisons européens, B. bonasus.
Les 16 spécimens les mieux préservés datant de ~50.000 à 12.000 ans, et représentant les différents clades ont été analysés par une approche paléogénomique basée sur l’enrichissement de l’ADN mitochondrial dans le mélange des séquences d’ADN d’origine multiple (bison mais surtout microorganismes du sol, moisissures, plantes, insectes etc.) qui est extrait à partir des ossements archéologiques et paléontologiques. Pour enrichir l’ADN mitochondrial et le séquencer plus efficacement et à moindre coûts, nous avons conçu une méthode qui nous a permis de capturer les séquences d’ADN mitochondrial à partir de ce mélange complexe qu’est un extrait fossile (Massilani et al., 2016, BMC Biology). Ceci nous a permis d’obtenir l’information pour reconstruire des mitogénomes entiers. Avec ces mitogénomes, nous avons effectué des analyses phylogénétiques Bayesiennes permettant d’estimer les dates des événements de diversification.
Schéma de la dynamique des populations de bison au Pléistocène et à l’Holocène en Europe, Asie et en Amérique
basé sur les lignées mitochondriales identifiées dans les ossements analysés (Massilani et al., 2016, BMC Biology)
Ainsi nous avons pu éclairer l’histoire évolutive du bison européen ce qui n’a pas été possible en utilisant l’approche paléontologique basée sur l’analyse comparative de la morphologie des ossements. En effet, nous avons montré pour la première fois qu’il y avait en France jusqu’à il y a environ 29.000 ans une population de bisons caractérisée par une lignée mitochondriale proche des bisons européens et clairement différente des bisons des steppes. La lignée mitochondriale de ces derniers arrive en France seulement autour de 35.000 ans, reste jusqu’à la fin du dernier maximum glaciaire et disparaît ensuite en Europe alors qu’il se maintient en Amérique du Nord. A partir de 14.500 ans, nous voyons arriver dans la région de la Suisse du Nord-est la lignée mitochondriale du bison européen qui avait survécu dans le Caucase du Sud. Nous observons donc une succession de lignées mitochondriales qui suit les changements climatiques connus et les environnements associés : c’est la lignée de B. priscus qui est corrélée avec le climat froid-sec en Europe occidentale et les lignées de B. bonasus avec un climat plus tempéré. Ceci suggère que les populations porteuses de ces lignées étaient adaptées à des environnements différents, les bisons de steppes à des environnement froids et secs, ce qui correspond aux steppes, et les bisons européens à des environnements plus tempérés et boisés. Le remplacement de la lignée du B. bonasus ancien et du B. priscus a dû se produire entre 36 et 34.000 ans. Si ces lignées correspondent aux populations du bison européen ancien et du bison des steppes, ce chevauchement de deux écomorphotypes a dû être observé par les peintres paléolithiques qui ont peint sur un pilier dans la grotte de Chauvet, proche des sites dont sont originaires les ossements que nous avons analysés, deux bisons qui pourraient correspondre à ces deux types de bisons (Massilani et al., 2016, BMC Biology).
Les généticiens s’interrogent depuis longtemps sur les relations génomiques entre les bisons et les aurochs. En effet, au niveau mitochondrial, les bœufs, B. primigenius f. taurus, sont phylogénétiquement proches des bisons européens, B. bonasus, tandis que le bison américain, B. bison, ainsi que son ancêtre, le bison des steppes, B. priscus, sont plus éloignés. Par contre, au niveau génomique, les deux espèces de bison sont proches et éloignées des bœufs, comme attendu. Nos analyses proposent comme explication la plus parcimonieuse de ce phénomène que c’est le « tri de lignages incomplet » qui en est responsable, contrairement à ce qui a été proposé par une autre étude paléogénétique (Soubrier et al., 2016). En construisant un projet en collaboration avec des paléontologues (Jean-Philippe Brugal et Antigone Uzidinis) et des généticiens de l’INRA, spécialistes de la génomique des Bovina actuels, nous avons effectué une étude combinant des analyses morphologiques, génomiques et paléogénomiques afin d’identifier les biais et erreurs d’analyse qui ont perturbés les publications jusqu’alors. Cette étude a montré qu’une partie des données ainsi que les conclusions de l’étude de Soubrier et al., 2016 sont erronées. Nous avons montré que les bisons et aurochs partagent une longue histoire évolutive et que la spéciation entre les deux lignées ne s’est effectuée qu’il y a environ 800.000 ans, tandis que la séparation des deux lignées de bisons, l’américaine et l’européenne, ne fut complète que lors du passage sur le continent américain de l’ancêtre de la lignée américaine, B. priscus, il y a environ 140.000 ans (Grange et al., 2018, Diversity).
Représentation schématique de l’arbre évolutif des génomes des Bovina. L’arbre récapitule les événements évolutifs déduits des mitogénomes et des génomes nuclaires. Les mitogénomes sont représentés comme lignes bleues, les populations déduites à partir des génomes comme enveloppes roses. Les flèches indiquent le flux génique. Les étoiles grises indiquent les formes éteintes ainsi que la date de leur extinction (Grange et al., 2018, Diversity).
