Paléogénomique des périodes très anciennes et limites de la survie de l’ADN 

Résumé

Bien que la plupart des études anciennes sur l’ADN se soient concentrées sur les 50 000 dernières années, les approches paléogénomiques peuvent désormais atteindre le début du Pléistocène, une époque de changements environnementaux répétés qui ont façonné la biodiversité actuelle. Les transects génomiques émergents des temps reculés, notamment à partir de l'ADN conservé dans les sédiments, permettront de déduire une évolution adaptative, la découverte d'espèces non reconnues et l'exploration de la façon dont les glaciations, le volcanisme et les inversions paléomagnétiques ont façonné la démographie et la composition des communautés. Dans cette revue, nous explorons ce qu’on arrive à faire aujourd’hui’hui en paléogénomique et discutons des principaux défis, notamment les limitations techniques, les divergences évolutives et les biais associés, ainsi que la nécessité d'une datation plus précise des restes et des sédiments. Nous concluons qu’en améliorant les méthodes de laboratoire et informatiques, le domaine émergent de la paléogénomique des époques très lointaines élargira l'éventail des questions pouvant être résolues à l'aide de l'ADN ancien.

 

L’époque du Pléistocène [ il y a environ de 2,6 millions d’années (Ma) à 11 700 ans (ka) ] a été une période de bouleversements environnementaux considérables qui ont façonné la répartition mondiale actuelle de la biodiversité. Les changements environnementaux au cours du Pléistocène comprenaient des fluctuations cycliques des températures mondiales et des régimes de précipitations, des avancées et des récessions des calottes glaciaires des hautes latitudes et des changements substantiels du niveau de la mer, ainsi qu'un volcanisme à grande échelle, des inversions paléomagnétiques et la propagation mondiale de l'homme (1). Ces événements ont modifié les habitats du monde entier, entraînant des changements dans la disponibilité des ressources et la composition des communautés écologiques.

Les riches archives fossiles du Pléistocène ont joué un rôle déterminant pour tester les hypothèses sur la corrélation entre ces changements environnementaux et la dynamique de la biodiversité, en particulier aux hautes latitudes où le climat froid favorise la préservation des fossiles. Cela est particulièrement vrai pour le Pléistocène supérieur (126 à 11,7 ka), grâce aux inférences très fines permises par l'ADN ancien conservé dans des fossiles datant de cette période. De telles inférences ont permis de mieux comprendre le renouvellement de la population (2, 3, 4) et le flux génétique interspécifique (5) – processus invisibles pour les techniques paléontologiques traditionnelles – et ont montré que les tendances démographiques des grands mammifères suivent de près l’habitat disponible (6).

Les progrès techniques dans la récupération de l’ADN ont étendu la capacité de faire ces déductions en avançant plus profondément dans le Pléistocène. L’ADN d’os et de dents vieux de plusieurs centaines de milliers d’années (7, 8, 9) et de plus d’un million d’années (10) a désormais été récupéré et analysé (Fig. 1). De tels paléogénomes très anciens, que nous considérons ici comme faisant référence à des génomes assemblés à partir d'organismes ayant vécu pendant ou avant le Pléistocène moyen, c'est-à-dire > 126 ka, sont encore rares car les processus post-mortem conduisent à une dégradation des molécules d'ADN en fragments de plus en plus petits, ce qui rend la récupération de l'ADN plus difficile avec l'âge. L'ADN du Pléistocène inférieur et moyen a cependant été récupéré à partir de restes et de sédiments dans le pergélisol des hautes latitudes (10, 11, 12, 14) et dans les grottes des basses latitudes (15, 16), ce qui suggère que la génomique de ces temps très reculés est réalisable dans des environnements de préservation idéaux. Nous explorons ici l’état actuel de la recherche en paléogénomique de ces temps reculés, les principaux obstacles empêchant une adoption plus large et les questions scientifiques que la paléogénomique de ces temps très anciens peut résoudre.

