Une étude collaborative a permis de découvrir des structures chromosomiques anciennes préservées chez un mammouth laineux vieux de 52 000 ans, offrant des informations sans précédent sur sa génétique et les conditions qui ont permis une telle préservation, établissant des parallèles avec les techniques de lyophilisation des aliments.
Une avancée technologique permet désormais d’assembler les génomes d’espèces disparues.
Une équipe de scientifiques du Baylor College of Medicine, de l'Université de Copenhague, du Centre national d'analyse génomique et du Centre de régulation génomique ont découvert des fossiles de chromosomes anciens dans les restes d'un mammouth laineux mort il y a 52 000 ans. Ces fossiles préservent la structure des chromosomes anciens à l'échelle nanométrique, soit des milliardièmes de mètre. La découverte est présentée sur la couverture du magazine Cellule.
« Nous savons que de minuscules fragments d’anciens ADN « Les chromosomes peuvent survivre pendant de longues périodes », a déclaré le Dr Marcela Sandoval-Velasco du Centre d’hologénomique évolutive de l’Université de Copenhague et co-auteur principal de la nouvelle étude. « Mais ce que nous avons trouvé ici est un échantillon où la disposition tridimensionnelle de ces fragments d’ADN a été gelée en place pendant des dizaines de millénaires, préservant ainsi la structure de l’ensemble du chromosome. »
Des outils révolutionnaires pour la recherche génétique
Les chromosomes fossiles constituent un outil puissant pour étudier l’histoire de la vie sur Terre. En effet, les fragments d’ADN anciens typiques dépassent rarement 100 paires de bases, soit 100 lettres du code génétique, ce qui est bien plus petit que la séquence d’ADN complète d’un organisme, qui compte souvent des milliards de lettres. En revanche, les chromosomes fossiles peuvent s’étendre sur des centaines de millions de lettres génétiques.
« En comparant les molécules d’ADN anciennes aux séquences d’ADN des espèces« Il est possible de trouver des cas où des lettres isolées du code génétique ont changé », a déclaré la co-première auteure et co-auteure correspondante, la Dre Olga Dudchenko, professeure adjointe de génétique moléculaire et humaine au Centre d'architecture du génome du Baylor College of Medicine et chercheuse principale au Centre de physique biologique théorique de l'Université Rice. « Les chromosomes fossiles changent la donne, car la connaissance de la forme des chromosomes d'un organisme permet d'assembler la séquence d'ADN entière de créatures éteintes. Cela permet d'obtenir des informations qui n'auraient pas été possibles auparavant. »
Les chromosomes fossiles provenant d’un mammouth, l’une des premières choses que l’équipe a faites a été de déterminer le nombre de chromosomes que possédait le mammouth laineux. « Nous avons découvert qu’ils avaient 28 paires de chromosomes, ce qui est tout à fait logique, car c’est ce que possèdent les éléphants modernes, et ils sont les plus proches parents vivants du mammouth laineux », a déclaré le Dr Juan Antonio Rodríguez, co-premier auteur de l’étude et chercheur à l’Université de Copenhague et au Centre national d’analyse génique de Barcelone, en Espagne. « C’était extrêmement passionnant de pouvoir compter pour la première fois les chromosomes d’une créature éteinte. Il n’est généralement pas possible de s’amuser autant en comptant simplement de 1 à 28. »
Un aperçu de la génétique des mammouths
En examinant les chromosomes fossiles, issus de la peau du mammouth, il a été possible de voir quels gènes étaient actifs. Cela est dû à un phénomène appelé compartimentation chromosomique – le fait que l’ADN actif et inactif tendent à se séparer en deux quartiers spatiaux à l’intérieur du noyau cellulaire. Pour la plupart des gènes, l’état d’activité correspond à ce que les chercheurs ont observé dans la peau d’éléphant moderne. Mais pas toujours.
« La question évidente qui se posait à nous était : pourquoi s’agit-il d’un « mammouth laineux » ? Pourquoi n’est-ce pas un « mammouth incroyablement chauve » ? », a déclaré le Dr Thomas Gilbert, directeur du Centre d’hologénomique et coauteur correspondant de l’étude. « Le fait que la compartimentation ait été préservée dans ces fossiles était essentiel, car cela a permis de voir, pour la toute première fois, quels gènes étaient actifs chez un mammouth laineux. Et il s’avère qu’il existe des gènes clés qui régulent le développement des follicules pileux dont le modèle d’activité est totalement différent de celui des éléphants. »
Les chercheurs ont observé bien plus qu’une simple compartimentation dans la forme de ces chromosomes anciens. En fait, ces chromosomes partageaient de nombreuses caractéristiques structurelles avec les chromosomes modernes. La plus spectaculaire de ces caractéristiques était aussi la plus minuscule : des boucles de chromatine, des structures aussi petites que 50 nm que l’équipe de Baylor avait cartographiées chez l’homme, pour la première fois, il y a seulement 10 ans.
