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1. La génétique        Le généticien étudie et analyse les caractères        héréditaires des êtres vivants (micro-organismes, animaux, végétaux,        êtres humains) à travers leur génome, l’ensemble du matériel génétique        d'un être vivant, dont l’ADN (acide désoxyribonucléique) est le        support. Ce matériel génétique est transmis à chaque génération pour        assurer la production d’organismes dont l’organisation physique et la        physiologie refléteront en grande partie celle des parents. Lorsqu’on        analyse la séquence de l’ADN d’un individu, on peut donc ainsi avoir        accès à deux grands types d’information : sa généalogie et ses        caractères morphologiques et physiologiques. Bien que l’on ait        beaucoup d’arguments qui valident le concept que l’ADN code pour les        caractères de l’individu, il est encore extrêmement complexe        d’interpréter correctement comment se fait le passage de la séquence        du génome aux propriétés physiques et physiologiques des individus. La        compréhension de ce passage est une des grandes questions de la        biologie et de la médecine qui mobilisent des centaines des milliers        de chercheurs depuis au moins un siècle et pour lequel on ne dispose à        l’heure actuelle que de réponses très fragmentaires. Par contre, la        généalogie est une question beaucoup plus simple à laquelle on peut        commencer à répondre avec très peu d’informations génétiques et pour        laquelle on peut avoir une vision fine et détaillée dès que l’on peut        accéder à un génome partiel ou complet. Depuis une trentaine d’années,        les généticiens ont entrepris d’extraire et d’analyser de l’ADN à        partir d’échantillons anciens, et la génétique est devenue une science        qui contribue aussi à l’archéologie (figure 1). Je présenterai donc        les avancées de la paléogénétique et de la paléogénomique au cours de        ces trente dernières années ainsi que l’évolution du métier et des        compétences du paléogénéticien. J’aborderai en particulier les        questions qui concernent l’archéologie auxquelles ces approches ont pu        commencer à apporter un nombre important de réponses.        Figure 1 : Représentation schématique du plan        de déroulement des analyses paléogénétiques et paléogénomiques        montrant des exemples de leur contribution à l’archéologie. / Figure 1: Schematic representation of the workflow of        paleogenetic anad paleogenomic analyses showing examples of their        contribution to archeology.                      2. La paléogénétique        Le domaine s’est développé en 1984 quand un animal        taxidermisé vieux d’un siècle a été « génotypé » (Higuchi et al., 1984). Ce fut le début d’une exploration        qui a pris de plus en plus d’ampleur et nous permet, 30 ans après,        d’analyser des génomes entiers d’organismes vieux de plusieurs        centaines de milliers d’années. Le changement progressif d’échelle et        de profondeur temporelle a été le fruit de nombreuses évolutions        méthodologiques qui ont résulté d’une part des progrès de la biologie        moléculaire et de la génétique et d’autre part de développements        méthodologiques spécifiques au domaine de la paléogénétique. Le        premier défi méthodologique qu’il a fallu relever est que l’ADN après        la mort est fortement dégradé et qu’il n’en reste donc très vite que        des traces sous forme de fragments courts de molécules. La première        vague de dégradation est due aux micro- et macroorganismes qui sont        responsables de la décomposition des corps et qui éliminent la majeure        partie des composants biologiques de l’organisme dont l’ADN. Certaines        parties du corps, principalement les parties minéralisées, peuvent        persister beaucoup plus longtemps et porter de faibles quantités d’ADN        plus ou moins abîmées. Au cours du temps, de multiples attaques        chimiques vont affecter cet ADN résiduel qui ne sera plus réparé après        la mort comme il l’était du vivant de l’organisme. Ces attaques vont        encore réduire la taille des molécules d’ADN et modifier sa        composition d’une façon qui déforme l’information génétique qu’il        contient. De plus, cet ADN est généralement dilué dans une grande        quantité d’ADN provenant des microorganismes du sol ayant colonisé le        squelette enterré. Il convient aussi de rappeler qu’il faut cribler un        nombre considérable d’ossements pour identifier ceux qui contiennent        suffisamment d’ADN endogène pour que le génome puisse être déchiffré        et qu’une séquence de haute qualité puisse être obtenue.        