 

La plupart des études d’ADN anciens datent des 50 derniers ka et du cycle glaciaire le plus récent. La courbe climatique est basée sur les mesures de l'oxygène δ18 benthique [ par mil ; Pile LR04 de (42) ]. Les données d'ADN ancien sédimentaire proviennent de AncientMetagenomeDir (v23.06.0) (57) et (58), les enregistrements de métabarcodes datant de plus d'un million d'années étant exclus. Les données paléogénomiques sont disponibles auprès de (59). Les paléogénomes âgés de plus de 100 ka sont annotés d'une silhouette du taxon étudié, les paléogénomes des temps très anciens comprenant un bison des steppes de 130 ka (36) ; Lemming à collier de 330 ka (40) ; Ours des cavernes de 360 ka (9) ; Ours des cavernes et hominidés de 430 ka (35, 60) ; Cheval de 700 ka (8) ; et mammouths de 700 ka, 1,1-Ma et 1,2-Ma (10). LP, Pléistocène supérieur ; IG, Interglaciaire ; G, Glaciaire. Les silhouettes proviennent de PhyloPic https://beta.phylopic.org/ , sont dans le domaine public et sont à créditer à Zimices (mammouth, deux bisons) et Robert Bruce Horsfall (cheval)

Persistance de l'ADN dans les temps très anciens 

L’ADN ne survit pas indéfiniment, mais il survit beaucoup plus longtemps que ne le prédisaient les premiers modèles. En 1993, Lindahl estimait que la dépurination hydrolytique conduirait à une dégradation complète des molécules d'ADN en plusieurs dizaines de milliers d'années (17). Cette limite a depuis été dépassée et l'ADN est régulièrement récupéré à partir de restes et de sédiments datant des 100 derniers ka. En septembre 2023, le paléogénome reconstruit le plus ancien provenait d'un mammouth préservé dans le pergélisol datant d'entre 1 et 2 Ma (10) et l'ADN isolé le plus ancien provenait d'un sédiment d'environ 2 Ma du nord du Groenland (11). Cependant, l’âge maximum des molécules d’ADN récupérables et utiles – celles qui sont suffisamment longues pour conserver des informations – reste incertain.

L'ADN commence à se dégrader immédiatement après la mort de l'organisme, initialement par l'activité des nucléases microbiennes et endogènes (Fig. 2). Dans l’ADN nucléaire, les brins sont clivés dans les régions labiles des complexes histones-ADN, ce qui entraîne une périodicité d’environ 10 bases dans la distribution des longueurs des molécules récupérées (18). Le principal mécanisme chimique de fragmentation de l’ADN est la dépurination hydrolytique. Ce processus élimine les bases adénine ou guanine, créant des sites abasiques qui peuvent être clivés par élimination β (19) (Fig. 2C) et conduisant à une surreprésentation des purines au niveau des cassures de brins (20) (Fig. 2E) et des vides intérieurs (21). La désamination hydrolytique, une autre forme courante de dommage chimique, convertit la cytosine en uracile et est observée sous forme de thymine dans les données de séquençage, ou « transitions C-to-T » (Fig. 2C). La désamination se produit principalement près des extrémités des brins et dans l'ADN simple brin (17, 21, 22) (Fig. 2E). La réticulation de l'ADN (19, 22) et les dommages oxydatifs (20, 23) se produisent également, mais sont observés moins fréquemment que la dépurination et la désamination. Ces modèles de dommages typiques peuvent être utilisés pour corroborer bioinformatiquement l’authenticité des séquences anciennes récupérées et, pour réduire leur impact sur la précision des séquences, elles peuvent être identifiées et supprimées des ensembles de données d’ADN anciens à l’aide d’approches bioinformatiques standard.

 

 

 

La récupération d’ADN de plus en plus vieux et endommagé est possible en partie grâce aux progrès techniques réalisés en laboratoire. Les anciennes méthodes d’isolement de l’ADN sont optimisées pour récupérer à la fois les molécules d’ADN courtes et les molécules contenant des coupures et des lacunes. Les molécules extraites sont préparées pour le séquençage en attachant des adaptateurs spécifiques à de l'ADN double brin ou à du simple brin. Les approches simple brin de préparation de bibliothèques génomiques (24, 25) convertissent de manière native l'ADN simple brin ainsi que l'ADN double brin et convertissent plus efficacement les molécules contenant des coupures et des lacunes par rapport aux approches double brin. Les extraits d'ADN sont également souvent traités avec l'ADN glycosylase et l'endonucléase VIII de l'uracile pour réduire les dommages causés par la désamination en éliminant les bases uracile (26). Bien que cette approche réduise les erreurs induites par les dommages dans les données de séquençage résultantes, elle coupe également le squelette de l'ADN au niveau des sites abasiques et raccourcit les molécules récupérées de 5 à 10 nucléotides (26). Les molécules d’ADN des temps très anciens sont déjà courtes – souvent < 35 bases (15) – et par conséquent cela peut réduire la proportion d’ADN endogène utile.

