L’ADN contient l’histoire de notre ascendance – comment nous sommes liés aux visages familiers lors des réunions de famille ainsi qu’à des affaires plus anciennes: comment nous sommes liés à nos parents non humains les plus proches, les chimpanzés; comment Homo sapiens s’est accouplé avec les Néandertaliens; et comment les gens ont migré hors d’Afrique, s’adaptant à de nouveaux environnements et modes de vie en cours de route. Et notre ADN contient également des indices sur le moment de ces événements clés de l’évolution humaine.

Quand les scientifiques disent que les humains modernes sont apparus en Afrique il y a environ 200 000 ans et ont commencé leur propagation mondiale il y a environ 60 000 ans, comment arrivent-ils à ces dates? Traditionnellement, les chercheurs ont construit des chronologies de la préhistoire humaine basées sur des fossiles et des artefacts, qui peuvent être datés directement avec des 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 fournit une approche complémentaire pour dater les événements évolutifs. Parce que certains changements génétiques se produisent à un rythme régulier par génération, ils fournissent une estimation du temps écoulé. Ces changements s’accumulent comme les tiques sur un chronomètre, fournissant une « horloge moléculaire. »En comparant les séquences d’ADN, les généticiens peuvent non seulement reconstruire les relations entre différentes populations ou espèces, mais aussi déduire l’histoire évolutive sur des échelles de temps profondes.

Les horloges moléculaires sont 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 sans cesse croissante d’ADN provenant de diverses populations (actuelles et anciennes), les généticiens aident à construire une chronologie plus raffinée de l’évolution humaine.

Comment l’ADN accumule les changements

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

Les mutations sont des modifications des lettres du code génétique de l’ADN – par exemple, une guanine nucléotidique (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 pendant la division cellulaire, bien que d’autres types de mutations se produisent spontanément ou de l’exposition à des dangers tels que les radiations et les produits chimiques.

Dans un seul génome humain, il y a environ 70 changements de nucléotides par génération – minuscules dans un génome composé de six milliards de lettres. Mais globalement, sur plusieurs générations, ces changements conduisent à des variations évolutives substantielles.

Les scientifiques peuvent utiliser des mutations pour estimer le moment des branches dans notre arbre évolutif. Ils comparent d’abord les séquences d’ADN de deux individus ou espèces, en comptant les différences neutres qui ne modifient pas leurs chances de survie et de reproduction. Ensuite, connaissant le taux de ces changements, ils peuvent calculer le temps nécessaire pour accumuler autant de différences. Cela leur indique combien de temps cela fait depuis que les individus ont partagé des ancêtres.

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

La recombinaison, également connue sous le nom de croisement, est l’autre moyen principal pour l’ADN d’accumuler les changements au fil du temps. Cela conduit à mélanger les deux copies du génome (une de chaque parent), qui sont regroupées en chromosomes. Lors 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 événements de recombinaison se produisent par génération, un 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 depuis combien de temps cet individu était votre ancêtre.

Construire des chronologies basées sur des changements

Les modifications génétiques dues à la mutation et à la recombinaison fournissent deux horloges distinctes, chacune adaptée pour dater différents événements évolutifs et échelles de temps.

Parce que les mutations s’accumulent si lentement, cette horloge fonctionne mieux pour les événements très anciens, comme les divisions évolutives entre espèces. L’horloge de recombinaison, en revanche, tique à un rythme approprié pour les dates des 100 000 dernières années. Ces événements « récents » (à l’époque de l’évolution) incluent le flux de gènes entre des populations humaines distinctes, la montée 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 des relations ancestrales compliquées. Les généticiens estiment qu’il existe entre 1,5 et 2 millions de différences mutationnelles entre les néandertaliens et les humains modernes. L’application de l’horloge de mutation à ce décompte suggère que les groupes se sont initialement divisés entre 750 000 et 550 000 ans auparavant.

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

Cependant, leurs interactions n’étaient pas terminées: Les humains modernes se sont finalement répandus en Eurasie et se sont accouplés avec les Néandertaliens. En appliquant l’horloge de recombinaison à l’ADN de Néandertal conservé chez les humains actuels, les chercheurs estiment que les groupes se sont croisés entre 54 000 et 40 000 ans auparavant. Lorsque les scientifiques ont analysé un fossile d’Homo sapiens, connu sous le nom d’Oase 1, qui vivait il y a environ 40 000 ans, ils ont trouvé de grandes régions d’ascendance néandertalienne intégrées dans le génome d’Oase, 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 pilier des calculs évolutionnaires, non seulement pour les humains, mais pour toutes les formes d’organismes vivants. Mais il y a des facteurs compliquants.