L’ADN ancien est donc très rare, très abîmé et        difficile à analyser. De par sa quantité minime, les molécules d’ADN        ancien doivent être multipliées pour être analysées. Ceci s’est fait,        entre 1985 et aujourd’hui, avec la technique appelée « PCR », une        réaction de polymérisation en chaîne enzymatique (Saiki, 1985). C’est        une méthode d’une très grande puissance quand elle est optimisée car        elle produit des milliards de copies de chaque molécule d’ADN ancienne        endogène préservée dans un reste osseux. Par contre, ces copies        peuvent facilement contaminer d’autres extraits d’ADN ancien et        fausser les résultats des analyses génétiques. C’est pour cela que les        premières étapes de l’expérimentation nécessitent un laboratoire de        haut-confinement ainsi que le port de combinaisons de protection, de        gants et de masques et le respect de procédures de travail très        strictes (figure 2). De plus, il faut utiliser des méthodes de        décontamination sans lesquelles des résultats erronés peuvent        facilement être produits. Ce fléau a été une malédiction du domaine        dès sa naissance. Un cas spectaculaire, publié en 1994, qui décrivait        l’analyse de l’ADN de dinosaures est l’exemple le plus largement        reconnu d’artefact majeur (Woodward et al.,        1994). Le problème reste malheureusement suffisamment important pour        qu’on puisse dire qu’il existe dans la littérature un certain nombre        de résultats partiellement ou complètement erronés et qui sont parfois        difficiles à débusquer car toutes les études ne peuvent pas être        reproduites.        Figure 2 : Analyse de l’ADN préservé dans des        ossements archéologiques dans le laboratoire de haut confinement de        l’Institut Jacques-Monod. / Figure 2: Analysis in        the high containment laboratory of the Institut Jacques Monod of DNA        preserved in archeological bone.                Cliché et droit d’auteur : Eva-Maria        Geigl.              3. Les études paléogénétiques        Malgré ces incertitudes et limites, l’apport de la        paléogénétique basé sur les méthodes de PCR à l’archéologie, la        paléoanthropologie, l’archéozoologie et l’archéobotanique a été (et        est toujours) multiple et riche. Il a permis de déterminer à quelles        lignées maternelles ont appartenu des individus mis au jour dans des        sites archéologiques et ainsi de reconstruire des migrations et        remplacements de populations humaines (par exemple en Europe centrale        au cours des dernières 6500 années ; Brandt et        al., 2013), mais aussi d’animaux domestiqués (par ex : les chats,        Ottoni et al., 2017), des relations familiales        et sociales au sein des cimetières (par ex : Keyser-Tracqui et al., 2003), identifier des pathogènes et        parasites intestinaux (Côté et al., 2016),        éclairer les positions phylogénétiques de certains animaux éteints        emblématiques (comme le mammouth ; Debruyne et        al., 2003) ou énigmatiques (comme l’hydrontin ; Bennett et al., 2017), déterminer les événements initiaux        lors de la domestication des animaux (comme les chevaux ; Ludwig et al., 2009), reconstruire le paléoenvironnement        grâce à l’analyse de pollens et des sédiments (comme pour le Groenland        il y a environ 800 000-450 000 ans ; Willerslev et        al., 2007) ou encore étudier la réponse de la mégafaune aux        changements climatiques et environnementaux et l’action anthropique        (Lorenzen et al., 2011).              4. La paléogénomique        Depuis 10 ans environ, les progrès de la biologie        moléculaire ont permis de déchiffrer le code génétique de génomes        entiers et les améliorations de ces méthodes sont en pleine expansion        rendant les études génomiques plus abordables financièrement. Elles        produisent des quantités énormes de données qui doivent être traitées        avec des méthodes complexes de bioinformatique et de génétique des        populations. L’étude de l’analyse de l’ADN ancien a pleinement profité        de ces progrès et une nouvelle discipline est née, la paléogénomique        qui séquence des génomes entiers, ou des parties de génomes        d’organismes du passé. Le métier du paléogénéticien est donc en pleine        évolution et demande des compétences non seulement en biologie        moléculaire, mais aussi en bioinformatique et en génétique des        populations. Du fait que les molécules d’ADN multipliées sont très        diverses, contrairement à la PCR ciblée, ces nouvelles méthodes sont        moins sensibles à la production de résultats erronés dus à la        contamination par l’ADN préalablement multiplié dans le laboratoire.        De plus, l’ADN ancien peut être distingué de l’ADN moderne car les        patrons de dommages à l’ADN correspondant sont distinguables.        Toutefois, ces approches ne sont pas totalement immunes aux        contaminations, comme le montre la mise en évidence de contaminations        dans la première séquence du génome néanderthalien (Wall et Kim,        2007). Actuellement, ce problème est redevenu une source d’erreurs        significatives lorsque la capture de séquences est utilisée à cause de        la réduction de la diversité des séquences d’ADN après enrichissement        des molécules d’ADN ancien et leur multiplication par PCR. Il est donc        très important de garder un œil critique quand on analyse les données        publiées pour savoir si les conclusions tirées et les interprétations        qui en découlent sont justifiées.        