La nature courte de ces molécules d’ADN les rend sujettes à un alignement parasite et à des biais (27), compliquant l’assemblage et l’analyse du génome. Par exemple, les anciens ensembles de données sur l’ADN comprennent à la fois l’ADN endogène des organismes cibles et l’ADN exogène introduit. Ces catégories de molécules peuvent être séparées en identifiant chaque lecture via une affectation taxonomique, ce qui peut être problématique si l'organisme ancien n'a pas de parent vivant proche pour servir de référence génomique. L’absence de référence étroite, les biais de référence et les erreurs introduites par les dommages entraveront également la distinction de variantes et l’obtention d'un consensus dans l’interprétation. Les approches bioinformatiques atténuent ces défis en modélisant directement les dommages et/ou les biais de l'ADN dans le cadre du génotypage (28) ou en considérant uniquement les substitutions qui ne sont pas affectées par la désamination de la cytosine. Les génomes de référence peuvent également être modifiés pour créer des références artificiellement plus proches, comme une version « néanderthalisée » du génome humain de référence pour servir de référence à la cartographie aux lectures de génomes néandertaliens (29). Des génotypes vraisemblables plutôt que des génotypes stricto-senso peuvent également être utilisés lors de l'analyse en aval, bien que les méthodes analytiques basées sur l'imputation puissent être inappropriées pour les ensembles de données des temps très anciens si la diversité génomique ancienne n'est pas représentée dans les panels de référence existants.

Opportunités de recherche découlant de l’ADN des temps très anciens

Différentiation des espèces et évolution

La différentiation des espèces n'est pas toujours un simple processus de cladogenèse suivi d'un isolement reproductif. Au lieu de cela, les données modernes et paléogénomiques ont montré que l'hybridation interspécifique est étonnamment courante et peut-être due en partie à une redistribution répétée de l'habitat associée aux cycles glaciaires (5, 9, 10). Par exemple, les ours bruns et les ours polaires se sont hybridés au cours des périodes glaciaires et interglaciaires précédentes (30, 31) ainsi qu'à l'ère moderne. Récemment, des paléogénomes d’ours polaires et d’ours des cavernes datant de 360 ka ont révélé que tous les ours bruns vivants tirent une partie de leur ascendance d’un mélange avec ces autres lignées d’ours – des événements évolutifs qui étaient invisibles sans ces paléogénomes (9, 32). De même, un paléogénome de mammouth datant du Pléistocène inférieur a révélé que les mammouths colombiens (Mammuthus columbi) sont nés d'une hybridation entre deux anciennes lignées de mammouths distinctes (10) (Fig. 3). Une diversité taxonomique des paléogénomes anciens pourraient clarifier le moment, le taux et l’étendue des épisodes d’introgression génomique ainsi que leur rôle dans l’évolution. Les données paléogénomiques d'espèces disparues au cours du Pléistocène inférieur et moyen, telles que les hyènes à face courte, les jaguars européens et les énigmatiques canidés Xenocyon, pourraient permettre de déterminer si ces taxons ont contribué à la constitution génétique des carnivores vivants. Les paléogénomes anciens pourraient également identifier des lignées « fantômes » inconnues qui ont contribué aux ancêtres des espèces, comme l’illustre la caractérisation paléogénomique du mammouth de Krestovka (10) (Encadré 1 et Fig. 3).

