Pendant longtemps, les paléoanthropologues ont dû se contenter des os et des dents pour reconstituer l'histoire de nos lointains parents. La molécule, elle, semblait hors de portée : l'ADNADNMolécule porteuse de l'information génétique, utilisée pour reconstruire les liens de parenté entre espèces.→, support de l'hérédité, se dégrade vite, surtout sous les climats chauds, si bien que le plus ancien ADN d'hominidéHominidéMembre de la lignée humaine au sens large, incluant les humains actuels, leurs ancêtres et les grands singes apparentés.→ africain connu ne dépasse guère dix-huit mille ans. Au-delà, c'était le silence moléculaire. Une étude menée par Palesa Madupe, Enrico Cappellini et leurs collègues de l'université de Copenhague vient de repousser cette frontière de façon spectaculaire, en lisant non pas de l'ADN, mais des protéines fossilespaléoprotéomiquePaléoprotéomiqueÉtude des protéines anciennes conservées dans les fossiles (os, émail dentaire) ; permet de déterminer l'espèce ou le sexe quand l'ADN a disparu.→Étude des protéines anciennes conservées dans les fossiles ; plus résistantes que l'ADN, elles permettent d'identifier des restes là où le génome a disparu.→ conservées dans l'émail de quatre dents de Paranthropus robustusParanthropusGenre d'hominidéshominidésFamille des grands singes (Hominidae) regroupant orangs-outans, gorilles, chimpanzés, bonobos et humains.→ fossiles dits australopithèques robustes, à puissant appareil masticateur, ayant vécu en AfriqueAfriqueContinent berceau de l'humanité : les premiers hominines y apparaissent, puis Homo sapiens il y a environ 300 000 ans, avant l'expansion vers le reste du monde.→ il y a environ deux à un million d'années.→ vieilles d'environ deux millions d'années1.
Les dents proviennent de Swartkrans, l'un des grands sites fossilifères du Berceau de l'humanitéBerceau de l'humanitéZone karstique au nord-ouest de Johannesburg, classée à l'UNESCO, parmi les gisements de fossiles humains les plus riches du monde.→, près de Johannesburg. La prouesse ne tient pas seulement à l'âge vertigineux de ces molécules, de loin les plus anciennes jamais obtenues sur un hominidé. Elle tient aussi à ce qu'elles racontent : la place de Paranthropus dans l'arbre humain, le sexe biologique de deux individus, et peut-être même une diversité insoupçonnée au sein de l'espèce. Le tout avec une prudence revendiquée, car les auteurs sont les premiers à souligner les limites de ce que ces séquences permettent, pour l'instant, d'affirmer.
Le travail est le fruit d'une collaboration internationale qui réunit des spécialistes de la protéomique ancienne, des paléoanthropologues sud-africains et des équipes de conservation des fossiles. Palesa Madupe, originaire d'Afrique du Sud, a justement porté ce projet qui ramène au pays ses propres fossiles pour en extraire une information d'un type entièrement nouveau. Car prélever de la matière sur des pièces aussi rares n'a rien d'anodin : il faut sacrifier un fragment d'émail, le réduire, en extraire les protéines sans les contaminer avec celles, omniprésentes, des manipulateurs modernes. Chaque étape a donc été entourée de contrôles stricts destinés à s'assurer que les séquences lues provenaient bien de l'hominidé fossile, et non d'une pollution de laboratoire ou de l'environnement.
Un cousin robuste de la lignée humaine
Paranthropus robustus n'est pas un ancêtre direct, mais un parent collatéral, une branche de l'arbre humain qui a prospéré en Afrique australe entre environ deux millions et un million d'années avant notre ère, puis s'est éteinte. On le reconnaît à son anatomie très spécialisée : une face massive, de puissants muscles masticateurs ancrés sur une crête osseuse au sommet du crâne, et surtout d'énormes molaires recouvertes d'un épais émail dentaireémail dentaireTissu le plus dur de l'organisme, déposé en couches rythmiques pendant la formation de la dent, qui conservent une mémoire précise du temps.→, adaptées à une alimentation coriace de racines, de tubercules et de végétaux abrasifs. Ces traits lui ont valu le qualificatif de robuste, par opposition aux australopithèques dits graciles.
Or c'est précisément cet émail épais qui a rendu l'exploit possible. Tissu le plus dur et le plus minéralisé de l'organisme, l'émail est composé à plus de 95 pour cent de minéral, mais il renferme aussi, en très faible quantité, des protéines qui ont servi d'échafaudage à sa formation. Ces protéines, une fois le minéral cristallisé autour d'elles, se retrouvent littéralement emprisonnées dans la roche biologique de la dent. À l'abri de l'eau, des bactéries et des enzymes qui détruisent l'ADN, elles peuvent survivre bien plus longtemps que le matériel génétique. L'enjeu était de savoir si, après deux millions d'années sous un climatClimatConditions atmosphériques moyennes d'une région sur le long terme ; ses variations (glaciations, aridifications) ont orienté migrations, agriculture et effondrements de sociétés préhistoriques.→ tempéré chaud, il en restait suffisamment pour être lues.