Cette révolution paléogénomique a radicalement        augmenté l’importance de la contribution de la génétique à        l’archéologie et aux archéosciences biologiques. Elle a notamment        permis de modifier notre vision de l’évolution humaine depuis        1 million d’années et de réécrire certaines de ses étapes. Le        séquençage des génomes des Néanderthaliennes de l’Altaï (Sibérie) et        de Vindija (Croatie) a permis de démontrer l’existence de flux génique        entre des Néanderthaliens et humains anatomiquement modernes venant de        quitter l’Afrique en plusieurs vagues. Un premier événement de        métissage, sans descendance moderne, avait lieu il y a environ        100 000 ans et au moins un deuxième il y a 47 000-65 000 ans (Kuhlwilm        et al., 2016 ; Prüfer et        al., 2017 ; Prüfer et al., 2014). Suite à        ces métissages, certaines régions génomiques d’origine        néanderthalienne ont été éliminées très tôt, probablement parce        qu’elles réduisaient la fécondité de la descendance, tandis que        d’autres régions ont été conservées, probablement parce qu’elles        donnaient un avantage sélectif, au moins dans le passé (Fu et al., 2015). Ainsi tous les Eurasiatiques actuels        portent toujours environ 2 % d’ADN néanderthalien dans leurs génomes,        témoin de ce métissage (Sankararaman et al.,        2014). Certains des variants géniques d’origine néanderthalienne ont        dû conférer un avantage sélectif aux métis lors de la colonisation de        nouveaux territoires où ils ont rencontré de nouveaux pathogènes et où        ils ont dû s’adapter à un autre environnement (Fumagalli et Sironi,        2014). En effet, l’incorporation des variants géniques de populations        archaïques autochtones qui se sont adaptées pendant des dizaines de        milliers d’années aux conditions de leur habitat a été certainement        avantageux pour les nouveaux-arrivants (Dannemann et Kelso, 2017 ;        Simonti et al., 2016).              5. La paléogénomique pour étudier l’évolution        humaine        La lecture des génomes anciens nous permet ainsi de        reconstruire le chemin de notre évolution, d’identifier des événements        de métissage et même de lignées humaines inconnues aux        paléoanthropologues, comme c’est le cas des Dénisoviens, cette        population asiatique à laquelle on ne peut (pas encore) associer un        squelette, à part des molaires, mais dont on dispose d’un génome d’une        très grande qualité obtenu à partir d’un minuscule fragment de la base        de la cinquième phalange de la main (Meyer et        al., 2012). Ce génome dont l’analyse s’étalera encore sur        plusieurs années, nous a déjà fourni et fournira encore énormément        d’informations non seulement sur cet individu mais aussi sur la        population à laquelle elle appartenait ainsi qu’à son histoire        évolutive et celle des êtres humains modernes. La comparaison de ces        génomes archaïques avec les génomes des populations modernes a permis        de déceler et dater les événements de métissage et d’en déduire des        migrations de différentes populations humaines. Là aussi, le métissage        a permis aux populations d’êtres humains migrants de s’adapter à des        nouveaux environnements, comme par exemple cela a été montré pour        l’adaptation à l’altitude des Tibétains qui proviendrait en partie de        variants génétiques d’origine dénisovienne (Huerta-Sanchez et al., 2014).        L’analyse des génomes des populations anciennes ne        s’est pas arrêtée au Paléolithique. Il a été possible de séquencer des        génomes d’individus de différentes périodes et cultures et de les        caractériser génétiquement. Ceci a permis d’identifier de nombreuses        vagues de migrations depuis le dernier maximum glaciaire en comparant        les génomes d’individus associés au Paléolithique supérieur, puis au        Mésolithique, au Néolithique et à l’Âge du Bronze. Ainsi il a été        possible d’identifier les composants principaux du génome des        Européens actuels (Fu et al., 2016 ; Lazaridis        et al., 2014). La première composante est        africaine et provient des humains anatomiquement modernes de l’Afrique        ayant colonisé l’Asie, il y a ~65000 ans, et l’Europe, il y a ~43000        ans. Par contre, la première branche de ces Proto-Européens représente        un cul-de-sac car elle n’a pas laissé beaucoup de matériel génétique        dans les Européens actuels (Fu et al., 2014 ;        Fu et al., 2016). Une autre branche a évolué en        Europe, alors qu’une troisième branche a évolué en Europe de l’Est.        