 

 

 

L’ADN très ancien peut révéler des instantanés génomiques de l’histoire évolutive complète d’une espèce individuelle (Encadré 1). Comme de nombreux oiseaux et mammifères adaptés aux climats tempérés et froids font remonter leur origine au Pléistocène inférieur et moyen (33, 34), les paléogénomes de ces espèces pourraient corréler les changements évolutifs à des perturbations environnementales spécifiques, telles que les transitions entre les régimes climatiques ou le remaniement des communautés. Le processus de spéciation (différentiation des espèces) peut être étudié au fur et à mesure, en explorant les goulots d'étranglement des événements fondateurs et en vérifiant si la spéciation s'est produite par allopatrie stricte ou progressivement avec un flux génétique post-divergence. Comme les paléogénomes des temps anciens ont tendance à occuper des positions phylogénétiques basales au sein de leurs clades, ils peuvent également fournir des étalonnages importants pour estimer les taux d’évolution moléculaire. Par exemple, les données paléogénomiques d'un hominidé du Pléistocène moyen de Sima de los Huesos dans l'Espagne actuelle ont confirmé les hypothèses génomiques du Pléistocène supérieur selon lesquelles les Néandertaliens et les Dénisoviens ont divergé au début du Pléistocène moyen (35), alors que l'inclusion d'un paléogénome de cheval d'environ 700 ka dans la phylogénie des équidés a reculé l’origine estimée des équidés vivants à plus de deux fois celle supposée précédemment (8).

Les paléogénomes du Pléistocène inférieur et moyen peuvent également être utilisés pour tester des hypothèses sur les relations entre les espèces, notamment sur la manière dont les formes dérivées sont liées aux formes antérieures. Une question en suspens en paléontologie est de savoir si les morphoespèces fossiles sont de véritables espèces, des écomorphes synchrones ou des chrono-espèces qui étaient les ancêtres directs des espèces successives. Une étude paléogénomique d'anciens bisons d'Amérique du Nord datant d'environ 130 à 110 ka, par exemple, a montré que deux échantillons présentant un dimorphisme de taille extrême et représentant des espèces soi-disant distinctes – le bison de Longhorn et le bison des steppes – appartiennent en réalité à la même lignée qui s'est dispersée dans l’Amérique du Nord seulement quelques dizaines de milliers d’années plus tôt (36). À l’inverse, la paléogénomique des temps reculés peut également donner un contexte à des espèces pour lesquelles nous ne disposons que des restes limités, comme les Dénisoviens (35).

Enfin, les paléogénomes à des échelles de temps très lointains permettront d'explorer les aspects de l'évolution adaptative. Au niveau le plus élémentaire, les génomes très anciens peuvent aider à identifier le moment où des mutations adaptatives sont apparues. Par exemple, une analyse comparative de paléogénomes de mammouths âgés de quelques milliers à plus d'un million d'années a permis d’identifier des gènes associés au développement des cheveux et de la peau, au stockage et au métabolisme des graisses, au fonctionnement du système immunitaire et à la taille du corps qui ont évolué dans la lignée des mammouths laineux durant les derniers 700 ka (37). Les paléogénomes permettront également d'explorer la façon dont le taux de changements du codage des protéines varie au fil du temps, par exemple en conjonction avec les changements climatiques passés, ainsi que d'évaluer le moment où les délétions génomiques sont apparues et le taux de sélection positive et purificatrice dans les régions génomiques introgressées.

L’impact des cycles glaciaires sur la biodiversité

Jusqu'à présent, presque toutes les études sur l'ADN ancien se sont concentrées, pour des raisons pratiques, sur des matériaux du Pléistocène supérieur ou plus récents (Fig. 1). Ainsi, notre compréhension actuelle des processus évolutifs au cours des sous-époques du Pléistocène inférieur (2,6 Ma à 780 ka) et moyen (780 à 126 ka) repose principalement sur des approches plus traditionnelles, notamment la morphométrie, l'analyse des isotopes stables et les enregistrements polliniques. L’accès accru aux données génomiques provenant de fossiles et de sédiments datant de ces sous-époques antérieures permettra de tester plus explicitement les hypothèses sur la manière dont les cycles glaciaires affectent l’évolution et la biodiversité.