Nous avons aussi montré que le bison européen n’est pas une espèce hybride, contrairement à ce qui a été postulé par Soubrier et al., 2016. De plus, nous avons proposé que les apparentes contradictions entre les résultats obtenus grâce à l’analyse de l’ADN mitochondrial et ceux obtenus par l’analyse du génome nucléaire pourraient être le résultat d’un comportement différent entre mâles et femelles : les mâles seraient responsables de l’homogénéisation du pool génique alors que les femelles seraient responsables de la spécialisation des populations de bisons aux différentes niches écologiques (Grange et al., 2018, Diversity).
Représentation schématique de la dynamique des populations de bisons sur le continent eurasiatique déduite des résultats des mitogénomes depuis le Pléistocène supérieur jusqu’au présent (Grange et al., 2018, Diversity).
Actuellement, nous poursuivons cette étude en analysant des génomes entiers de bisons ayant vécu il y a 150 000 à 100 ans.
2. EVOLUTION DU GÉNOME BOVIN LORS DE LA DOMESTICATION.
Contrairement aux bisons, leur espèce-sœur, l’aurochs Bos primigenius, est éteint sous sa forme sauvage mais a survécu sous sa forme domestique. C’est le processus de sa domestication qui nous intéresse depuis longtemps et constitue un des projets majeurs de notre équipe.
La domestication des plantes et animaux était une étape majeure dans l’évolution de l’être humain, dans le développement et la diffusion de l’agro-pastoralisme et la fondation des sociétés agricoles modernes. Ce processus a été nommé « la révolution néolithique » (Childe, 1925), son importance étant comparable à celle de la révolution industrielle. L’agriculture et l’élevage ont permis à l’être humain de produire de la nourriture à un niveau régulier nécessaire pour alimenter une population en croissance. La domestication est probablement un processus graduel et fluide caractérisé par une période transitoire plus ou moins longue de coexistence entre deux espèces avant que la reproduction de l’une ne soit contrôlée. Ce processus cumulatif est caractérisé par une dépendance mutuelle croissante entre les populations humaines et les populations animales et végétales en cours de domestication avec des avantages sélectifs pour les deux partenaires (Zeder et al., 2006). Le processus de domestication implique des changements de populations humaines et animales, mais aussi pour l’humain de technologies et de conditions sociales. Il requiert d’une part que l’humain dispose des conditions culturelles permettant le contrôle reproductif des animaux, d’autre part que les propriétés biologiques des animaux ciblés les rendent adaptés à la domestication. L’étude du processus de la domestication requiert donc aussi bien l’analyse du statut culturel des sociétés humaines qui auraient effectué la domestication que l’analyse de la biologie et de la distribution écologique des espèces ciblées.
Le but de ce projet qui est financé par l’ANR depuis 2018 (Projet « Path2Bos », coordonné par notre équipe) est la reconstruction grâce à la paléogénomique de la voie évolutive des bovins depuis la domestication des aurochs au Néolithique en Asie du sud-ouest (ASO), la diffusion des bovins domestiques à travers l’Europe et l’Afrique et leur évolution jusqu’à aujourd’hui. Pour cela, nous analysons les génomes que nous produisons à partir de restes osseux d’aurochs et de bovins originaires d’ASO, d’Europe et d’Afrique du Nord tout au long de l’Holocène avec quelques références du Pléistocène supérieur. L’objectif est double : (1) D’abord, nous cherchons à caractériser le cours du processus de domestication des bovins et de ses spécificités locales qui, en corrélation avec les données archéologiques, devraient nous fournir des informations précieuses sur la sélection mise en œuvre par les sociétés anciennes sur les bovins et donc sur certains aspects de leurs cultures et modes de vie. (2) Puis, nous caractériserons la variabilité ancienne impliquée dans des traits importants pour l’espèce domestique mais risquant d’être perdue en raison de la sélection intensive récente. Nous cherchons alors à identifier de régions génomiques qui ont été sélectionnées à des étapes précoces de la domestication et qui correspondent à des phénotypes de base que l’on devrait préserver au sein des schémas de sélection actuelle. Ces questions n’ont pas encore été adressées dans une publication en 2019 qui a présenté une analyse paléogénomique d’ossements bovins du Proche-Orient et des Balkans mais qui portait surtout sur le croisement à l’Âge du Bronze entre les bovins proche-orientaux et les zébus (Pereira Verdugo et al., 2019).
Le projet se base sur la caractérisation génétique, déjà effectuée par notre équipe, d’un grand nombre d’ossements archéologiques d’aurochs et de bovins domestiqués. En effet, nous avons génotypé environ 700 ossements bovins néolithiques, des âges des Métaux, de l’Antiquité et du Moyen Âge et obtenu les génotypes mitochondriaux d’environ 200 d’entre eux ainsi qu’un génome entier couvert à une profondeur de 7X d’un aurochs anatolien sauvage vieux d’environ 9.000 ans. Ce génome nous a permis en collaboration avec des génomiciens de populations animales de l’INRA de Toulouse (Simon Boitard et Bertrand Servin) de déterminer la place phylogénétique de cet aurochs par rapport aux populations modernes et l’évolution des tailles des populations ancestrales des aurochs d’Asie du Sud-ouest qui met en évidence la forte réduction de la taille de cette population au cours du Pléistocène tardif.
