L'ADN vieux d'un million d'années offre un aperçu de l'évolution des mammouths.

17 février 2021

En 2013, l'ADN d'un cheval ayant vécu entre 560 000 et 780 000 ans auparavant a été séquencé. C'était l'échantillon d'ADN le plus ancien jamais analysé. Mais ce record vient d'être battu par van der Valk et ses collègues, dans un article publié dans Nature. Les auteurs ont récupéré de l'ADN à partir des molaires de trois mammouths trouvés dans le nord-est de la Sibérie, dont deux ont vécu il y a plus d'un million d'années.

Les auteurs ont isolé l'ADN à partir de molaires qui avaient été préalablement collectées dans le permafrost sibérien. Ils se sont appuyés sur des méthodes qui maximisent la récupération de courts fragments d'ADN résiduel. Les températures froides avaient réduit la dégradation de l'ADN sur des échelles de temps géologiques.

Les auteurs ont daté les mammouths en utilisant la biostratigraphie, dans laquelle les restes fauniques des sites où les molaires ont été collectées sont corrélés avec la faune des sites pour lesquels des dates absolues sont disponibles. Ils ont également estimé l'ancienneté des spécimens par datation moléculaire de l'ADN dans un organite cellulaire appelé mitochondrie, car un pourcentage plus élevé du génome mitochondrial a été couvert par le séquençage que celui de l'ADN nucléaire (bien que des estimations de date similaires aient été obtenues en utilisant l'ADN nucléaire des deux spécimens plus récents).

Les données du mitogénome ont révélé que le plus récent des trois spécimens de mammouth, surnommé Chukochya, a vécu il y a plus de 680 000 ans (pour comparaison, le célèbre mammouth laineux, Mammuthus primigenius, est apparu pour la première fois dans le registre fossile il y a environ 700 000 ans). Dans un arbre phylogénétique établi à partir de l'ADN nucléaire, Chukochya se situait en dehors d'un groupe comprenant tous les mammouths laineux du Pléistocène tardif (129 000 à 12 000 ans). Cette découverte est cohérente avec la morphologie de la molaire de Chukochya, qui l'a identifiée comme une forme précoce de mammouth laineux.

Le deuxième mammouth le plus ancien, appelé Adycha, a vécu il y a environ 1,34 million d'années pendant le Pléistocène inférieur (qui s'étendait d'environ 2,58 millions à 773 000 ans). Les auteurs ont découvert qu'Adycha appartenait à une population ancestrale des mammouths laineux, qui vivait avant Chukochya. Il y avait des différences substantielles entre la molaire d'Adycha et celles de Chukochya et des mammouths laineux plus récents, en termes d'épaisseur de l'émail, de nombre et de densité des plaques d'émail, et de hauteur des couronnes. Nous n'avons pas encore une compréhension suffisamment bonne des programmes génétiques de développement qui sous-tendent ces traits morphologiques et d'autres pour pouvoir identifier les changements génomiques responsables. À l'avenir, une meilleure compréhension de la génétique du développement du crâne et des dents pourrait permettre un rapprochement plus étroit entre la génomique des mammouths et la paléontologie.

Les auteurs ont ensuite comparé les génomes de ces spécimens anciens avec ceux des descendants de mammouths laineux, afin d'examiner comment ces mammouths s'étaient adaptés à leur environnement froid de Sibérie. De nombreux variants génétiques considérés comme le résultat de l'adaptation aux latitudes nordiques ont été identifiés chez les mammouths laineux en comparant leurs génomes avec ceux des éléphants de savane africains (Loxodonta africana) et asiatiques (Elephas maximus), membres de la même famille de mammifères. Parmi ces variants, van der Valk et al. ont montré que 87 % étaient déjà présents chez Adycha et 89 % chez Chukochya. Cela n'est pas surprenant, car toute lignée préservée dans le permafrost doit déjà avoir été adaptée aux climats glacials. Cependant, les auteurs ont également trouvé des preuves d'une adaptation supplémentaire à mesure que la lignée des mammouths évoluait. Par exemple, le gène TRPV3, impliqué dans la détection de la température, présentait plus de variants chez les mammouths laineux du Pléistocène tardif que chez l'ancêtre Chukochya.