Un attribut particulier du Pléistocène antérieur, par exemple, est le changement de périodicité des glaciations de cycles d'environ 40 ka à des cycles d'environ 100 ka survenus entre 1,2 et 0,7 Ma (38) (Fig. 1). Ce changement a entraîné l'isolement des espèces tempérées dans des refuges glaciaires pendant des périodes plus longues, laissant plus de temps pour l'adaptation locale et augmentant le taux de divergence des populations. Les communautés biologiques peuvent également avoir été remaniées, car les glaciations plus longues et de plus grande amplitude ont permis une accumulation suffisante de calotte glaciaire pour la formation du pont terrestre de Béring, rendant possible la dispersion terrestre entre l'Eurasie et l'Amérique du Nord.

Depuis le changement de périodicité glaciaire, le modèle dominant a été des cycles de longues glaciations séparées par des interglaciaires courts et chauds. On pense que cette tendance a influencé la démographie et la dynamique de l’aire de répartition de nombreuses espèces (39). Les longs interglaciaires, par exemple, ont été corrélés à des goulots d'étranglement chez les taxons adaptés au froid (40) et à l'expansion et à la spéciation chez les taxons adaptés au chaud (41). L'interglaciaire inhabituellement long qui s'est produit entre 420 et 370 ka (stade isotopique marin 11) est particulièrement intéressant (42). Les paléogénomes d'individus ayant vécu pendant ce long goulot d'étranglement et avant pourraient être utilisés pour tester ces hypothèses et révéler des changements évolutifs qui ont été écrasés par des goulots d'étranglement génétiques ultérieurs.

Inférence d'écosystèmes anciens

Nous avons décrit des informations qui pourraient être dérivées de l'ADN extrait des restes d'individus ayant vécu au Pléistocène moyen et antérieur. Cependant, les progrès qui permettent la paléogénomique des temps très anciens permettent également de reconstruire des communautés écologiques entières de ces temps reculés. À ce jour, seules cinq études ont tenté d’utiliser l’ADN sédimentaire ancien pour reconstruire des communautés végétales et/ou animales datant du Pléistocène moyen ou plus : Kjær et al. (11) ont reconstruit les composants d'un écosystème interglaciaire du Pléistocène inférieur à partir de sédiments extraits du désert polaire actuel du nord du Groenland ; Armbrecht et coll. (43) ont reconstruit un écosystème marin du Pléistocène inférieur au Pléistocène moyen à partir de l'Iceberg Alley dans l'océan Austral ; Courtin et coll. (12) ont reconstruit un écosystème interglaciaire du Pléistocène moyen à partir d'un méga-effondrement de pergélisol en Sibérie orientale ; et Willerslev et coll. ont reconstruit des communautés végétales du Pléistocène moyen à partir de sédiments collectés sous la calotte glaciaire du Groenland (14) et du pergélisol côtier de Sibérie (13). Parmi ceux-ci, Kjær et al. et Armbrecht et al. ont enrichi les bibliothèques de séquences d'intérêt par hybridation avec des appâts synthétisés conçus pour cibler les taxons arctiques ou antarctiques. Contrairement à l’approche de la PCR basée sur le métabarcodage utilisée par les trois autres études, l’enrichissement ciblé basé sur l’hybridation peut capturer des molécules de n’importe quelle longueur et est donc puissant même lorsque les molécules préservées sont courtes. Bien que l’approche basée sur l’hybridation soit actuellement limitée à la capture de séquences génétiquement similaires à d’autres taxons connus, les améliorations méthodologiques de la capture par hybridation constituent un domaine de recherche mûr qui élargira l’accès à l’ADN sédimentaire très ancien.

La recherche en profondeur sur l'ADN sédimentaire permettra de mieux comprendre l'effet des transitions glaciaires-interglaciaires sur la composition des communautés. Les reconstructions de communautés couvrant la transition vers l’Holocène actuel, par exemple, ont révélé un renouvellement biologique rapide qui suivait de près les changements abiotiques (44, 45). La comparaison avec des transitions plus anciennes permettra de déterminer si les modèles sont prévisibles ou idiosyncratiques, si certaines espèces ou communautés sont plus résiliantes que d’autres aux bouleversements environnementaux, et si certaines transitions ou événements laissent des signatures durables sur la biodiversité des communautés.