Ce génome nous sert comme ligne de base pour cribler dans les ~30 génomes anciens que nous séquençons à haute couverture et que nous allons comparer par différentes approches complémentaires de génétique de populations avec les environ 3.000 génomes bovins actuels déjà séquencés. Ceci nous permettra d’identifier les régions génomiques qui ont changé au cours du temps et qui ont subi des « balayages sélectifs», et ainsi d’identifier les différents événements de sélection, les origines des différentes populations sur lesquelles une sélection a été effectuée, et d’explorer la validité de différents modèles démographiques utilisés actuellement pour détecter le « balayage sélectif » dans les données génomiques actuelles. Nous allons aussi utiliser des données « pangénomique » produites pour les bovins actuels afin de reconstruire l’évolution de traits complexes multigéniques. Les résultats attendus de ce projet portent sur trois volets : (1) Ils amélioreront la puissance et la précision des approches utilisées pour identifier des régions génomiques sélectionnées positivement. (2) Ils renforceront notre capacité d’estimer la force de sélection et de dater l’origine des événements de sélection correspondants. (3) Ils permettront d’identifier des variants sélectionnés dans le passé et qui ont été perdu depuis l’utilisation des méthodes de sélection intensive avec insémination artificielle et ainsi caractériser les bases génétiques de traits phénotypiques qui pourront être utiles pour préserver un élevage bovin durable.
3. EVOLUTION DU GÉNOME DES CHATS LORS DE LA DOMESTICATION
Nous avons utilisé la méthode aMPlex Torrent, développé par notre équipe (Guimaraes et al., 2017), pour un autre projet portant sur la domestication des chats. Ici encore, nous avons cherché à établir sur la base de l’ADN mitochondrial la phylogéographie des chats, c’est-à-dire, la structure des populations des chats sauvages, Felis silvestris, avant le Néolithique afin de mettre en évidence comment était construit le paysage génétique de cette espèce précédant sa domestication, car les populations actuelles des chats ne montrent aucune structure au niveau de l’ADN mitochondrial. Cette approche nous a permis de retracer au cours du temps la diffusion des chats apprivoisés ou domestiqués pendant les périodes qui ont suivi (Ottoni et al., 2017, Nature Ecol & Evol). Cette étude était la première de ce genre et visait à éclairer les processus de domestication qui était toujours controversé. En effet, il est impossible de distinguer morphologiquement les ossements des chats sauvages des chats domestiqués. Il n’existait alors que deux indications archéologiques concernant l’origine du chat domestique : l’une était la sépulture à Chypre d’un enfant au début du Néolithique dans lequel se trouvait un squelette de chat (Vigne et al., 2007) qui a dû être transporté par les agriculteurs de l’Anatolie ou du Levant sur cette île ; l’autre était une tombe contenant six squelettes de chats dans une nécropole égyptienne de la période pré-dynastique (van Neer et al., 2011). L’iconographie en Egypte a quant à elle aussi réservé une place importante au chat, indiquant le rapprochement entre chats et êtres humains dans un contexte domestique. Nous avons pu montrer qu’il y avait des populations de chats sauvages bien distinctes en Europe pré-Néolithique, F. silvestris silvestris, et en Asie du Sud-ouest (ASO) au début du Néolithique, F. silvestris lybica. Ceci correspondait aux attentes car les chats sont des animaux territoriaux. De plus, ils évitent l’eau et ne traverseraient pas des détroits maritimes. Cette distribution a changé avec la migration des premiers agriculteurs vers l’Europe car nous avons observé, à ce moment-là, l’apparition de la lignée mitochondriale anatolienne dans les ossements de chats préservés dans des sites néolithiques dans les territoires correspondant à la Bulgarie et à la Roumanie actuelles. Nous l’avons aussi trouvée ailleurs en ASO et en Egypte. Ceci suggère que les chats sauvages s’étaient rapprochés au début du Néolithique, probablement attirés par les rongeurs qui pullulaient autours des stocks de céréales. La domestication aurait été initiée à cette époque et aurait suivi la voie du commensalisme. Dans des momies de chats égyptiens de la période ptolémaïque, nous avons trouvé une autre lignée mitochondriale qui n’était pas présente dans les ossements analysés des autres régions. Cette lignée égyptienne a été diffusée très rapidement et efficacement dans les périodes suivantes et nous l’avons trouvée aussi bien dans des sites romains en Asie Mineure, en Grèce, en Iran, que dans la Mer Baltique dans des sites Vikings. De plus, nous avons trouvé dans un port romain en Egypte sur la côte de la Mer Rouge la lignée mitochondriale du chat sauvage indien, ce qui témoigne de l’échange commercial qui avait lieu entre les deux régions, mais aussi d’événements d’hybridation entre les chats sauvages et les chats compagnons des marins. Le patron de diffusion indique donc que le chat suivait les êtres humains au cours de leurs migrations, mais aussi via les routes d’échanges, de commerce et de guerre, surtout maritimes (voir figure ci-contre indiquant les voies de diffusion du chat au cours du temps).
