Les populations humaines ont augmenté et diminué au cours des millénaires, certaines cultures explosant et migrant vers de nouvelles régions ou de nouveaux continents, d’autres tombant à un nombre si faible que leur diversité génétique s’est effondrée. Dans certaines petites populations, la consanguinité fait que des maladies génétiques autrefois rares deviennent courantes, malgré leurs effets délétères.
Une nouvelle analyse de plus de 4 000 génomes humains anciens et contemporains montre à quel point de tels « événements fondateurs » étaient courants dans notre histoire. Un événement fondateur se produit lorsqu’un petit nombre d’individus ancestraux donne naissance à une grande fraction de la population, souvent parce que la guerre, la famine ou la maladie ont réduit drastiquement la population, mais aussi à cause de l’isolement géographique – ; sur les îles, par exemple – ; ou des pratiques culturelles, comme chez les Juifs ashkénazes ou les Amish.
Plus de la moitié des 460 groupes représentés par ces individus avaient connu un goulot d’étranglement démographique quelque part dans leur passé qui a diminué leur diversité génétique et a probablement augmenté l’incidence des maladies héréditaires récessives.
L’analyse des généticiens des populations de l’Université de Californie à Berkeley est le premier aperçu complet des événements fondateurs dans un large éventail de populations humaines au cours des 10 000 dernières années environ de l’histoire humaine et indique quand ces événements se sont produits.
Selon les auteurs, les découvertes seront utiles non seulement aux archéologues et aux historiens qui suivent le mouvement et le mélange des populations à travers le monde, mais aussi aux scientifiques et aux médecins qui étudient la variation génétique humaine. Les maladies génétiques des populations consanguines ont aidé les scientifiques à trouver de nombreuses mutations pathogènes dans le génome humain et à découvrir les causes de nombreuses maladies génétiques et héréditaires.
Les données génomiques sont vraiment puissantes car elles nous disent non seulement d’où nous venons, mais aussi notre histoire à différentes échelles de temps, et vous pouvez voir à quel point différents individus sont étroitement liés les uns aux autres. Mais aussi, il nous parle de morceaux d’ADN qui sont importants sur le plan fonctionnel et peuvent causer des maladies. Ainsi, ils deviennent tout à fait importants pour étudier d’un point de vue biomédical. »
Priya Moorjani, auteur principal, professeur adjoint de biologie moléculaire et cellulaire, UC Berkeley
De nombreuses populations représentées par les individus de l’échantillon étaient ou sont beaucoup plus consanguines que les juifs ashkénazes de souche, que certains scientifiques ont estimés autrefois à une population de moins de quelques milliers d’individus il y a environ 1000 ans. Les Onge, un groupe des îles Andaman de l’océan Indien, ont subi un goulot d’étranglement démographique 10 fois plus extrême que celui des juifs ashkénazes, et ne comptent aujourd’hui qu’une centaine d’individus.
Les chercheurs ont découvert que de nombreuses populations et groupes amérindiens d’Océanie et d’Asie du Sud souffraient également de graves goulets d’étranglement démographiques. Certains coïncident avec des événements historiques connus – ; par exemple, les habitants de Rapa Nui (île de Pâques) ont subi un événement fondateur il y a environ 260 ans, coïncidant avec la migration des Européens vers l’île.
D’autres sont bien corrélés avec le mouvement connu des peuples dans une région et avec l’évolution des artefacts et des pratiques culturelles. Par exemple, les agriculteurs anatoliens et les pasteurs des steppes eurasiennes se sont installés en Europe il y a environ 4 000 à 10 000 ans, et les groupes se sont mêlés aux chasseurs-cueilleurs européens existants.
« La première surprise a été que plus de la moitié des groupes que nous avons interrogés avaient des preuves d’événements fondateurs », a déclaré Moorjani. « Ainsi, il n’y a pas que les Juifs ashkénazes ou les Finlandais qui ont une histoire unique, mais de nombreuses populations vivant aujourd’hui ont connu des événements fondateurs forts – ; en fait, des événements fondateurs plus forts que ces deux groupes, comme plusieurs groupes sud-asiatiques contemporains, chasseurs-cueilleurs ou populations vivant sur les îles. Et beaucoup de ces groupes seraient vraiment importants pour prioriser les études fonctionnelles. Nous avons tellement appris sur la variation génétique de groupes comme les Juifs ashkénazes et les Finlandais que le potentiel de découverte est vraiment élevé si nous pouvons étendre ces études à d’autres populations mondiales. »
Moorjani, l’ancienne UC Berkeley Gillian Chu et le premier auteur Rémi Tournebize, maintenant postdoctorant à l’Instituto Gulbenkian de Ciência à Oeiras, au Portugal, ont publié leurs découvertes aujourd’hui (23 juin) dans la revue Génétique PLOS.