Les reconstructions de communautés qui ont prospéré au cours des interglaciaires chauds du passé pourraient fournir un aperçu de la composition potentielle des communautés dans un monde futur plus chaud (11) et améliorer notre compréhension de la façon dont les interactions au niveau des écosystèmes entre les espèces évoluent et se maintiennent. Ils enrichissent également notre compréhension de ces écosystèmes disparus au-delà de ce que l’on peut connaître à partir des archives fossiles. L'ADN sédimentaire profond du nord du Groenland, par exemple, a révélé un l’existence mastodonte ou un animal ressemblant à un mastodonte qui faisait partie de la communauté du Pléistocène inférieur (11), bien qu'aucun reste fossile d'un tel animal n'ait été découvert. L’ADN sédimentaire profond peut également révéler une connectivité passée entre les populations, comme l’indique une étude récente de l’ADN sédimentaire du Pléistocène supérieur provenant d’une grotte au Mexique qui reliait une population éteinte d’ours noirs à des populations vivantes de l’est de l’Amérique du Nord (46). À mesure que les technologies s'améliorent, en particulier celles qui permettent un enrichissement ciblé de plus en plus sensible, nous envisageons l'ADN sédimentaire profond comme un outil puissant pour explorer les conséquences écologiques et évolutives des changements environnementaux sur la biodiversité au niveau communautaire.

Recherches futures pour permettre la récupération de l'ADN des temps très anciens.

Il a été démontré que l’ADN peut survivre dans des conditions de conservation idéales au moins jusqu’au Pléistocène inférieur. La prochaine phase de la recherche sur l’ADN ancien consiste à élargir la gamme taxonomique, géographique et temporelle de l’ADN ancien récupéré et authentifié. Ce défi présente de nouvelles opportunités de recherche sur le terrain, au laboratoire et en bioinformatique.

La génomique des âges reculés est aujourd’hui principalement menée sur des substrats présentant une préservation optimale de l’ADN, tels que ceux issus du permafrost ou des grottes. Cependant, des approches plus efficaces pour récupérer d’anciennes molécules d’ADN continueront d’élargir la gamme d’échantillons et de substrats adaptés à l’analyse. Aujourd’hui, les méthodes d’extraction d’ADN et de conversion de bibliothèques ne permettent pas de récupérer toutes les molécules d’ADN potentiellement préservées. Par exemple, Kjaer et al. (11) ont découvert que l'ADN s'adsorbait préférentiellement sur les surfaces minérales argileuses par rapport aux surfaces non argileuses, en particulier sur la smectite, un minéral argileux, qui peut lier 200 fois plus d'ADN que le quartz et qui est un minéral courant dans les échantillons terrestres. Leur protocole d’extraction le plus performant a permis de récupérer 40 % de l’ADN lié au quartz et seulement 5 % de l’ADN lié à la smectite, ce qui suggère que la majeure partie de l’ADN était inaccessible. Bien qu’anecdotique, cette observation laisse entrevoir plusieurs opportunités pour améliorer la recherche sur l’ADN ancien, notamment en utilisant les caractérisations minéralogiques pour identifier les sites les plus prometteurs pour la récupération de l’ADN sédimentaire des époques anciennes et en affinant les approches expérimentales pour récupérer l’ADN lié à toutes les surfaces minérales. En l’absence d’amélioration des méthodes pour libérer l’ADN lié, l’évaluation microscopique des échantillons sédimentaires améliorera l’efficacité de la récupération de l’ADN. Massilani et coll. (47), par exemple, ont montré que l'ADN conservé dans les sédiments des grottes est concentré dans des particules microscopiques, en particulier des fragments d'os et de matières fécales conservés dans le substrat.