Le principal défi vient du 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, de sorte qu’ils varient au fil du temps et peuvent différer d’une espèce à l’autre et même d’une population humaine à l’autre, quoique assez lentement. C’est comme essayer de mesurer le temps avec une horloge qui tourne à différentes vitesses dans différentes conditions.

Un problème 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 – des régions courtes à taux de recombinaison élevés. En raison de l’évolution de Prdm9 et des points chauds, les taux de recombinaison à échelle fine 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 d’une population à l’autre, l’horloge de recombinaison tique 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 quelques mutations supplémentaires à leur progéniture par an. Le sperme des pères plus âgés a subi plus de cycles de division cellulaire, donc plus de possibilités de mutations. Les mères, en revanche, transmettent moins de mutations (environ 0,25 par an) car les œufs d’une femelle se forment la plupart du temps en même temps, avant sa propre naissance. Les taux de mutation dépendent également de facteurs tels que le début de la puberté, l’âge à la reproduction et le taux de production de spermatozoïdes. Ces traits d’histoire de vie varient d’un primate vivant à l’autre et différaient probablement également d’une espèce éteinte d’ancêtres humains à l’autre.

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 1×10 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 nucléotidiques entre les humains et les autres singes par la date de leur division évolutive, telle que déduite des fossiles. C’est comme calculer votre vitesse de conduite en divisant la distance parcourue par le temps écoulé. Mais lorsque les généticiens mesurent directement les différences nucléotidiques entre les parents et les enfants vivants (en utilisant des pedigrees humains), le taux de mutation est la moitié de l’autre estimation: environ 0,5×10⁻⁹ par site et par an, soit seulement environ trois mutations par an.

Pour la divergence entre les Néandertaliens et les humains modernes, le taux plus lent fournit une estimation entre 765 000 et 550 000 ans. Le taux plus rapide, cependant, suggérerait la moitié de cet âge, soit il y a 380 000 à 275 000 ans: une grande différence.

Pour résoudre la question de 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 une meilleure datation

Une approche consiste à se concentrer sur les mutations qui surviennent à un rythme constant, quels que soient le sexe, l’âge et l’espèce. Cela peut être le cas pour un type particulier de mutation que les généticiens appellent transitions CpG par lesquelles les nucléotides C deviennent spontanément des T. Comme les transitions CpG ne résultent généralement pas d’erreurs de copie de l’ADN pendant la division cellulaire, leurs taux devraient être principalement indépendants des variables du cycle vital – et vraisemblablement plus uniformes au fil du temps.

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

Une autre approche consiste à développer des modèles qui ajustent les cadences d’horloge moléculaire en fonction du sexe et d’autres traits du cycle vital. En utilisant cette méthode, les chercheurs ont calculé une divergence chimpanzé-humain compatible avec l’estimation du CpG et les dates fossiles. L’inconvénient ici est que, en ce qui concerne les espèces ancestrales, nous ne pouvons pas être sûrs des traits du cycle vital, comme l’âge à la puberté ou la durée de la génération, ce qui entraîne une certaine incertitude dans les estimations.

La solution la plus directe provient des analyses d’ADN ancien récupéré à partir de fossiles. Comme les spécimens fossiles sont datés indépendamment par des méthodes géologiques, les généticiens peuvent les utiliser pour étalonner les horloges moléculaires pour une période ou une population donnée.

Cette stratégie a récemment résolu le débat sur le moment de notre divergence avec les Néandertaliens. En 2016, des généticiens ont extrait de l’ADN ancien de fossiles vieux de 430 000 ans qui étaient des ancêtres néandertaliens, après que leur lignée se soit séparée de l’Homo sapiens. Sachant où ces fossiles appartiennent dans l’arbre évolutif, les généticiens pourraient confirmer que pour cette période de l’évolution humaine, la fréquence d’horloge moléculaire plus lente de 0,5×10⁻⁹ fournit des dates précises. Cela place la division entre l’homme de Néandertal et l’homme moderne entre 765 000 et 550 000 ans auparavant.

Alors que les généticiens règlent 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.