Reconstruire le génome des mammouths laineux

OAu fil du temps, l’ADN peut se dégrader en de nombreux fragments courts qui se tortillent. Au bout d’un certain temps, le chromosome perd sa structure d’origine et ses informations génétiques sous l’effet des ravages du temps. Cependant, les chercheurs se sont demandé s’il existait des chromosomes fossiles ayant conservé leur configuration tridimensionnelle d’origine.

Pour le savoir, une équipe internationale de chercheurs s’est lancée dans une expédition dans la toundra glacée de Sibérie. En 2018, ils ont découvert un échantillon de peau prometteur et bien conservé d’un titan géant de l’ère glaciaire : un mammouth laineux vieux de 52 000 ans.

En utilisant une technique à haut débit pour capturer la conformation de la chromatine (Hi-C) et le séquençage de l’ADN, les généticiens moléculaires Erez Lieberman Aiden et Olga Doudchenko au Baylor College of Medicine, ont réassemblé la structure tridimensionnelle de l’ADN et de son génome, première reconstruction de ce genre.¹ Ces résultats, publiés dans Cellulea découvert une nouvelle biologie et inauguré un nouveau chapitre passionnant de la paléogénomique.

Échantillonnage de chromosomes fossiles pour découvrir des informations génétiques

En règle générale, les fragments d’ADN anciens ne fournissent que de courts fragments d’ADN et une image incomplète du puzzle génomique. Cependant, l’échantillon de peau de mammouth laineux s’est révélé prometteur. Dudchenko a observé que l’échantillon était exceptionnellement bien préservé de l’échelle macroscopique à l’échelle nanométrique, sans aucun mouvement moléculaire, et pourrait potentiellement contenir une image génomique plus complète.

Pour explorer la morphologie 3D des chromosomes existants, Lieberman Aiden a modifié un in situ Protocole Hi-Csurnommé PaleoHi-C.² Cette technique, adaptée aux échantillons anciens et combinée au séquençage de l’ADN, a permis aux chercheurs de cartographier les caractéristiques des chromosomes, d’assembler un génome de référence et de déterminer les modèles d’activation des gènes.

Grâce à ces données, l’équipe a réalisé la première reconstruction 3D du génome du mammouth laineux, qui comptait 28 chromosomes ; l’ordre des gènes était très similaire à celui de l’éléphant d’Asie. Ensuite, après avoir analysé les chromosomes X, ils ont confirmé qu’il s’agissait d’un mammouth laineux femelle. Ils ont également observé des superdomaines inactifs du chromosome X (Xi), un modèle ressemblant à l’architecture bipartite observée chez les humains et les souris. Cependant, à la surprise des chercheurs, ils ont découvert une nouvelle biologie. Dudchenko a noté que le mammouth « était un peu surdoué », car son Xi présentait une architecture tétradique. Ce modèle est également observé chez les éléphants modernes.

Ils ont ensuite comparé le degré d’activité transcriptionnelle de l’ADN entre les tissus de mammouth et d’éléphant. « Nous avons observé des différences intéressantes dans les gènes liés au développement des follicules pileux et, plus généralement, à l’entretien des cheveux », a remarqué Dudchenko.

Survivre au pergélisol pendant 52 000 ans dans un état vitreux

Les chercheurs se sont demandés s’il y avait un miracle à l’origine de cette préservation, car historiquement, il n’existait que peu de données pertinentes pour comprendre la physique de cet échantillon résistant au pergélisol. Lieberman Aiden a réalisé que l’équipe devait changer d’état d’esprit pour mieux comprendre ce phénomène. « Les mammouths laineux étaient chassés pour leur nourriture délicieuse, pas seulement comme échantillons biologiques », a-t-il expliqué.

Lorsque la viande est laissée à l’air libre, elle se gâte rapidement et son génome se dégrade. Cependant, depuis l’Antiquité, les hommes ont recours au refroidissement et à la déshydratation pour conserver les aliments. La physique de cette astuce est bien comprise et fait l’objet de nombreuses recherches sur l’alimentation. Au cours de ce processus, l’élimination de l’eau augmente la viscosité de l’échantillon, ce qui arrête la diffusion moléculaire et préserve les molécules à leur emplacement d’origine.

« Il s’agit essentiellement d’un morceau de peau de mammouth déshydraté, ou de viande séchée de mammouth », explique Dudchenko. «« Nous avons suggéré que la déshydratation conduisait à une transition vitreuse de la chromatine qui arrêtait le mouvement moléculaire des fragments d’ADN, que nous avons baptisé verre de chromatine ou « chromoglass ».

Les chercheurs ont testé un lot de viande séchée lyophilisée en laboratoire et l’ont examiné pour voir dans quelle mesure l’architecture génomique 3D était préservée dans la viande séchée. Comme un morceau de tissu déshydraté laissé à température ambiante est resté intact après un an, les chercheurs ont mis la barre plus haut. Ils ont soumis la viande séchée à divers facteurs de stress : ils l’ont écrasée avec une voiture, lui ont tiré dessus avec un fusil de chasse, l’ont réhydratée dans une solution acide, l’ont immergée dans de l’azote liquide et ont même demandé à un ancien lanceur partant des Astros de Houston de lui lancer une balle rapide. Malgré ces tests, l’architecture de la chromatine dans la viande séchée est restée incroyablement robuste.

Les implications du chromoglass et la compréhension du monde antique

Selon Lieberman Aiden et Dudchenko, ils ont eu la chance de trouver un échantillon complémentaire à leur approche de séquençage. En détectant des traces significatives d’activité génétique, les chercheurs se sont montrés optimistes quant à l’utilisation de leur approche robuste pour des échantillons anciens préservés de la même manière. « Cela ouvre de nouvelles possibilités pour mener des études fonctionnelles qui étaient auparavant impossibles », a déclaré Dudchenko. Lieberman Aiden a ajouté : « Cette forme spéciale d’ADN ancien, qui préserve les chromosomes anciens, promet d’être une nouvelle fenêtre et une sorte de preuve sur l’histoire de la vie sur cette terre. »