Objectifs

• Savoir ce qu'est un génome et pourquoi deux génomes diffèrent.
• Comparer des séquences d'ADN : compter les différences, construire une matrice des distances et un arbre de parenté.
• Comprendre le principe de l'horloge moléculaire.
• Expliquer comment on obtient de l'ADN fossile et ce qu'il révèle (Néandertal, Dénisova, origine africaine d'Homo sapiens).

1. Le génome, un texte qui change peu à peu

Notions clés

• Le génome est l'ensemble de l'ADN d'un individu. Il s'écrit avec quatre « lettres », les nucléotides A, T, C et G. Le génome humain compte environ 3 milliards de paires de nucléotides (Projet génome humain, 2003).
• Une mutation est une modification de la séquence (par exemple un nucléotide remplacé par un autre). Si elle touche les cellules reproductrices, elle est transmise aux descendants.
• Plus deux lignées sont séparées depuis longtemps, plus elles ont accumulé de mutations différentes : le nombre de différences entre deux génomes renseigne donc sur leur degré de parenté.
• Deux êtres humains actuels pris au hasard ont des génomes identiques à environ 99,9 % (NHGRI, institut américain de recherche sur le génome).

2. Comparer des séquences et construire un arbre

La méthode

1. Aligner les séquences : on les place l'une sous l'autre, position par position.
2. Compter les différences pour chaque paire de séquences.
3. Ranger ces nombres dans une matrice des distances (un tableau à double entrée).
4. Construire l'arbre de parenté : on relie d'abord les deux séquences les plus proches, puis on rattache les autres par distance croissante.

Exemple résolu 1 : un petit fragment d'ADN

Voici un fragment fictif de 20 nucléotides, simplifié pour l'exercice :

• Humain actuel A : ATGCCGTTAGCATGACCTGA
• Humain actuel B : ATGCCGTTAGCATGACCTGG
• Néandertal : ATGCTGTTAGCATGTCCTGA
• Chimpanzé : ATACTGTCAGCGTGTCCTGA

Compte les différences entre chaque paire et remplis la matrice. Cherche d'abord.

Construire l'arbre pas à pas

3. L'horloge moléculaire

Notions clés

Si les différences s'accumulent à un rythme moyen constant \(v\) (en différences par million d'années), alors le temps écoulé depuis la séparation de deux lignées vaut :

où \(d\) est le nombre de différences observées. Le rythme \(v\) est calibré grâce à des fossiles bien datés.

Fais varier la vitesse \(v\) : à nombre de différences égal, une horloge plus rapide donne une séparation plus récente.

Exemple résolu 2 : dater une séparation

Sur un gène donné, on suppose (donnée de l'exercice) que les lignées accumulent \(v = 2\) différences par million d'années. On observe \(d = 13\) différences entre l'humain et le chimpanzé. Depuis combien de temps les lignées sont-elles séparées ? Cherche d'abord.

4. L'ADN fossile : lire les génomes disparus

Les difficultés

• Après la mort, l'ADN se fragmente en morceaux très courts et certaines lettres sont altérées.
• Il est souvent contaminé par l'ADN de bactéries ou des chercheurs qui manipulent l'os.
• Il se conserve mieux au froid et au sec : c'est pourquoi on retrouve plus facilement de l'ADN ancien en Europe ou en Sibérie que dans les régions chaudes et humides.

Grâce au séquençage à haut débit, l'équipe de Svante Pääbo a publié en 2010 une première version du génome de Néandertal. Ces travaux lui ont valu le prix Nobel de médecine en 2022.

Ce que révèlent les génomes fossiles

flowchart LR
A[Homo sapiens en Afrique] --> B[Sortie d Afrique]
B --> C[Rencontre avec Neandertal]
C --> D[Europe et Asie]
D --> E[Rencontre avec Denisova]
E --> F[Oceanie]

• Origine africaine : la plus grande diversité génétique humaine actuelle se trouve en Afrique, signe que notre espèce y vit depuis le plus longtemps. Les plus anciens fossiles d'Homo sapiens connus, à Jebel Irhoud (Maroc), sont datés d'environ 300 000 ans (Hublin et collègues, revue Nature, 2017).
• Métissages avec Néandertal : les populations actuelles non africaines portent environ 1 à 2 % d'ADN néandertalien. Les populations d'Afrique subsaharienne en portent très peu : le métissage a surtout eu lieu après la sortie d'Afrique.
• Dénisova : une phalange découverte dans la grotte de Denisova (Sibérie) a livré le génome d'un groupe humain inconnu jusque-là, identifié uniquement grâce à son ADN (2010). Certaines populations d'Océanie en ont hérité quelques pour cent de leur génome.

Exemple résolu 3 : interpréter un résultat

Des chercheurs trouvent un fragment d'ADN néandertalien chez un habitant actuel d'Europe, mais pas chez un habitant actuel de Ouagadougou. Comment l'expliquer ? Cherche d'abord.

Erreurs fréquentes

• Dire que « l'homme descend du singe actuel » au lieu de « l'homme et le chimpanzé partagent un ancêtre commun ».
• Oublier d'aligner les séquences avant de compter les différences.
• Confondre nombre de différences et pourcentage de différences.
• Penser que l'horloge moléculaire donne une date exacte : c'est une estimation qui dépend de la calibration.
• Croire que l'ADN fossile est aussi facile à lire que celui d'un être vivant.

Récapitulatif

Les génomes accumulent des mutations au fil des générations. En alignant des séquences et en comptant les différences, on construit une matrice des distances puis un arbre de parenté. L'horloge moléculaire \(t = \dfrac{d}{v}\) estime la date des séparations. L'ADN fossile, fragmenté et contaminé mais lisible grâce au séquençage moderne, montre l'origine africaine d'Homo sapiens et ses métissages avec Néandertal et Dénisova.