Le mammouth le plus ancien était Krestovka, dont la datation par mitogénome a estimé qu'il avait vécu il y a environ 1,65 million d'années (bien que la biostratigraphie ait suggéré une date légèrement plus récente). Un arbre phylogénétique a indiqué que Krestovka ne provenait pas d'une population ancestrale aux mammouths laineux. Au lieu de cela, il faisait partie d'une lignée qui s'est séparée de la lignée Adycha–Chukochya–mammouth laineux il y a environ 2 millions d'années. Les chercheurs proposent que Krestovka était l'ancêtre des mammouths qui sont entrés en Amérique du Nord il y a environ 1,5 million d'années et ont donné naissance au mammouth colombien (Mammuthus columbi) dans des régions au climat tempéré en Amérique du Nord et en Amérique centrale.

Les auteurs ont également trouvé, dans les génomes nucléaires des mammouths colombiens, les signatures de deux événements d'admixture (croisement) entre les lignées de mammouths de Krestovka et de mammouths laineux. Le second de ces événements semble s'être produit après que les mammouths laineux sont entrés en Amérique du Nord il y a environ 100 000 ans. Lors de cet événement, environ 12 % du génome du mammouth colombien a été remplacé par de l'ADN provenant de mammouths laineux du Pléistocène tardif.

Le reste du génome du mammouth colombien a montré des contributions égales des lignées de Krestovka et de mammouth laineux, ce qui indique un événement d'admixture antérieur. Une répartition de 50:50 de ce type pourrait être considérée comme surprenante, étant donné que les contributions des deux populations ancestrales pourraient être dans n'importe quelle proportion — 80:30, par exemple, ou 10:90. Cette répartition pourrait être une coïncidence, mais van der Valk et ses collègues suggèrent la possibilité d'une spéciation hybride, dans laquelle la descendance des croisements entre les deux lignées ne se reproduit pas avec l'une ou l'autre lignée parentale.

Les auteurs proposent que l'hybridation initiale a eu lieu il y a environ 420 000 ans, car à cette époque, il semble qu'il y ait eu un transfert de mitogénomes d'une lignée de mammouths laineux vers le mammouth colombien. Cependant, les ancêtres des mammouths colombiens sont entrés en Amérique du Nord bien avant cette date, et les mammouths laineux longtemps après, ce qui rend difficile l'harmonisation de cette date avec le registre fossile. Les mitogénomes se transfèrent facilement entre les espèces de la famille des éléphants, donc peut-être que la phylogénie des mammouths du Pléistocène tardif reflète plus d'événements qu'un simple transfert interspécifique. Alternativement, l'hybridation évidente dans le génome nucléaire pourrait ne pas avoir eu lieu à l'époque estimée en utilisant les mitogénomes. Si de l'ADN pouvait être obtenu à partir d'échantillons de mammouths du Pléistocène précoce ou moyen dans le pergélisol de l'Amérique du Nord, cela pourrait éclairer davantage les origines des mammouths colombiens.

De nombreuses espèces animales actuelles sont apparues pendant ou après le début du Pléistocène. La capacité de récupérer de l'ADN à partir d'échantillons du début du Pléistocène signifie que les changements génomiques dans certaines lignées peuvent désormais être suivis à travers le temps profond, offrant des aperçus sur l'évolution des espèces modernes. Les génomes modernes sont souvent utilisés pour inférer l'histoire démographique des populations sur des centaines de milliers d'années ; ces inférences devraient désormais être testées pour leur exactitude en examinant des échantillons à travers le temps réel.

Le suivi des changements génétiques mitochondriaux et nucléaires à travers le temps profond pourrait également révéler le rôle (s'il y en a un) des interactions mitochondriales-nucléaires dans l'évolution des mammouths. Lorsque les mitochondries sont échangées entre des cellules de différentes espèces in vitro, les interactions entre les protéines codées par les gènes mitochondriaux et nucléaires peuvent être perturbées. Il est concevable qu'une telle perturbation puisse entraîner l'évolution ou la disparition de lignées de mitogénomes. Cette voie d'investigation est particulièrement pertinente, étant donné que van der Valk et ses collègues se sont basés sur le transfert de mitogénomes pour dater l'hybridation qui a donné naissance aux mammouths colombiens.

Enfin, la biostratigraphie se concentre sur la distribution et la morphologie de petites espèces telles que les lemmings, les pikas et les campagnols. Il devrait maintenant être possible d'ajouter un composant ADN à la biostratigraphie, grâce à des analyses génomiques de petits mammifères à travers différents sites. La génomique a été propulsée dans le temps profond par les géants de l'ère glaciaire — les petits mammifères qui les entouraient pourraient bientôt également avoir leur heure de gloire.

Plus d'infos sur : https://www.nature.com/articles/d41586-021-00348-w