Cette étude a connu un très fort retentissement dans les médias et a été choisi parmi les 10 découvertes de l’année 2017 par la revue La Recherche. En terme d’impact (score Altmetrics), l’article se situe dans la 99ème percentile (63ème sur 265 855 articles) des articles suivis d’un âge similaire dans tous les journaux, et est le 1er sur 87 articles d’un âge similaire publiés par « Nature Ecology & Evolution ».
Notre première étude paléogénétique du processus de domestication des chats portait, comme pour les aurochs, sur l’établissement du patron de phylogéographie en Europe, Asie du sud-ouest et Afrique du Nord des chats sauvages, dont les ancêtres des chats domestiqués, Felis silvestris lybica. Notre analyse de nombreux ossements datés depuis le Néolithique jusqu’aux temps modernes dans le pourtour méditerranéen et jusqu’au territoire des Vikings nous a renseigné sur le changement au cours du temps des aires de répartition des différentes lignées de chats et donc sur le processus de diffusion du chat par les êtres humains (Ottoni et al., 2017, Nature Ecology & Evolution). Nous avons pu mettre en évidence que les chats ont été diffusés depuis le Néolithique par les agriculteurs migrants depuis l’Anatolie vers l’Europe et les autres régions du Proche et Moyen Orient. Dans un deuxième temps, des chats d’origine égyptienne ont été diffusé rapidement et efficacement dans l’Empire romain et jusqu’au Moyen Âge puisque nous les avons même trouvés dans un port viking sur la Mer baltique. Néanmoins, si nous avons pu caractériser l’historique de l’origine des chats, le processus de la domestication du chat n’est pas encore éclairé. C’est pour cela que nous approfondissons notre étude de la diffusion du chat par une nouvelle étude à l’échelle génomique pour identifier les particularités régionales du processus d’apprivoisement et de domestication du chat en fonction des différentes sociétés impliquées potentiellement dans la domestication, en particulier l’Egypte et l’Asie du Sud-ouest. Ceci devrait aussi nous permettre de caractériser ce processus dans le temps, c’est-à-dire, de voir à quel moment quel(s) caractère(s) phénotypique(s) (par exemple couleur du pelage, comportement non-farouche et non-agressif, digestion du lait, etc.), a(ont) été sélectionné(s). Nous cherchons aussi à retracer l’histoire de l’hybridation entre chats sauvages et chats domestiques. Ceci n’est possible qu’au travers de la paléogénomique car les différences morphologiques entre chats sauvages et domestiqués sont minimales voire inexistantes, et l’hybridation était courante tout au long de l’histoire de domestication du chat. Pour pouvoir identifier l’hybridation au niveau génomique il faut donc obtenir des génomes de chats sauvages prédatant la domestication et la diffusion ou datant du début de ce processus et ce que nous entreprenons en ce moment. Nous avons déjà séquencé et analysé une dizaine de mitogénomes entiers et sont en train d’en séquencer plusieurs dizaines. Nous analysons également des marqueurs phénotypiques de la domestication concernant l’apparence des animaux (couleurs et qualités du pelage). Finalement, nous produisons des génomes partiels et complets de chats anciens originaires d’Asie du Sud-ouest, d’Egypte, et d’Europe et les comparons avec plusieurs centaines de génomes actuels en collaboration avec le consortium international « 99 lives » dirigé par Leslie Lyons, Université de Missouri, USA. Cette comparaison de génomes anciens et actuels nous permettra d’identifier et caractériser les changements génomiques qui se sont produits au cours du processus de domestication, de les dater et de déterminer les endroits où ils se sont produits. Ceci devrait faire avancer très significativement notre compréhension du processus de domestication du chat.
4. ETUDE PALÉOGÉNOMIQUE DU PEUPLEMENT DE LA FRANCE DEPUIS LE NÉOLITHIQUE
Nous adoptons les approches de la paléogénomique afin d’enrichir le domaine de la paléoanthropologie et de la préhistoire avec des données que l’on ne peut obtenir ni avec des approches conventionnelles basées sur l’analyse de la morphologie des squelettes, ni en analysant les populations humaines actuelles.
La quantité d’information que pourra fournir la séquence d’un génome de haute qualité, comme ceux des Néandertaliennes d’Altaï et de Vindija ainsi que de la Dénisovienne, est immense et encore insuffisamment appréciée. En fait, l’information que la communauté des généticiens est capable de récupérer à partir de la séquence d’un génome ne représente encore qu’une partie de ce qui est codé dans ce génome. On peut déjà très bien caractériser les liens de parenté, les effets démographiques, certains événements de métissage, ainsi que quelques gènes dont l’action des protéines correspondantes sur les voies biochimiques sont connues. Par contre, jusqu’à aujourd’hui, il reste encore beaucoup de gènes qui ne sont pas entièrement analysés chez les êtres humains actuels, bien que les dizaines de milliers de chercheurs en génétique qui s’attèlent à ce déchiffrement des liens entre génotype et phénotype font progresser régulièrement la connaissance. Or, les paléogénomiciens ne peuvent analyser dans les génomes anciens que les mutations dans les gènes dont on connaît l’action. C’est pour cela que dans les années à venir, les généticiens seront à même de réanalyser les génomes anciens dont la séquence est connue, accessible pour tout chercheur, c’est-à-dire immortalisée, pour extraire de plus en plus d’informations sur la biologie des populations anciennes suite aux progrès que feront la biologie et génétique fondamentale et médicale. Les séquences des génomes anciens constituent donc un patrimoine pour les générations futures de chercheurs.