Travailler avec de l’ADN ancien incomplet
L’analyse a été rendue possible par un programme d’analyse génomique appelé ASCEND (Allele Sharing Correlation for the Estimation of Non-equilibrium Demography), qui a été créé par Tournebize et Moorjani spécifiquement pour analyser des séquences partielles du génome – ; en particulier, l’ADN ancien. Cet ADN est généralement séquencé à partir d’os ou de dents qui ont des centaines ou des milliers d’années et représentent non seulement notre Homo sapiens ancêtres, mais d’autres groupes humains, comme les Néandertaliens et les Denisoviens.
Cet ADN est généralement endommagé de sorte que seule une partie du génome de l’individu peut être séquencée. Mais puisque les génomes humains contiennent environ 3 milliards de paires de bases d’ADN, même à peine 100 000 paires de bases peuvent fournir des informations sur l’héritage de cette personne, a déclaré Moorjani. De nombreux programmes d’analyse du génome ne fonctionnent aujourd’hui qu’avec des séquences génomiques presque complètes, principalement de peuples contemporains.
« Bien que l’ADN ancien soit vraiment puissant, l’un des défis est qu’il a une qualité bien inférieure à celle des données des personnes vivantes, car une fois qu’un individu meurt, l’ADN commence à se dégrader, et il est très difficile de récupérer des données de très haute qualité par rapport au présent. individus du jour », a déclaré Moorjani. « Mais la majorité des méthodes d’inférence démographique sont construites en pensant que vous pouvez obtenir un grand nombre d’échantillons de populations et des données de haute qualité sur le génome. Nos méthodes ont été développées pour tirer parti de cet ADN à faible couverture et hautement dégradé pour vraiment comprendre notre évolution l’histoire. »
ASCEND mesure le partage de l’ADN entre les individus au sein et entre les populations. Lorsqu’une population subit un événement fondateur, sa taille se réduit à quelques individus. La progéniture de ces individus fondateurs, à son tour, partage de longs blocs dans leur génome qui sont hérités « identiques par descendance » de ces quelques ancêtres. Au fil du temps, ces blocs deviendront plus petits en raison des événements croisés qui se produisent pendant la méiose, lorsque les chromosomes se dupliquent et se mélangent avant de se séparer en ovules et en spermatozoïdes. Le taux de croisements est bien caractérisé et fournit une sorte d’horloge moléculaire. Le programme ASCEND compare la taille des blocs partagés au sein des individus d’une population pour déduire quand les individus pourraient avoir partagé un ancêtre commun, c’est-à-dire quand un événement fondateur s’est produit dans l’histoire de la population. Une comparaison statistique à grande échelle et par paires de l’ADN génomique permet une estimation du moment et de l’intensité du goulot d’étranglement.
Les données sur le génome proviennent de Allen Ancient DNA Resource, une base de données créée par David Reich et des collaborateurs de l’Université de Harvard, avec qui Moorjani a obtenu son doctorat. La base de données publique comprend actuellement les génomes actuels et anciens disponibles de plus de 14 000 individus et plus d’un million de mutations ou variantes communes – ; les polymorphismes mononucléotidiques, ou SNP – ; dans ces séquences d’ADN. Au moment où Moorjani a commencé son étude, la base de données contenait moins de génomes anciens et modernes. Elle et Tournebize se sont concentrés sur les génomes de 2 310 individus actuels de 184 groupes, puis ont élargi leur étude pour examiner 1 947 individus supplémentaires représentant 164 populations anciennes dans le monde.
« En appliquant cette méthode, nous avons découvert des événements fondateurs qui n’avaient pas été identifiés auparavant, par exemple, dans les populations de l’ancien Maroc ou de la Sibérie », a déclaré Tournebize. « En tant que Français, j’ai été vraiment surpris de découvrir un événement fondateur chez les Basques, daté d’environ le 1er siècle avant notre ère et peut-être lié à la colonisation romaine de cette région. Nous aurons besoin de plus de données génétiques, en particulier à partir d’échantillons anciens, et de collaboration avec des spécialistes des sciences sociales pour comprendre les événements historiques détaillés qui pourraient être associés à ce goulot d’étranglement. »
Pour tester le programme ASCEND sur d’autres espèces, Moorjani et Tournebize se sont tournés vers les chiens. Les séquences du génome d’environ 40 races de chiens modernes sont disponibles, de sorte que les chercheurs les ont parcourues à travers le programme pour déterminer depuis combien de temps des événements fondateurs se sont produits dans des races allant des chiens de village africains – ; le moins consanguin – ; aux races comme les boxers, dobermans et rottweilers, les plus consanguines. Conformément à l’établissement de nombreuses races de chiens à l’époque victorienne, ils ont confirmé des événements fondateurs extrêmes dans la plupart des races au cours des 25 dernières générations, soit 75 à 125 ans.