Les protocoles de conversion de bibliothèque pourraient également être rendus plus efficaces. Les protocoles optimisés de conversion de bibliothèques utilisent la ligature et la polymérisation enzymatiques, mais les extraits d'ADN anciens contiennent des inhibiteurs ainsi que des molécules présentant des dommages non caractérisés à l'ADN. Bien que nous puissions convertir aussi peu que 100 picogrammes d'ADN en bibliothèques en utilisant la méthode de Santa Cruz (25), il a été démontré que la préparation de bibliothèques ne convertit généralement qu'environ 10 à 50 % de l'ADN extrait (21), ce qui suggère que la plupart des molécules récupérées sont perdues au cours cette étape expérimentale. Les améliorations dans la préparation des bibliothèques peuvent inclure la conception d'enzymes plus robustes pour combattre les inhibiteurs ou le développement de protocoles intégrant la réparation enzymatique lors de la conversion des bibliothèques. De plus, réduire le recours aux étapes de ligase et de polymérase grâce à des stratégies enzymatiques alternatives, à la chimie bio-orthogonale ou au séquençage natif de l’ADN peut offrir de nouvelles approches pour convertir des molécules d’ADN actuellement non séquençables.

De nombreuses espèces qui sont des cibles évidentes pour la recherche sur l'ADN des temps très anciens sont éteintes et certaines, comme les canidés Xenocyon et les membres de base des familles des éléphants et des chevaux, n'ont pas de parent vivant proche sur le plan évolutif pour lequel un génome de référence idéal peut être produit. Cela présente des défis pour l’authentification et l’identification de l’ADN ancien ainsi que pour l’assemblage du génome guidé par référence. Bien que la longueur moyenne des fragments des séquences d'ADN très ancien soit courte, il peut être possible de générer des assemblages de novo à partir d'extraits anciens en capitalisant sur des méthodes qui utilisent la capture de la conformation des chromosomes pour conserver les informations de proximité utiles pour relier de courtes lectures au sein d'un chromosome (48). . Les approches consistant à séquencer l’ADN in situ (49) sont également prometteuses mais en sont actuellement aux premiers stades de développement. Les améliorations du traitement bioinformatique bénéficieront également à la reconstruction paléogénomique des eucaryotes et à l’identification de variants. Récemment, des génomes microbiens ont été assemblés à partir d'ADN récupéré à partir d'échantillons paléofécaux relativement récents (50) et de calculs dentaires archéologiques aussi vieux que 100 ka (51), suggérant une voie bioinformatique vers l'assemblage de novo de certains petits paléogénomes. Bien que cette approche ne s’applique probablement pas aux génomes des eucaryotes complexes, d’autres approches bioinformatiques peuvent améliorer la précision de ces assemblages à partir de données des séquences courtes. Le remplacement des génomes de référence linéaires mono-espèces par des graphiques de variation multi-espèces intégrant des variantes de plusieurs génomes (52), par exemple, peut augmenter le nombre de lectures se cartographiant sur un génome de référence. Cette approche présente l'avantage supplémentaire de permettre une variation entre les longueurs d’indels ( = insertion ou déletion ) ainsi qu'entre les nucléotides. Les approches d'assemblage itératif, telles que l'assembleur itératif de cartographie utilisé pour générer le premier génome mitochondrial de Néandertal (53), peuvent améliorer la cartographie vers des génomes plus complexes. Enfin, comme l'attribution taxonomique basée sur des références est toujours limitée aux séquences déposées dans des bases de données publiques, la population continue de ces bases de données continuera d'améliorer l'identification robuste de l'ADN récupéré des restes et des sédiments du Pléistocène inférieur et moyen.

Un défi considérable pour les études sur l’ADN des temps très anciens est de connaître l’âge des échantillons afin de pouvoir les placer dans des contextes évolutifs et géologiques plus larges. Comme l’ADN le plus ancien à ce jour provient d’organismes qui ont vécu au cours des dernières dizaines de milliers d’années, il est généralement possible d’estimer leur âge directement à l’aide de la datation au radiocarbone. Cependant, la courte demi-vie radioactive du carbone 14 (environ 6000 ans, ce qui est court à l’échelle géologique, car après 50000 ans, près de 10 demi-vies se sont écoulées, et il ne reste donc plus que 2^-10 x la quantité de radioactivité initiale, c’est à dire environ 1 millième) signifie que les estimations d’âge sont souvent peu fiables si les organismes ont vécu plus de 50 ka. Les méthodes de datation à charge piégée, telles que la résonance de spin électronique (ESR) pour l'émail des dents ou les approches par luminescence pour les minéraux tels que le quartz et le feldspath, peuvent fournir des estimations d'âge pour des échantillons datant de tout le Pléistocène, mais exigent que les sédiments restent intacts depuis l'enfouissement [pour une revue, voir (54)]. Lorsque les protéines sont préservées, l’étendue de la racémisation, de l’hydrolyse et de la dégradation des acides aminés peut également estimer le temps écoulé depuis la mort, bien que l’on sache que les « horloges » des acides aminés varient selon les espèces et les localités (54).

