La compréhension de l’évolution humaine est un domaine riche qui combine diverses disciplines scientifiques. Les techniques moléculaires viennent aujourd’hui compléter les méthodes plus traditionnelles d’analyse morphologique des fossiles. Fin 2013, le séquençage presque complet du génome de l’homme de Néandertal  1 a mis en lumière de manière spectaculaire la toute jeune discipline de la paléogénomique en montrant qu’elle pouvait apporter de précieuses informations sur notre histoire ancienne, par exemple en apportant des preuves d’hybridations entre humains archaïques et modernes, ou encore en permettant la découverte d’une toute nouvelle espèce, l’homme de Denisova, à partir de seulement quelques dents et d’un petit bout de phalange 2. Cet exploit technique a ainsi valu à Svante Pääbo de recevoir en 2022 le prix Nobel de physiologie ou médecine « pour ses découvertes sur les génomes d’espèces humaines éteintes et l’évolution humaine » 3.

Contrairement à l’ADN, qui se dégrade rapidement (Figure 1), les protéines se révèlent plus résistantes et sont ainsi utilisées en paléoprotéomique, une discipline qui a pour objectif de faire parler les protéines anciennes, en particulier quand l’ADN ancien a disparu ou est devenu complètement inexploitable. C’est par exemple par l’analyse des protéines anciennes que la mandibule de Xiahe – trouvée dans la grotte karstique de Baishiya dans le district de Xiahe, dans la province de Gansu, en Chine – a pu être attribuée à l’Homme de Denisova, alors qu’aucune trace d’ADN ancien n’avait été préservée 1. La mandibule de Xiahe a été datée d’environ 160 000 ans, mais le champ d’étude de la paléoprotéomique s’est dernièrement étendu à des restes fossiles bien plus anciens, tels que ceux du genre Paranthropus 2.

Les paranthropes forment un groupe d’hominidés éteints ayant vécu en Afrique il y a 1 à 2,8 millions d’années. Trois espèces sont généralement distinguées : P. robustus, P. boisei et P. aethiopicus (mais il est possible que ces deux dernières soient en réalité la même espèce). Les paranthropes sont connus pour leur morphologie robuste, avec notamment une crête sagittale proéminente, des mâchoires puissantes et des dents très larges, avec un émail très épais, adaptées à un régime alimentaire herbivore abrasif (Figure 2). Les relations phylogénétiques entre les paranthropes et les autres hominidés, tels que les australopithèques et les premiers membres du genre Homo, sont encore sujettes à débat. Le genre Paranthropus, avec ses caractéristiques morphologiques uniques et sa position controversée au sein de la lignée humaine, offre un terrain idéal pour illustrer l’apport des nouvelles technologies à la recherche paléoanthropologique. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux menés par Palesa P. Madupe, Claire Koenig, Ioannis Patramanis et leurs collègues sur une population ancienne de Paranthropus robustus 1.

Matériels et méthodes

L’objectif principal de l’étude de Madupe et collaborateurs est de clarifier les relations évolutives entre Paranthropus robustus et les autres hominidés éteints, en complétant les analyses morphologiques traditionnelles par des données moléculaires. Pour ce faire les chercheurs ont analysé quatre spécimens dentaires (Figure 3) attribués à P. robustus trouvés sur le site de Swartkrans et datant d’environ 2 millions d’années (étage du Gélasien, Pléistocène inférieur).

L’émail dentaire a été réduit en poudre et dissout avec de l’acide trifluoroacétique pour en extraire les peptides anciens. Cette opération a été réalisée à l’université de Copenhague dans un laboratoire spécialement équipé pour réduire les risques de contamination par des peptides modernes. Après nettoyage, les peptides ont été séparés par chromatographie en phase liquide, puis analysés par spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Cette technique consiste dans un premier temps à ioniser les peptides, puis à mesurer leurs rapports masse/charge. Dans un deuxième temps les peptides sont fragmentés par des collisions avec un gaz inerte et les rapports masse/charge de ces fragments sont à leur tour mesurés (d’où le terme « en tandem »). Le traitement des données ainsi récoltées permet de déterminer la séquence du peptide analysé.