Les données du domaine de la paléogénomique humaine ont déjà enrichi énormément la paléoanthropologie en identifiant des populations inconnues auparavant, comme les Dénisoviens, en caractérisant temporellement et spatialement les événements de métissage ainsi que les rôles que jouaient les événements de remplacement et de migrations des différentes populations humaines du passé. Ces données peuvent révéler des structures de populations et de flux génétique qui nous renseignent d’une manière inédite sur la préhistoire de notre espèce. En effet, le séquençage de génomes d’individus anciens permet de répondre à des questions concernant la biologie et l’anthropologie des êtres humains actuels : Qui étaient les êtres humains anciens et quels liens de parenté avaient-ils entre eux et avec les êtres humains actuels ? Quand et combien de fois les êtres humains anatomiquement modernes et les êtres humains archaïques s’étaient-ils métissés ? Quelles routes de migrations avaient-ils poursuivi ? Comment différentes populations ont interagi entre elles et quelle est l’influence de ces interactions sur les populations humaines actuelles et sur leur démographie ? Plus la résolution dans le temps et dans l’espace de ces analyses sera grande, mieux nous comprendrons notre passé. Au fur et à mesure de la progression des connaissances sur le déterminisme génétique des caractères phénotypiques, il sera aussi possible de mettre en évidence des caractéristiques biologiques des individus et populations du passé, comme c’était déjà possible pour la capacité d’assimiler le lait frais.
Les données génétiques des êtres humains anciens peuvent aussi être corrélées avec les données archéologiques portant sur les cultures et ainsi permettre l’établissement de liens entre biologie et culture, ce qui indique la diffusion démographique d’une culture. L’inverse peut aussi être révélé quand il y a absence de lien entre culture et populations indiquant une transmission matérielle et/ou de savoir-faire d’une culture.
Depuis 2012, nous avons travaillé sur le développement méthodologique devant permettre l’analyse sans ambiguïté de restes humains. Nous avons mis en place une méthode de capture d’ADN mitochondrial à partir d’extraits fossiles humains qui consistent d’un mélange complexe de molécules d’ADN d’origine diverses et variées, surtout des microorganismes du sol colonisant les ossements lors de leur enfouissement. Cette méthode efficace nous a permis d’obtenir des mitogénomes entiers. Depuis 2015, nous l’avons utilisé pour analyser des squelettes du territoire français, depuis le Néolithique jusqu’au Moyen Âge. Grâce aux os pétreux dans lesquels l’ADN est particulièrement bien préservé, nous avons dans un premier temps génotypé 203 spécimens, au niveau de leur lignée mitochondriale (mitogénomes entiers), leur lignée paternelle (chromosome Y), des marqueurs dits « ancestraux » (car indiquant l’origine) ainsi qu’au niveau de gènes impliqués dans des phénotypes comme la couleur des yeux, de la peau, des cheveux, la persistance de la lactase (enzyme permettant de digérer le lait de vache), mais aussi dans la réponse immunitaire. De plus, les génomes nucléaires entiers ont pu être séquencés, bien qu’à faible couverture, à partir de 52 individus du Néolithique et des âges des Métaux. Ceci nous a permis d’établir les relations de ces populations sur le territoire de la France actuelle avec celles d’autres territoires, comme l’Allemagne et l’Espagne (Brunel et al., 2020, PNAS).
Analyse en composantes principales d’informations génomiques d’individus de l’Ouest de l’Europe produites dans le cadre de la thèse de S. Brunel ainsi que dans des publications d’autres équipes internationales et projetées sur les génomes d’Européens actuels (Brunel et al., 2020, PNAS).
L’analyse en composantes principales montre que les individus néolithiques du territoire de la France actuelle se situent dans la continuité génomique avec les agriculteurs néolithiques anatoliens. Ceci prouve d’une manière irréfutable que la culture néolithique est arrivée en France avec les agriculteurs néolithiques originaires d’Anatolie dont les génomes se différenciaient clairement de ceux des chasseurs-cueilleurs mésolithiques autochtones. Cette ACP montre aussi une évolution des génomes en France à partir d’il y a ~4200 ans où l’influence des génomes des steppes pontiques se fait sentir. C’est à cette période-là que le génome des Européens a été établi et qui n’a plus expérimenté un flux génétique important de l’extérieur.
Proportions des génomes des différents individus analysés attribuables aux chasseurs-cueilleurs mésolithiques de l’Europe du Sud et de l’Ouest (Villabruna et GoyetQ2), aux agriculteurs néolithiques anatoliens (Anatolia-N) ainsi qu’aux pasteurs des steppes nomades de la culture des Kurgans (Yamnaya). A droite sont indiqués également les haplotypes mitochondriaux et ceux des chromosomes Y.