Tandis que la première population, plus ancienne, pourrait être celle        qui a développé la culture aurignacienne, la branche de l’Europe de        l’Est pourrait être associée à la culture gravettienne qui s’est        répandue en Europe sans que la population associée à la culture        aurignacienne n’ait été remplacée (Fu et al.,        2016). Cette dernière a continué à évoluer et aurait finalement        produit la culture magdalénienne. C’est seulement à la fin de la        glaciation, avec le réchauffement climatique, qu’une population du        Proche-Orient est venue par l’Europe du Sud-Est, a remplacé les        populations autochtones de la culture magdalénienne et épigravettienne        et aurait développé la culture mésolithique (Fu et        al., 2016). Les premiers agriculteurs de l’Anatolie, descendants        d’un métissage entre deux populations distinctes originaires du Levant        et de l’Iran (Lazaridis et al., 2016) ont        diffusé le Néolithique en colonisant l’Europe il y a ~7000 ans par        deux vagues de migrations, le courant continental et le courant        méditerranéen, et qui ont emmené les premiers animaux et plantes        qu’ils avaient domestiqués, comme l’attestent les données        archéologiques mais aussi paléogénétiques et paléogénomiques (voir        plus loin). À la fin du Néolithique, début de l’Âge du Bronze, les        populations des nomades des steppes pontiques de la culture des        Kourganes (« Yamna » en russe), descendants de métis entre une        population ayant survécu à la dernière glaciation dans le Caucase de        chasseurs-cueilleurs du territoire russe et d'agriculteurs        néolithiques d'Iran se sont rapidement disséminés en Europe centrale        sur le dos des chevaux qu’ils avaient domestiqués (Allentoft et al., 2015 ; Haak et al.,        2015 ; Lazaridis et al., 2016). Leur succès        reproductif sur le territoire de l’Allemagne du Nord a été très        supérieur à celui des populations autochtones car les générations        suivantes ont hérité jusqu’à 80 % de leur génome de la population        migrante (Haak et al., 2015), voir aussi        figure 3. Les données génomiques livrent donc une trame dans laquelle        il est possible de placer les données archéologiques et linguistiques.        En revanche, pour pouvoir bien interpréter les données génomiques, il        faut tenir compte des données archéologiques et une collaboration        étroite entre paléogénéticiens et archéologues s’impose. Ceci est vrai        pour tous les projets en paléogénétique basés sur du matériel issu de        fouilles archéologiques.        Figure 3 : L’analyse de presque 400 000        mutations dispersées sur les génomes d’une centaine d’Européens        anciens préservés dans des contextes archéologiques néolithiques,        chalcolithiques, et de l’âge du Bronze ainsi que dans les populations        européennes actuelles (Haak et al., 2015). /        Figure 3: The genome-wide analysis of almost 400,000        mutations in about hundred ancient European genomes preserved in        Neolithic, chalcolithic and Bronze Age archeological contexts and in        modern European populations (Haak et al., 2015).                 L’analyse STRUCTURE révèle les différentes        parties du génome originaires des chasseurs-cueilleurs mésolithiques        d’Europe de l’Ouest, des premiers agriculteurs néolithiques ainsi que        des nomades des steppes pontiques de la culture Yamna présentes dans        chaque génome (Haak et al., 2015). Il ressort        de cette analyse que l’ascendance des premiers populations        néolithiques originaires du Proche-Orient est plus forte dans les        populations actuelles de l’Europe du Sud que dans le Nord alors que,        inversement, l’ascendance des peuples des steppes pontiques est plus        forte dans les populations actuelles de l’Europe du Nord. Cela nous        renseigne sur les endroits et directions des métissages entre        populations autochtones et populations migrantes. (N=Néolithique ;        NA=Néolithique ancien ; NM=Néolithique moyen ; NR=Néolithique récent ;        AC=Âge du Cuivre ; ABA=Âge du Bronze ancien ; ABR=Âge du Bronze        récent). / STRUCTURE analysis shows the different        components of each genome presumably stemming from Mesolithic        hunter-gatherers in West Europe, the first Neolithic farmers and the        nomades from the Pontic Steppes (Yamnaya) (Haak et al., 2015). This        analysis demonstrates that the ancestry of the first Neolithic        populations coming from the Near East is stronger in the present-day        populations of South Europe than in the North. Moreover, it shows that        the ancestry from the nomades of the Pontic Steppes is stronger in the        present-day populations from North Europe. This informs about the        locations and directions of the admixture between authochtonous and        migrating populations (N = Neolithic; NA =        Early Neolithic; NM = Middle Neolithi ; NR = Late Neolithi ; AC =        Copper Age; ABA = Early Bronze Age; ABR = Late Bronze Age).              6. La paléogénomique des animaux et        plantes        Les progrès du séquençage et de l’analyse des        génomes entiers ne se restreignent pas à l’analyse des génomes        humains, mais concernent aussi les génomes des animaux et plantes.        