« La survie des boucles dans ces chromosomes anciens est peut-être la partie la plus impressionnante », a déclaré Marc A. Marti-Renom, professeur de recherche à l'ICREA, co-auteur correspondant de l'étude et chef de groupe au Centre national d'analyse génomique et au Centre de régulation génomique, tous deux à Barcelone, en Espagne. « Les boucles d'ADN, qui ne mesurent que 50 nanomètres, sont importantes car elles rapprochent les séquences d'ADN activatrices de leurs cibles génétiques. Ainsi, ces fossiles ne nous montrent pas seulement quels gènes étaient actifs, ils nous montrent pourquoi. »
Mais les chercheurs se sont retrouvés face à une énigme : comment les fragments d’ADN des chromosomes anciens ont-ils pu survivre pendant 52 000 ans en conservant intacte leur structure tridimensionnelle ? Après tout, en 1905 – son « annus mirabilis » ou « année miracle » – Albert Einstein a publié un article classique calculant la vitesse à laquelle de petites particules, comme des morceaux d’ADN, ont tendance à se déplacer dans une substance. « Les travaux d’Einstein font une prédiction très simple à propos des fossiles de chromosomes : dans des circonstances ordinaires, ils ne devraient pas exister », a déclaré Dudchenko. « Et pourtant : ils sont là. C’était un mystère de physique ! »
Résoudre une énigme préhistorique
Pour expliquer cette apparente contradiction, les chercheurs ont réalisé que les fossiles de chromosomes étaient dans un état très particulier, très proche de celui des molécules du verre. « Le chromoglass ressemble beaucoup au verre de votre fenêtre : il est rigide, mais ce n’est pas un cristal ordonné », explique le Dr Erez Lieberman Aiden, coauteur correspondant de l’étude, directeur du Center for Genome Architecture et professeur au Baylor College of Medicine. « Si vous zoomez sur les particules individuelles, un morceau de verre – ou un morceau de chromoglass – est en fait un embouteillage à l’échelle nanométrique, pare-chocs contre pare-chocs, dans un monde sans marquage au sol. Les particules individuelles, ou les fragments individuels d’ADN ancien, ne peuvent tout simplement pas se déplacer très loin dans cette situation. Même si vous attendez des milliers et des milliers d’années. »
L’idée que les restes de mammouths, découverts en 2018 dans le pergélisol sibérien, aient été conservés dans un état vitreux n’est pas si farfelue. Sans s’en rendre compte, de nombreuses civilisations ont développé des moyens d’induire une « transition vitreuse » dans leurs aliments afin de les conserver, généralement par une combinaison de refroidissement et de déshydratation. Cela a donné naissance à des aliments, comme les chips de tortilla et le bœuf séché, qui sont plus cassants que l’aliment d’origine, mais qui se conservent beaucoup plus longtemps. Et c’est pourquoi la transition vitreuse est devenue un concept clé pour les scientifiques alimentaires modernes. Les chercheurs ont essentiellement découvert que les fossiles de chromosomes avaient été piégés à l’intérieur d’un morceau de viande séchée de mammouth laineux lyophilisée.
« Nous avons confirmé cette théorie en effectuant des expériences sur de la viande de bœuf séchée et lyophilisée, qui est beaucoup plus facile à trouver que celle de mammouth laineux », explique le Dr Cynthia Pérez Estrada, co-auteure principale de l’étude et chercheuse au Center for Genome Architecture et au Center for Theoretical Biological Physics de l’université Rice. « Nous avons tiré dessus avec un fusil de chasse. Nous l’avons écrasé avec une voiture. Nous avons demandé à un ancien lanceur partant des Astros de Houston de lui lancer une balle rapide. À chaque fois, la viande séchée s’est brisée en petits morceaux, se brisant comme du verre. Mais à l’échelle nanométrique, les chromosomes étaient intacts, inchangés. C’est la raison pour laquelle ces fossiles ont pu survivre. C’est la raison pour laquelle ils étaient là, 52 000 ans plus tard, attendant simplement que nous les trouvions. »
Pour en savoir plus sur cette étude, voir Dévoiler le génome du mammouth laineux grâce à une technologie ADN révolutionnaire.