(Brunel et al., 2020, PNAS)
La comparaison par l’analyse statistique « qpAdm » des génomes des individus du territoire français à la protohistoire avec ceux des réprésentants de deux populations de chasseurs-cueilleurs d’Europe de l’Ouest (Villabruna et GoyetQ2) ainsi qu’avec les génomes des Néolithiques anatoliens (Anatolia-N) et les pasteurs des steppes pontiques (Yamnaya) montre que certains des premiers agriculteurs néolithiques rubanés du territoire français étaient métissés avec les chasseurs-cueilleurs mésolithiques alors que d’autres étaient des descendants directs des agriculteurs néolithiques anatoliens. Le métissage avec les chasseurs-cueilleurs mésolithiques a pris de l’ampleur au cours du Néolithique. Les génomes mitochondriaux et le chromosome Y des Néolithiques français étaient majoritairement d’origine anatolienne, mais sur certains sites néolithiques, par exemple en Champagne, il y avait prédominance des mitogénomes des chasseurs-cueilleurs.
L’âge du Bronze voit l’arrivée du métissage des Néolithiques français avec une population identifiée comme « Yamnaya », c’est-à-dire, des populations de pasteurs des steppes pontiques de la culture des Kurganes. Le métissage est perceptible au niveau des génomes, constitués jusqu’à 50% de la fraction « Yamnaya », ainsi qu’au niveau du chromosome Y dont l’haplogroupe R1b1a1 est caractéristique des Yamnayas. Ce dernier a été trouvé dans tous les squelettes mâles analysés de l’âge du Bronze jusqu’au l’âge du Fer et est toujours aujourd’hui majoritaire dans l’Ouest de l’Europe et surtout en France de l’Ouest.
Nous continuons actuellement cette étude en nous focalisant sur les populations du Bassin Parisien au Néolithique afin d’analyser leurs compositions, leurs relations de parenté, leurs métissages et leurs migrations. Ceci nous permettra d’obtenir une image à haute résolution des groupes des premiers agriculteurs, leurs évolutions au cours du Néolithique et leurs interactions avec les chasseurs-cueilleurs autochtones.
5. PALÉOGÉNOMIQUE DU MOYEN ÂGE DE L’OUEST DU TERRITOIRE DE LA FRANCE ACTUELLE.
Depuis 2018, dans le cadre d’un projet interdisciplinaire financé par l’ANR, « FROGH » coordonné par Christian Dina, Institut du Thorax, Nantes, nous analysons des squelettes de l’Ouest de la France (Bretagne, Vendée, Loire atlantique) depuis la période gallo-romaine à la fin du Moyen Âge. D’une part, nous cherchons à évaluer les distances génétiques entre ces populations et celles d’autres régions européennes et d’autres périodes jusqu’au présent et d’en déduire les événements démographiques ayant lieu avant et pendant cette période, et d’autre part, nous cherchons à analyser l’évolution dans ces populations de la France de l’Ouest d’allèles de susceptibilité de maladies génétiques rares. D’ores et déjà, nous avons obtenu des génomes à faible couverture d’une centaine d’individus. Nous analysons la structure génétique ainsi que des maladies génétiques des populations de l’Ouest de la France de l’époque gallo-romaine jusqu’au Moyen Âge. Le projet se base sur des études des génomes de populations actuelles qui ont permis la découverte d’allèles (variants génétiques) rares qui concernent la susceptibilité pour des maladies (bien qu’ils ne confèrent qu’un risque limité pour le développement de ces maladies) qui sont concentrés dans des aires géographiques limitées. Cette étude analyse donc en parallèle la population actuelle et ancienne de la même région géographique et intègre des données génétiques, épidémiologiques et démographiques. Nous allons ainsi interroger des variants génétiques trouvés dans des patients avec une maladie commune dans le contexte d’une investigation génétique le long d’un axe spatial et d’un axe temporel. Ce projet contribuera aussi à la construction d’un panel de référence de génomes français afin de permettre à la France de mieux se situer dans les consortia internationaux dédiés à la génétique humaine. Notre intention est de poursuivre ce projet afin de remonter dans le temps pour identifier l’évolution dans le temps et dans l’espace de ces traits génétiques identifiés dans des populations actuelles auxquelles ils sont spécifiques et qui ont un lien avec des susceptibilités pour certaines maladies. Cette étude fournira en même temps des nombreuses informations sur la génétique des populations du territoire en France à l’Holocène et en particulier sur des traits phénotypiques sous sélection positive.