Dans certains cas, des marqueurs paléoenvironnementaux, géologiques et géophysiques peuvent fournir des indices sur l'âge d'un échantillon. Un fossile pourrait être trouvé dans l'Arctique avec d'autres indicateurs paléoécologiques suggérant par exemple un environnement chaud et humide, indiquant que l'animal a vécu lors d'un précédent interglaciaire ou dans des sédiments à polarité inversée, ce qui suggère qu'il a vécu avant le dernier renversement paléomagnétique vers 780 ka. Dans certains environnements, les lits de téphra (couches de cendres volcaniques fines et déposées) peuvent être datés par des méthodes telles que la trace de fission du verre ou la datation argon-argon. Les lits de téphra, qui sont détectables même lorsqu'ils ne sont présents qu'en quantités microscopiques (55), ont joué un rôle particulièrement important dans la datation des carottes de sédiments, mais peuvent également fournir des indices contextuels sur l'âge des échantillons trouvés in situ sur les sites où le téphra est présent. Comme les éruptions volcaniques étaient courantes tout au long du Pléistocène, des téphrochronologies améliorées couvrant le Pléistocène inférieur et moyen aideront à placer l'ADN des temps anciens dans un contexte chronologique.

D’autres approches pour dater les génomes très anciens pourraient s’appuyer sur la nature prévisible du changement évolutif des organismes. Les méthodes d’horloge moléculaire déduisent l’âge des paléogénomes en estimant le degré d’évolution « manquante » le long d’une branche phylogénétique menant au paléogénome, souvent appelé « raccourcissement de branche » (56). L’accumulation de mutations étant approximativement constante dans le temps, les différences entre ces longueurs de branches devraient correspondre au nombre de générations qui séparent le paléogénome représenté des individus existants ou plus récents. Cependant, pour traduire les générations manquantes en temps calendaire, l’approche de raccourcissement des branches nécessite soit un calibrage indépendant des fossiles, soit une estimation de la durée d’une génération. Pour de nombreuses lignées ayant vécu au Pléistocène inférieur et moyen, les fossiles ancestraux datés sont rares et, en l’absence de parents proches vivants, les estimations de la durée d’une génération seraient imprécises. La variation des taux d’évolution entre lignées éloignées peut également réduire la puissance d’une approche comparative de datation moléculaire. Néanmoins, le développement d’approches utilisant les informations génomiques pour estimer l’âge des paléogénomes et leurs relations évolutives avec d’autres espèces constitue un domaine riche pour les recherches futures.

Conclusions 

La prochaine décennie sera marquée par des progrès techniques continus qui élargiront la gamme taxonomique et géographique des paléogénomes des temps très lointains et des ensembles de données d’ADN sédimentaire de ces âges. Celles-ci incluront de nouvelles connaissances sur les substrats susceptibles de préserver l’ADN très âgé, ainsi que des approches raffinées pour libérer l’ADN lié à des matrices biologiques ou minéralogiques. Ces paléogénomes des temps reculés nouvellement assemblés seront placés dans un contexte chronologique grâce aux développements en géochronologie et en paléoécologie, ainsi qu'à des approches informatiques plus puissantes pour estimer l'âge des échantillons à l'aide d'une horloge moléculaire. Les ensembles de données des temps très anciens qui en résulteront permettront de reconstruire les histoires évolutives à travers des perturbations environnementales répétées, affinant ainsi la compréhension de l'évolution adaptative, de l'organisation communautaire et de la résilience des écosystèmes. De plus, comme le passé est par nature différent de tout ce qui existe aujourd’hui, l’accès à l’ADN des temps anciens offre de nombreuses opportunités de découverte scientifique, bien qu’encore imprévisibles.

Références

 

---