Des chercheurs ont réussi à reconstituer le génome et les structures chromosomiques en 3D d'un mammouth laineux vieux de 52 000 ans, une avancée majeure grâce à l'utilisation d'ADN ancien préservé par lyophilisation. Crédit : Issues.fr.com
Une étude révolutionnaire a cartographié le génome et l’architecture chromosomique 3D d’un mammouth laineux vieux de 52 000 ans, révélant des détails sur son activité génétique et offrant de nouvelles perspectives pour la recherche sur la dé-extinction.
Une équipe internationale de chercheurs a assemblé le génome et les structures chromosomiques en 3D d'un mammouth laineux vieux de 52 000 ans. C'est la première fois qu'un tel exploit est réalisé pour un animal ancien ADN échantillon.
Les chromosomes fossilisés, qui sont environ un million de fois plus longs que la plupart des fragments d'ADN anciens, permettent de mieux comprendre comment le génome du mammouth était organisé dans ses cellules vivantes et quels gènes étaient actifs dans le tissu cutané d'où l'ADN a été extrait. Ce niveau de détail structurel sans précédent a été conservé parce que le mammouth a subi une lyophilisation peu après sa mort, ce qui signifie que son ADN a été préservé dans un état semblable à du verre.
Les résultats sont présentés aujourd'hui (11 juillet) dans la revue Cellule.
Une photo d'un pied de mammouth dans un environnement de pergélisol. Crédit : Love Dalen
Progrès dans l'architecture génomique
« Il s’agit d’un nouveau type de fossile, et sa taille éclipse celle des fragments d’ADN anciens individuels – un million de fois plus de séquences », explique l’auteur correspondant Erez Lieberman Aiden, directeur du Centre d’architecture du génome au Baylor College of Medicine. « C’est aussi la première fois qu’un caryotype de quelque sorte que ce soit a été déterminé pour un échantillon ancien. »
Connaître l’architecture tridimensionnelle d’un génome fournit de nombreuses informations supplémentaires au-delà de sa séquence, mais la plupart des spécimens d’ADN anciens sont constitués de très petits fragments d’ADN brouillés. En s’appuyant sur ses travaux de cartographie de la structure 3D du génome humain, Aiden a pensé que si l’on parvenait à trouver le bon échantillon d’ADN ancien – un échantillon dont l’organisation 3D des fragments serait encore intacte – il serait possible d’utiliser les mêmes stratégies pour assembler des génomes anciens.
Conservation de l'ADN sans précédent
Les chercheurs ont testé des dizaines d’échantillons sur une période de cinq ans avant de tomber sur un mammouth laineux exceptionnellement bien conservé, exhumé dans le nord-est de la Sibérie en 2018. « Nous pensons qu’il s’est spontanément lyophilisé peu après sa mort », explique l’auteure correspondante Olga Dudchenko du Center for Genome Architecture du Baylor College of Medicine. « L’architecture nucléaire d’un échantillon déshydraté peut survivre pendant une période incroyablement longue. »
Pour reconstituer l'architecture génomique du mammouth, les chercheurs ont extrait l'ADN d'un échantillon de peau prélevé derrière l'oreille de l'animal. Ils ont utilisé une méthode appelée Hi-C qui leur permet de détecter les sections d'ADN susceptibles d'être à proximité spatiale et d'interagir les unes avec les autres dans leur état naturel dans le noyau.
Aperçu de la génétique du mammouth laineux
« Imaginez que vous avez un puzzle de trois milliards de pièces, mais que vous n’avez pas l’image du puzzle final sur laquelle travailler », explique l’auteur correspondant Marc A. Marti-Renom, professeur de recherche à l’ICREA et génomique structurale au Centre national d’analyse génomique (CNAG) et au Centre de régulation génomique (CRG) de Barcelone. « Hi-C vous permet d’avoir une approximation de cette image avant de commencer à assembler les pièces du puzzle. »
Ils ont ensuite combiné les informations physiques issues de l'analyse Hi-C avec le séquençage de l'ADN pour identifier les sections d'ADN en interaction et créer une carte ordonnée du génome du mammouth, en utilisant les génomes des éléphants actuels comme modèle. L'analyse a révélé que les mammouths laineux avaient 28 chromosomes, soit le même nombre que les éléphants d'Asie et d'Afrique actuels. Fait remarquable, les chromosomes fossilisés du mammouth ont également conservé une grande quantité d'intégrité physique et de détails, notamment la échelle nanométrique boucles qui mettent en contact les facteurs de transcription avec les gènes qu’ils contrôlent.
En examinant la compartimentation des gènes au sein du noyau, les chercheurs ont pu identifier les gènes actifs et inactifs dans les cellules cutanées du mammouth, un indicateur de l'épigénétique ou de la transcriptomique. Les cellules cutanées du mammouth présentaient des schémas d'activation génétique distincts de ceux des cellules cutanées de son plus proche parent, l'éléphant d'Asie, y compris pour les gènes potentiellement liés à sa laine et à sa tolérance au froid.
Conséquences pour les efforts de lutte contre l’extinction
« Pour la première fois, nous disposons d’un tissu de mammouth laineux dont nous savons approximativement quels gènes étaient activés et quels gènes étaient désactivés », explique Marti-Renom. « Il s’agit d’un type de données extraordinairement nouveau, et c’est la première mesure de l’activité génique spécifique à une cellule dans un échantillon d’ADN ancien. »
Bien que la méthode utilisée dans cette étude repose sur des fossiles exceptionnellement bien préservés, les chercheurs sont optimistes quant au fait qu’elle pourrait être utilisée pour étudier d’autres spécimens d’ADN anciens – des mammouths aux momies égyptiennes – ainsi que des spécimens de musée plus récemment préservés.
Pour les mammouths, les prochaines étapes consisteront à examiner les schémas épigénétiques d’autres tissus. « Ces résultats ont des conséquences évidentes pour les efforts actuels visant à éliminer l’espèce », explique l’auteur correspondant M. Thomas Gilbert, paléogénomicien à l’Université de Copenhague et à l’Université norvégienne des sciences et technologies.
Cette recherche a été financée par le Instituts nationaux de la santéla National Science Foundation, la Fondation Welch, le McNair Medical Institute, la Fondation binationale américano-israélienne pour la science, le ministère espagnol de la Science et de l'Innovation, le Conseil européen de la recherche, le Conseil suédois de la recherche et l'Union européenne.