Responsables :
Thierry GRANGE
Téléphone : +33 (0)157278129
Email : thierry.grange (at) ijm.fr
Eva-Maria GEIGL
Téléphone : +33 (0)157278132
Email : eva-maria.geigl (at) ijm.fr
Membres de l’équipe :
| Fabien | FAUCHEREAU | Enseignant-chercheur |
| Lesley Caitlin | MARTIN | Doctorante |
| Manon | STEPANOFF | Master 2 |
E. Andrew Bennett, Oğuzhan Parasayan, Sandrine Prat, Stéphane Péan, Laurent Crépin, Alexandr Yanevich, Thierry Grange*, Eva-Maria Geigl* Genome sequences of 36,000 to 37,000 year-old modern humans at Buran-Kaya III in Crimea. (2023) Nature Ecology and Evolution https://doi.org/10.1038/s41559-023-02211-9
Bennett, E.A., Weber, J., Bendhafer, W., Champlot, S., Peters, J., Schwartz, G., Grange, T., Geigl, E.-M. (2022) The genetic identity of the earliest human-made hybrid animals, the kungas of Syro-Mesopotamia. Science Advances 8, eabm0218. DOI : 10.1126/sciadv.abm0218
Guimaraes, S., Arbuckle, B., Peters, J., Adcock, S., Buitenhuis, H., Chavin, H., Manaseryan, N., Uerpmann, H.-P., Grange, T.*, Geigl, E.-M.* (2020) Ancient DNA shows domestic horses were introduced in the southern Caucasus and Anatolia during the Bronze Age. Science Advances, 6: eabb0030, DOI: 10.1126/sciadv.abb0030
Brunel, S., Bennett, E.A., Cardin, L., Garraud, D., Barrand Emam, H., Beylier, A., Boulestin, B., Chenal, F., Cieselski, E., Convertini, F., Dedet, B., Desenne, S., Dubouloz, J., Duday, H., Fabre, V., Gailledrat, E., Gandelin, M., Gleize, Y., Goepfert, S., Guilaine, J., Hachem, L., Ilett, M., Lambach, F., Mazière, F., Perrin, B., Plouin, S., Pinard, E., Praud, I., Richard, I., Riquier, V., Roure, R., Sendra, B., Thevenet, C., Thiol, S., Vauquelin, E., Vergnaud, L., Grange, T.*, Geigl, E.-M.*, Pruvost, M.* (2020) Ancient genomes from present-day France unveil 7,000 years of its demographic history. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 117(23):12791-12798, DOI:10.1073/pnas.1918034117.
Bennett, E.A., Crevecoeur, I., Viola, B., Derevianko, A.P., Shunkov, M.V., Grange, T., Maureille, B., Geigl, E.-M. (2019) Morphology of the Denisovan phalanx closer to modern humans than to Neandertals. Science Advances, 5:eaaw3950, DOI 10.1126/sciadv.aaw3950, DOI: 10.1126/sciadv.aaw3950
Grange, T., Brugal, J.-P., Flori, L., Gautier, M., Uzunidis, A., Geigl, E.-M. (2018) The Evolution and Population Diversity of Bison in Pleistocene and Holocene Eurasia: Sex Matters. Diversity 10, 65; doi:10.3390/d10030065
Ottoni, C., Van Neer, W., De Cupere, B., Daligault, J., Guimaraes, S., Peters, J., Spassov, N., Prendergast, M.E., Boivin, N., Morales-Muniz, A., Bălăşescu, A., Becker, C., Benecke, N., Boronenanț, A., Buitenhuis, H., Chahoud, J., Crowther, A., Llorente, L., Manaseryan, N., Monchot, H., Onar, V., Osypińska, M., Putelat, O., Studer, J., Wierer, U., Decorte, R., Grange, T.*, Geigl, E.-M.* (2017) The paleogenetics of cat dispersal in the ancient world. Nature Ecology & Evolution 1, 0139. DOI: https://doi.org/10.1038/s41559-017-0139.
Bennett, E.A., Champlot, S., Peters, J., Arbuckle, B.S., Guimaraes, S., Pruvost, M., Bar-David, S., Davis, S.J.M., Gautier, M., Kaczensky, P., Kuehn, R., Mashkour, M., Morales-Muñiz, M., Pucher, E., Tournepiche, J.-F., Uerpmann, H.-P., Bălăşescu, A., Germonpré, M., Y. Günden, C., Hemami, M.-R., Moullé, P.-E., Öztan, A., Uerpmann, M., Walzer, C., Grange, T.*, Geigl, E.-M.* (2017) Taming the Late Quaternary phylogeography of the Eurasiatic wild ass through ancient and modern DNA. Plos one 12(4): e0174216. /doi.org/10.1371/journal.pone.0174216
Massilani, D., Guimaraes, S., Brugal, J.-P., Bennett, E.A., Tokarska, M., Arbogast, R., Baryshnikov, G., Boeskorov, G., Castel, J.-C., Davydov, S., Madelaine, S., Putelat, O., Spasskaya, N., Uerpmann, H.-P., Grange, T.*, Geigl,E.-M.* (2016) Past climate changes, population dynamics and the origin of Bison in Europe. BMC Biology 14:93-110. DOI 10.1186/s12915-016-0317-7
Guimaraes S, Pruvost M, Daligault J, Stoetzel E, Bennett EA, Côté NM, Nicolas V, Lalis A, Denys C, Geigl EM*, Grange T.* (2017) A cost-effective high-throughput metabarcoding approach powerful enough to genotype ~44 000 year-old rodent remains from Northern Africa. Mol Ecol Resour. 17: 405-417. doi: 10.1111/1755-0998.12565
Champlot S., Berthelot C., Pruvost M., Bennett E. A., Grange T. and Geigl E.M. (2010) An Efficient Multistrategy DNA Decontamination Procedure of PCR reagents for Hypersensitive PCR Applications. PLOS One, 5(9), e13042.