Ces séquences peptidiques ont ensuite été minutieusement comparées et alignées avec les protéines connues de l’émail dentaire chez différentes espèces de singes plus ou moins éloignées de l’homme moderne. Des arbres phylogénétiques ont été produits pour chaque protéine individuellement et pour une concaténation de toutes les protéines (c’est-à-dire toutes les séquences alignées mises bout à bout). Les chercheurs n’ont pas utilisé le critère traditionnel du maximum de parcimonie pour construire ces arbres mais deux méthodes probabilistes plus sophistiquées : le maximum de vraisemblance et l’inférence bayésienne (voir l'encadré ci-dessous). L’étude inclut également une analyse morphométrique des dents de Swartkrans ainsi que de dents provenant d’autres sites.

Résultats et discussion

L’extraction des protéines de paranthropes et la détermination de leurs séquences a été un succès. Le transport des restes au cours de crues subites et le dépôt des sédiments au sein d’une grotte dans une zone au climat aride a certainement contribué à leur bonne préservation en limitant les oscillations thermiques. Les protéines ainsi récupérées sont principalement des protéines structurales de la matrice extracellulaire de l’émail dentaire telles que l’amélogénine, l’améloblastine, l’énaméline, le collagène, etc. L’analyse détaillée des séquences montre des différences génétiques entre les individus et même de l’hétérozygotie (deux allèles différents chez un même individu).

Il a également été possible d’identifier le sexe des quatre spécimens. En effet, l’amélogénine possède deux isoformes, l’une produite par le gène AMELX porté par le chromosome X, l’autre produite par le gène AMELY porté par le chromosome Y. L’amélogénine‑X et l’amélogénine‑Y n’ont pas tout à fait la même séquence et peuvent être distinguées. Comparez par exemple ce peptide dans l’amélogénine‑X « YQSIRPPYPS » avec celui correspondant dans l’amélogénine‑Y « YQSMIRPPYSS ». L’identification de ces peptides spécifiques de l’amélogénine‑Y chez deux spécimens a permis de les identifier comme des mâles (SK 850 et SK 835) tandis que les deux autres sont très probablement des femelles (SK 830 et SK 14132). L’individu SK 835 avait précédemment été identifié comme une femelle sur la base de sa petite taille, ce qui met en lumière les limites des méthodes de sexage fondées sur le dimorphisme sexuel. Il faut toutefois noter que le gène AMELY est parfois absent (délétion complète) chez certains mâles comme cela a été rapporté pour Homo sapiens et pour Homo neanderthalensis. Cette technique moléculaire pourrait donc faussement identifier des mâles comme étant des femelles dans de rares cas.

La reconstruction phylogénétique (Figure 4) montre que tous les spécimens de P. robustus sont plus proches du genre Homo que des autres grands singes, confirmant ainsi l’appartenance des paranthropes à la lignée humaine. Ce résultat est bien sûr cohérent avec les meilleures phylogénies de la lignée humaine disponibles actuellement, comme celle présentée dans la Figure 5 12.

Trois des quatre spécimens de paranthropes forment un clade, mais la position de SK 835 est plus incertaine car la trichotomie que l’on observe indique que ce nœud n’a pas pu être résolu. Autrement dit l’algorithme employé pour construire cet arbre a évalué qu’aucune des trois dichotomies possibles n’était significativement plus vraisemblable que les deux autres.

Différents scénarios, cohérents avec chacune de ces trois possibilités, peuvent être imaginés. Cependant, avant de surinterpréter ces résultats, il faut se rappeler qu’ils reposent sur assez peu de données. L’ensemble des peptides récoltés chez les paranthropes ne comprend en effet que 17 positions cladistiquement informatives à l’échelle des grands singes, et seulement 2 positions qui sont différentes de ce que l’on rencontre dans le genre Homo. La première différence se situe en position 637 dans l’alignement de la protéine COL17A1 pour SK 835 et SK 14132. Ces deux spécimens ont l’état ancestral (proline) qu’ils partagent avec tous les autres grands singes en dehors de la lignée humaine, tandis que le genre Homo a l’état dérivé (alanine). Le peptide en question n’a pas pu être détecté chez les deux autres spécimens. La deuxième différence se situe en position 137 dans l’alignement de la protéine ENAM. Les grands singes africains et le genre Homo ont ici une arginine tandis que SK 830 et SK 850 ont une glutamine, SK 835 une arginine, et SK 14132 est hétérozygote avec les deux versions du peptide. Les orangs-outans présentent aussi une glutamine à la place de l’arginine, ce qui indique une homoplasie, ici une convergence évolutive. Il faut donc se garder de toute interprétation hâtive.