Swartkrans, un piège qui a scellé le temps
La réponse tient en grande partie à la géologie très particulière de SwartkransSwartkransGrotte fossilifère du Berceau de l'humanité, en Afrique du Sud, riche en restes de Paranthropus robustus et d'outils anciens.→. Comme beaucoup de sites d'Afrique australe, il ne s'agit pas d'un habitat, mais d'un ancien réseau de cavités karstiques dans lequel ossements et sédiments se sont accumulés avant d'être transformés en une roche dure. Les dents étudiées n'ont pas été déposées doucement : elles ont été charriées et entassées par des crues violentes, de véritables coulées de boue et de débris qui ont balayé des fragments d'animaux et d'hominidés jusque dans les profondeurs de la grotte.
Cet enfouissement rapide, suivi d'une cimentation massive qui a scellé les sédiments en une brèche compacte, a joué un rôle protecteur décisif. En emballant les dents dans une gangue minérale stable, la roche les a isolées des infiltrations d'eau et des variations chimiques qui, ailleurs, auraient achevé de détruire les molécules fragiles. C'est cette conjonction de hasards, un piège naturel, des crues, puis une prise en masse rapide, qui explique que des protéines aient pu traverser deux millions d'années là où, dans un sol ordinaire, elles auraient disparu depuis longtemps. Swartkrans n'a donc pas seulement livré des fossiles ; il a fonctionné comme un coffre-fort moléculaire.
Lire des protéines plutôt que de l'ADN
La méthode employée relève de la paléoprotéomiquepaléoprotéomiqueÉtude des protéines anciennes conservées dans les fossiles ; plus résistantes que l'ADN, elles permettent d'identifier des restes là où le génome a disparu.→, une discipline jeune qui séquence les protéines anciennes au lieu de l'ADN. Son principe repose sur la spectrométrie de masseSpectrométrie de masseTechnique mesurant très précisément la masse de fragments de molécules pour en reconstituer la composition, ici la séquence des protéines.→ : on extrait les minuscules fragments de protéines encore présents dans un échantillon, on les décompose en morceaux, puis on mesure très précisément leur masse. À partir de ces mesures, un instrument sophistiqué reconstitue l'ordre des acides aminés, les maillons élémentaires qui composent chaque protéine. Pour chaque dent de Paranthropus, les chercheurs ont ainsi pu reconstituer des centaines d'acides aminés, soit une information moléculaire d'une richesse inespérée pour un reste aussi ancien1.
L'intérêt de cette approche saute aux yeux quand on la compare à l'ADN ancienADN ancienMatériel génétique conservé dans des vestiges anciens, souvent dégradé, séquencé grâce à des techniques de pointe.→. Ce dernier a révolutionné l'étude des NéandertaliensNéandertaliensHumanité fossile d'Eurasie, robuste et adaptée au froid, éteinte vers 40 000 ans avant le présent.→ et des Dénisoviens, mais il se conserve mal, et presque jamais sous les climats chauds : en Afrique, le plus ancien ADN humain récupéré avoisine les dix-huit mille ans seulement. Les protéines, elles, sont beaucoup plus stables chimiquement et survivent, dans les bonnes conditions, sur des échelles de temps incomparablement plus longues. Des protéines d'émail avaient déjà été lues chez le grand singe fossile Gigantopithecus, vieux de près de deux millions d'années4, et chez Homo antecessor, en Europe, autour de huit cent mille ans3. Mais obtenir de telles séquences sur un hominidé africain de deux millions d'années, sous un climat réputé hostile à la conservation moléculaire, était une tout autre affaire. C'est cette fenêtre vers un passé profond, bien au-delà de ce que l'ADN pourra jamais atteindre, qui fait la portée de l'étude.
Ce que révèlent les séquences : parenté et sexe
Les séquences obtenues apportent d'abord une confirmation attendue, mais jamais encore démontrée par la molécule : Paranthropus robustus appartient bien à la famille humaine. Comparées aux protéines homologues de l'homme moderne, des Néandertaliens, des Dénisoviens et des grands singes actuels, les séquences de Paranthropus se rangent au sein des hominidés, en position de groupe externe par rapport au rameau réunissant Homo sapiensHomo sapiensEspèce humaine actuelle, apparue en Afrique il y a environ 300 000 ans, seule lignée humaine survivante après l'extinction de Néandertal et des Dénisoviens.→, les Néandertaliens et les Dénisoviens1. Autrement dit, Paranthropus se confirme comme un cousin éloigné, solidement ancré dans notre famille élargie, mais situé sur une branche distincte de celle qui mène à nous. Le constat peut sembler modeste, puisque l'anatomie le laissait entendre depuis longtemps, mais il y a une différence de nature entre une ressemblance lue sur la forme des os et une parenté lue dans les molécules elles-mêmes. Pour la première fois, la parenté d'un hominidé africain aussi ancien repose sur autre chose que l'oeil de l'anatomiste.