Pruvost, M., Schwarz, R., Bessa Correia, V., Champlot, S., Braguier, S., Morel, N., Fernandez-Jalvo, Y., Grange, T., Geigl, E.-M. (2007) Freshly excavated fossil bones are best for amplification of ancient DNA. Proc. Ntl. Acad. Sci. USA, 104, 739-744.
*shared senior authors
Publications
Preprint
Chapitre de livre
Autre
Thèses de l’équipe depuis 2010:
- Jeanne Mattei « Paléogénomique de la domestication des chats » soutenue le 20 décembre 2023
- Oguzhan Parasayan « Genomic evolution of of ancient French populations » soutenue le 20 décembre 2022
- Wejden Bendhafer : « Paléogénomique de l’évolution des Bovina et l’impact sur la domestication des bovins». Soutenance de thèse le 20/12/2021.
- Caitlin Martin : « The evolution of and selection upon the human genome since the invention of agriculture: a historical perspective on diseases”; en cours depuis Octobre 2020
- Samantha Brunel : « Analyse paléogénétique du peuplement de la France ». Soutenance de thèse le 14/11/2018.
- Diyendo Massilani : « Paléogénomique des Bovina et de leur domestication ». Soutenance de thèse le 6/7/ 2016.
- Olivier Gorgé : «Diagénèse de l’ADN bactérien et analyses métagénomiques de pathologies bactériennes du passé ». Soutenance de thèse le 13/12/2016.
- Nathalie Côté : « Apports de la paléogénétique à l’étude des helminthes garstro-interstinaux anciens». Soutenance de thèse le 16/12/2015 .
- Sophie Champlot : « Colonisation et domestication de l’Europe et du pourtour méditerranéen », Ecole Doctorale « Gènes, Génomes et Cellules », soutenue le 13/7/2010.
Collaborations scientifiques avec plus de 60 chercheurs nationaux et internationaux de 20 pays, surtout des archéologues, archéozoologues, paléoanthropologues
Financements de l’équipe depuis 2010 :
2021-2024 Projet européen WIDESPREAD-05-2020 – Twinning: « Mapping The Neolithic Expansion In The Mediterranean: A Scientific Collective To Promote Archaeogenomics And Evolutionary Biology Research In Turkey” (H2020-WIDESPREAD-2020-5; CSA 952317; NEOMATRIX
2018-2021 “Paléogénomique de la domestication des bovins pour enrichir les stratégies durables de sélection (PATH2BOS) », ANR, coordinateur : Thierry Grange
2016-2021 “ Etude Génétique de la population Française (FROGH)“, ANR, coordinateur : Christian Dina, Institut du Thorax, UMR 1087/ UMR 6291, Nantes. Equipe « Epigénome & Paléogénome » : « Paléogénomique de la population médiévale de l’Ouest de la France ».
2015-2019 “Genetic characterization of Ancestral French populations using ancient DNA (ANCESTRA)” ANR JCJC – ANR-15-CE27-0001; Coordinatrice: Mélanie Pruvost, Institut Jacques Monod, Paris.
2014-2016 “The origins of Equid domestication”, National Science Foundation (NSF) Prime Award N° BCS-1311551; Coordinateur: Benjamin Arbuckle, University of Chapel Hill, North Carolina, USA. « Epigénome & Paléogénome » : “Paleogenetics of the domestication of horses in Anatolia and the Caucasus”
2010-2014 “Influence de l’installation des hommes modernes au Maroc sur l’évolution de la biodiversité des petits vertébrés terrestres (MOHMIE)“ ; Agence Nationale de Recherche (ANR) n° 2009 PEXT 004 05; Coordinatrice : C. Denys, Muséum National d’Histoire Naturelle. « Epigénome & Paléogénome » : “Paléogénétique des rongeurs au cours des derniers 120,000 ans”
23 octobre 2023 – Nouvel article publié dans Nature Ecology and Evolution : Genome sequences of 36-37,000 year-old modern humans at Buran-Kaya III in Crimea
10 mars 2023 – Conférence au Collège de France ” L’évolution des populations humaines et animales : une histoire de migrations et métissages” présenté dans le cadre du cours “L’histoire de l’humanité vue sous l’angle de la paléogénomique” donné par Lluis Quinatana-Murci.
A new study by the Grange/Geigl team published in Science Advances on 14 January 2022!
- Before the introduction of the domestic horse in Mesopotamia, valuable equids were being harnessed to ceremonial or military four wheeled wagons and used as royal gifts, but their true nature remained unknown.
- According to a palaeogenetic study, these prestigious animals were the result of a cross between a domestic donkey and a wild ass from Syria, now extinct.
- This makes them the oldest example of an animal hybrid produced by humans.
Fête de la science 2021 – Conférence “La génétique du peuplement de l’Europe depuis l’âge des glaces”
Communications de notre recherche par le CNRS :
https://archives.cnrs.fr/insb/article/2016/e-m-geigl
https://lejournal.cnrs.fr/articles/comment-le-chat-a-conquis-le-monde
https://www.cnrs.fr/fr/7-000-ans-dhistoire-demographique-en-france
https://www.cnrs.fr/fr/avant-les-chevaux-des-hybrides-danes-produits-pour-faire-la-guerre