Le polymorphisme génétique est une autre difficulté importante qu’il faut souligner dans ce genre d’études. Le spécimen SK 14132 démontre que plusieurs allèles différents d’un même gène peuvent exister dans une population ancienne, comme c’est le cas dans les espèces modernes. La question du choix de l’allèle pour effectuer la reconstruction phylogénétique se pose alors naturellement. Idéalement, les séquences comparées entre deux espèces doivent avoir divergé après la séparation des deux lignées. On dit dans ce cas-ci que les séquences sont orthologues. Si les séquences comparées ont commencé à diverger avant la séparation des lignées cela signifie qu’elles descendent d’allèles différents présents chez le dernier ancêtre commun. On dit dans ce cas-là que les séquences sont paralogues. Un arbre de gènes ne sera identique à l’arbre des espèces que si l’on compare des allèles orthologues, c’est-à-dire issus d’un même allèle ancestral dont la séquence a divergé entre les espèces après chaque spéciation. Si on compare des allèles paralogues, c’est-à-dire des séquences ayant divergé avant les spéciations qu’on cherche à étudier, alors l’arbre des espèces sera biaisé (Figure 6).

Cette paralogie n’est pas facile à identifier, même avec un échantillonnage plus large des populations, car le polymorphisme ancestral peut disparaître chez les descendants. L’un ou l’autre allèle peut alors s’être fixé aléatoirement dans les espèces modernes. Ce phénomène porte le nom de tri incomplet des lignées, ou incomplete lineage sorting (ILS). L’inférence d’un arbre à partir de séquences paralogues reflète alors l’histoire de ces séquences, mais pas nécessairement l’histoire des espèces. L’apparition d’une discordance due à ce biais est d’autant plus probable que les espèces sont apparentées et que les évènements de spéciations se sont succédé rapidement.

Ces distorsions peuvent être rectifiées en échantillonnant plusieurs gènes différents comme l’ont fait Madupe et ses collaborateurs. Dans leur étude, on remarque justement que les arbres phylogénétiques produits à partir des protéines individuelles sont tous différents les uns des autres et sont également différents de celui produit à l’aide de toutes les séquences concaténées. La concaténation des séquences de plusieurs gènes ou protéines permet ainsi de compenser, au moins partiellement, ce type de biais. Notons pour finir qu’il existe des méthodes plus complexes, mais statistiquement plus robustes que la simple concaténation, fondées sur la théorie de la coalescence, pour tenir compte de ce phénomène, mais elles n’ont pas été employées dans les travaux présentés ici.

Conclusion

On peut regretter que ces travaux ne soient pas parvenus à récolter davantage de données moléculaires, comme des peptides plus longs comportant davantage de positions cladistiquement informatives, ou un échantillonnage d’une plus grande diversité de spécimens, comme d’autres espèces de paranthropes ou des australopithèques. Les méthodes employées dans cette étude constituent toutefois une véritable percée qui ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche en paléoanthropologie. Il est très probable que les mêmes équipes, et d’autres, soient déjà en train de réaliser de nouvelles investigations afin d’approfondir cette voie prometteuse.

Une étude a d’ailleurs permis d’évaluer explicitement le potentiel des protéines anciennes pour l’inférence phylogénétique 1. Les chercheurs ont utilisé les séquences connues d’une grande variété de primates actuels et ont simulé les dégradations typiques qu’elles subissent. Ils ont ensuite vérifié que l’arbre phylogénétique reconstruit à partir de ces séquences très parcellaires avait bien une topologie similaire à l’arbre de référence. Les résultats montrent que la plupart des familles et des genres sont placés correctement avec des âges simulés d’environ 1-2 Ma pour toutes les séquences. De plus, une espèce peut être placée correctement dans l’arbre avec un âge simulé de 5 Ma de ses séquences si les séquences des autres espèces sont complètes (ce qui est typiquement ce qu’on cherche à faire quand on veut placer un fossile au sein d’une phylogénie connue d’espèces actuelles). Ces résultats sont donc encourageants. Par conséquent on peut s’attendre à de nouvelles découvertes dans les années à venir grâce à ces méthodes novatrices.