« Les chiens sont si intéressants qu’il était excitant d’étendre l’analyse à une autre espèce, mais c’était vraiment triste de voir à quel point les événements fondateurs sont forts », a-t-elle déclaré. « De nos jours, la plupart des chiens ont tellement plus de problèmes que les chiens de village. Leurs taux de cancers et de maladies congénitales sont assez élevés. Et c’est en grande partie à cause de ces événements fondateurs très graves dans leur histoire lors de la formation de la race. »
Mélange de population
Dans un autre article récent, Moorjani et ses collègues ont décrit un programme d’analyse génomique différent qui analyse le génome d’un seul individu, qu’il soit complet ou partiel, et estime la quantité de mélange d’autres populations au fil du temps. Les chercheurs ont utilisé ce programme, appelé DATES (Distribution of Ancestry Tracts of Evolutionary Signals), pour analyser environ 1 100 génomes anciens et reconstruire les principaux événements de flux de gènes en Europe depuis environ 10 000 avant notre ère.
Une découverte surprenante a été que les génomes des agriculteurs anatoliens, qui vivaient dans ce qui est aujourd’hui la Turquie, montrent un mélange de gènes d’agriculteurs néolithiques iraniens bien avant l’avènement de l’agriculture en Anatolie. Cela suggère que l’agriculture n’est pas originaire d’Anatolie, comme l’ont suggéré de nombreux archéologues.
« Nous avions des échantillons de chasseurs-cueilleurs anatoliens qui n’ont pas d’ascendance iranienne et des échantillons de premiers agriculteurs anatoliens qui ont une ascendance iranienne, mais nous ne savions pas quand ce mélange s’est produit », a-t-elle déclaré. « Dans notre cas, nous avons pu déterminer le moment clé de la formation de ce groupe, qui est antérieur à l’agriculture dans la région. Et sur cette base, nous sommes en mesure de dire que l’agriculture doit s’être propagée par la diffusion culturelle, plutôt que d’avoir originaire d’Anatolie. »
Une autre découverte a été le moment de la formation des pasteurs des steppes de l’âge du bronze. Ces groupes ont eu un impact important, à la fois génétique et démographique, en Eurasie à l’âge du bronze et, selon certaines études, sont responsables de la diffusion des langues indo-européennes. Des études archéologiques suggèrent que ces groupes ont habité des régions de la steppe dans la Russie et l’Ukraine actuelles de 3 300 à 2 600 avant notre ère. En utilisant la méthode de datation génétique, les chercheurs ont découvert que ces groupes étaient génétiquement formés entre 4 400 et 4 000 avant notre ère, précédant les découvertes précédentes de plus d’un demi-millénaire.
« Notre étude met l’accent sur la puissance de la datation des mélanges et de la formation des populations, plutôt que d’utiliser simplement un échantillonnage temporel et de suivre la présence ou l’absence d’une ascendance particulière dans des échantillons anciens, ce qui dépend fortement du choix et de la densité d’échantillonnage », a déclaré Manjusha, boursier postdoctoral de l’UC Berkeley. Chintalapati, premier auteur de l’article.
Moorjani prévoit d’utiliser ASCEND et DATES pour examiner de plus près de nombreuses populations anciennes, en particulier celles de l’Inde, qui ont de forts événements fondateurs qui suggèrent la possibilité de nombreuses maladies récessives non reconnues qui pourraient aider à réduire le fardeau de la maladie dans le groupe et faire la lumière sur les fonctions de base des gènes humains.
« Dans notre analyse, nous constatons que 64% des populations sud-asiatiques ont des événements fondateurs très forts, nous essayons donc de faire une collecte d’échantillons ciblée dans ces groupes pour caractériser certaines des variantes délétères dues aux événements fondateurs », a-t-elle déclaré.
DATES, par exemple, suggère que chaque population isolée en Asie du Sud a des mélanges de chasseurs-cueilleurs indigènes locaux, d’agriculteurs du Proche-Orient et d’éleveurs ou d’éleveurs des steppes, mais dans des proportions différentes qui sont restées les mêmes pendant plusieurs centaines de générations. Étonnamment, la plupart des populations européennes tirent également leur ascendance de trois groupes similaires, bien que les groupes aient continué à se mélanger librement après le mélange initial.
« C’est vraiment excitant de faire ce travail à Berkeley, où le laboratoire d’Allan Wilson a eu l’idée d’une horloge moléculaire, et de continuer sur sa voie pour utiliser les données génomiques pour en savoir plus sur le moment de différents événements évolutifs », a déclaré Moorjani, faisant référence à au regretté biochimiste et pionnier de l’évolution moléculaire, décédé en 1991.
Les deux études ont été financées par le Burroughs Wellcome Fund, une bourse de recherche Sloan et les National Institutes of Health (R35GM142978).