Les protéines identifiées ne sont d'ailleurs pas quelconques. Ce sont celles qui interviennent dans la fabrication de l'émail lui-même, au premier rang desquelles l'amélogénine et l'énaméline, dont les gènes sont bien connus chez l'homme et les grands singes actuels. Disposer de leurs homologues chez Paranthropus permet des comparaisons point par point, acide aminé par acide aminé, le long de la chaîne protéique. C'est de cette lecture fine que découlent les trois enseignements de l'étude, la parenté, le sexe et la variabilité, chacun reposant sur des différences parfois minuscules, mais rendues lisibles par la précision de la spectrométrie de masse moderne.
Le deuxième résultat est peut-être le plus concret. Grâce à un peptide issu du gène de l'amélogénine porté par le chromosome Y, les chercheurs ont pu déterminer le sexe biologique de certains individus. La présence de cette version masculine de l'amélogénineAmélogénineProtéine clé de la formation de l'émail, dont il existe une version portée par le chromosome XChromosome XL'un des deux chromosomes sexuels, présent en deux exemplaires chez la femme et en un seul chez l'homme.→ et une autre par le chromosome Y, servant à déterminer le sexe.→, appelée AMELY, signe un individu mâle ; son absence, combinée à la seule forme portée par le chromosome X, oriente vers une femelle. Deux des spécimens ont ainsi été identifiés comme mâles sur la foi de ce peptide du chromosome Y, tandis que les deux autres ont été rattachés, de manière plus prudente, à des femelles. Le point remarquable tient à ce qu'une de ces dents de mâle avait auparavant été classée comme féminine, uniquement en raison de sa petite taille. La protéomique a donc corrigé une attribution fondée sur la seule dimension de l'os ou de la dent, méthode notoirement trompeuse, et démontré qu'elle peut sexer un fossile de façon bien plus fiable.
Une variabilité inattendue, et des limites assumées
Le troisième enseignement est à la fois le plus intrigant et le plus fragile. En examinant les minuscules différences d'acides aminés d'une dent à l'autre, l'équipe a remarqué qu'un des quatre individus semblait se démarquer des trois autres davantage que ceux-ci ne diffèrent entre eux. Deux fossiles partageaient une variation également présente chez l'homme, le chimpanzé et le gorille, tandis qu'un autre portait une version jusqu'ici propre à Paranthropus. Cette divergence pourrait trahir une variabilité insoupçonnée à l'intérieur de l'espèce, voire la présence de sous-groupes, ou de plusieurs formes distinctes, au sein du Paranthropus d'Afrique australe1. L'hypothèse est stimulante, car elle toucherait à une vieille question : la diversité des fossiles sud-africains reflète-t-elle une seule espèce très variable, ou plusieurs espèces mal séparées ? Mais les auteurs la présentent comme une piste à confirmer, non comme une conclusion. Un seul acide aminé qui diffère, sur une protéine partielle et un échantillon de quatre individus, ne suffit évidemment pas à redessiner la taxonomie du genre ; il signale seulement qu'une variation existe, et qu'elle mérite d'être traquée sur davantage de spécimens.
C'est là qu'intervient la prudence qui caractérise toute l'étude. Les protéines de l'émail, aussi précieuses soient-elles, ne contiennent qu'une fraction minime de l'information qu'offrirait un génome complet. Elles suffisent à situer grossièrement Paranthropus parmi les hominidés et à trancher la question du sexe, mais elles ne permettent pas encore de placer précisément l'espèce dans l'arbre humain, ni de dire avec certitude combien de lignées se cachent derrière les fossiles de Swartkrans. Les relations de parenté entre Paranthropus et les autres hominidés demeurent complexes, et il faudra d'autres spécimens, d'autres protéines, pour les démêler.
Il faut donc lire ce travail pour ce qu'il est : une percée avant tout méthodologique. Il prouve que l'émail fossile d'Afrique peut livrer, après deux millions d'années, des molécules exploitables, là où l'ADN capitule depuis longtemps. En déplaçant la frontière de la biologie moléculaire de quelques dizaines de milliers d'années à plusieurs millions, la paléoprotéomique ouvre un territoire entièrement neuf. On peut imaginer, demain, appliquer la même approche à d'autres hominidés anciens d'Afrique orientale et australe, à condition de retrouver des contextes de conservation aussi favorables que celui de Swartkrans. De tels contextes pourraient se révéler rares, et chaque dent prélevée est perdue pour les analyses futures ; la méthode devra donc être employée avec parcimonie, sur des spécimens soigneusement choisis, plutôt que généralisée comme l'a été le séquençageSéquençageLecture de l'ordre des bases (A, T, G, C) d'une molécule d'ADN ; le séquençage à haut débit lit des millions de fragments en parallèle.→ de l'ADN ancien. Les réponses définitives sur la place exacte de Paranthropus dans notre histoire ne sont pas encore là ; mais pour la première fois, ce sont les molécules mêmes de ces créatures de deux millions d'années qui commencent à parler, et c'est en multipliant patiemment les échantillons, non en surinterprétant les premiers, que cette jeune science tiendra ses promesses.
Aucun commentaire pour le moment. Soyez le premier.