Ainsi il a été possible d’étudier la dynamique des populations        d’animaux liée aux changements climatiques et environnementaux, comme        par exemple des bisons en Europe (Massilani et        al., 2016), ce qui a aussi permis d’identifier une espèce qui        n’était pas connue à cette époque en France, un bison européen ancien.        La paléogénomique a, de manière générale, le potentiel d’aider les        paléontologues pour l’identification des espèces. Un travail important        a été fait sur le genre Equus ce qui a eu comme        conséquence de simplifier la taxonomie (par exemple, (Orlando et al., 2013).        L’analyse des génomes des animaux au cours de leur        domestication est aussi un sujet de prédilection de la paléogénomique        et a déjà porté de nombreux fruits, comme par exemple la démonstration        de l’existence de deux foyers de domestication du chien (Frantz et al., 2016).        La paléogénomique ne s’arrête pas seulement aux        ossements mais peut aussi analyser les génomes des bactéries        impliquées dans des pathologies, comme la peste (Bos et al., 2011) ou la tuberculose (Bos et al., 2014), ou bien des bactéries, plantes et        animaux préservés dans les sédiments (Pedersen et        al., 2015). Des séquences d’ADN bactériennes, animales et        végétales sont aussi très bien préservées dans le tartre dentaire et        peuvent témoigner de maladies buccales et systémiques et de        l’alimentation des individus (Warinner et al.,        2014).              7. Conclusion et perspectives        La quantité d’information que pourra fournir la        séquence d’un génome de haute qualité, comme ceux des Néandertaliennes        d’Altaï et de Vindija ainsi que de la Dénisovienne, est immense et        souvent encore mal appréciée par les anthropologues, paléontologues,        archéologues et conservateurs. En effet, l’information que la        communauté des généticiens est capable de récupérer à partir de la        séquence d’un génome ne représente encore qu’une partie de ce qui est        codé dans ce génome. Comme expliqué auparavant, on peut déjà très bien        caractériser les liens de parenté, les effets démographiques, certains        événements de métissage, ainsi que quelques gènes dont les voies de        synthèse biochimique et l’action des protéines produites sont connues.        Par contre, jusqu’à aujourd’hui, il reste encore beaucoup de gènes qui        ne sont pas entièrement analysés chez les êtres humains actuels, et        encore moins chez les animaux et plantes, bien que les dizaines de        milliers de chercheurs en génétique qui s’attellent à ce déchiffrement        des liens entre génotype et phénotype font progresser régulièrement la        connaissance. Or, les paléogénomiciens ne peuvent analyser dans les        génomes anciens que les mutations dont on connaît l’action. C’est pour        cela que dans les années à venir, les généticiens seront à même de        réanalyser les génomes anciens dont la séquence est connue, accessible        pour tout chercheur, c’est-à-dire immortalisée, pour extraire de plus        en plus d’informations sur la biologie des populations anciennes suite        aux progrès que feront la biologie et génétique fondamentale,        médicale, animale et végétale. Ainsi, le patrimoine génétique des        restes biologiques anciens qui constitue un patrimoine au moins aussi        important que leur patrimoine morphologique grâce à la quantité        immense d’information qu’il contient, n’est qu’au début de son        exploration et progresse avec des nouvelles découvertes qui se font        quotidiennement, livrant petit à petit ses secrets.        Grâce au développement rapide des techniques de        séquençage permettant une augmentation importante de la quantité de        séquences produites, le domaine de la paléogénomique a donc encore de        belles années devant elle. C’est un domaine attractif pour les        étudiants et le nombre de docteurs en paléogénétique et paléogénomique        est en pleine croissance. Les étudiants doivent acquérir des        compétences pointues en biologie moléculaire et en bioinformatique ce        qui place le vivier de recrutement plutôt du côté des biologistes que        des archéologues. Toutefois une formation complémentaire en        archéologie s’adressant à ce corps de métier serait bénéfique car elle        faciliterait la discussion avec les archéologues, la mise en place de        protocoles de prélèvement et la collaboration avec des collègues des        pays où l’exportation d’échantillons est interdite, contribuant ainsi        à une meilleure interprétation des résultats. Cette évolution        permettra d’augmenter encore la contribution de ce domaine à        l’archéologie et à notre connaissance de l’évolution des humains et        des sociétés pré-, proto- et historiques, de la biodiversité du passé,        de la paléoécologie et de la domestication des animaux et plantes.