Des chromosomes de mammouth découverts dans une peau « congelée instantanément »

Une équipe de scientifiques de haut niveau a fait une découverte remarquable dans les petites molécules d'une créature géante : l'architecture du génome parfaitement préservée dans les restes d'un mammouth laineux vieux de 52 000 ans. La peau desséchée est si bien préservée qu'elle contient des chromosomes de mammouth intacts, offrant aux chercheurs un aperçu sans précédent de la biologie de cet animal ancien.

Les derniers mammouths ont disparu il y a 4 000 ans, une période suffisamment récente pour que certaines pyramides soient déjà construites en Égypte. Pour cette étude, l'équipe a toutefois examiné des échantillons de mammouths datant respectivement de 52 000 et 39 000 ans, époque à laquelle les humains anatomiquement modernes partageaient encore la planète avec les Néandertaliens.

Des restes de mammouths ont été retrouvés dans la steppe où ils vivaient autrefois. Les restes de ces proboscidiens velus sont souvent préservés dans le pergélisol (sol arable gelé en permanence), bien que les phases de dégel et de regel puissent endommager les structures microscopiques des tissus mous des animaux. Parfois, la préservation est étonnante. En 2022, par exemple, un jeune mammouth parfaitement préservé a été découvert dans une mine d'or du Yukon. Mais la récente découverte a révélé une préservation à une échelle entièrement différente : moléculaire. Les recherches de l'équipe ont été publiées aujourd'hui dans Cellule.

« Nous avons regardé autour de nous, nous avons creusé et, en zoomant enfin, nous avons pu voir que nous étions en présence d'un nouveau type de fossile », a déclaré le co-auteur de l'étude Erez Lieberman Aiden, informaticien et généticien affilié à l'université Rice, au Baylor College of Medicine et au Broad Institute du MIT et de Harvard, lors d'une conférence de presse mardi dernier.

Comment les chromosomes ont-ils pu survivre si longtemps ?

Les restes de mammouths vieux de 52 000 ans étudiés par l’équipe ont conservé leurs poils à l’échelle millimétrique, ce qui suggère que le mammouth laineux a été congelé instantanément. Selon l’équipe, cette préservation indique qu’il a été congelé environ 10 000 ans avant l’extinction des Néandertaliens, car les poils intacts signifient que l’échantillon de peau n’a subi aucune décongélation depuis lors. Ainsi, l’animal a conservé ses poils, ses follicules, ses cellules intactes et, bien sûr, ses chromosomes repliés dans leurs régions de la cellule. L’équipe de recherche a pu voir les boucles génétiques qui géraient l’expression d’un certain gène.

« Cet échantillon a été lyophilisé, formant une sorte de viande de bœuf séchée », a expliqué Leiberman Aiden. La viande de bœuf séchée est une viande qui a subi une transition vitreuse, ce qui la rend durable. Lorsqu'elle a été lyophilisée, la peau de mammouth est devenue un embouteillage moléculaire au niveau microscopique, où les chromosomes ne pouvaient pas se diffuser. Les échantillons de peau sont devenus des capsules temporelles pour les molécules anciennes, et l'équipe a surnommé le matériel génétique congelé « chromoglass ».

La qualité des restes a permis d'assembler le premier génome d'une espèce éteinte, ont expliqué les chercheurs. Les mammouths avaient 28 chromosomes, tout comme les éléphants (et contrairement aux humains, qui en ont 23). L'équipe a reconstitué les chromosomes des mammouths en 3D. Pour nous, cela ressemble à un nœud gordien. Mais pour les chercheurs, c'est un aperçu étonnamment précis des structures microscopiques qui ont permis de dessiner les plans des géants de la steppe de l'ère glaciaire.

« La diversité que l’on peut saisir avec ce génome gigantesque ouvre de nouvelles perspectives en matière de comparaison entre espèces », a déclaré Cynthia Pérez Estrada, chercheuse au Baylor College of Medicine et co-auteure de l’étude, lors de la conférence de presse. « Le simple fait de disposer de cette empreinte de l’organisation de la chromatine dans l’espace tridimensionnel est incroyable. »

Le « bœuf séché » de mammouth a conservé la structure moléculaire des chromosomes intacte

L’équipe a fait tout ce qu’elle pouvait pour essayer de détruire la structure moléculaire du chromoglass. Pour leurs tests, ils ont remplacé la peau de mammouth desséchée par de la mortadelle de bœuf déshydratée de Boar’s Head, qui avait pratiquement la même structure au niveau moléculaire. Les chercheurs ont plongé le bœuf chromoglass dans de l’eau, de l’acide et de l’azote liquide ; ils l’ont passé au micro-ondes, l’ont frappé avec des balles de baseball et un maillet ; ils l’ont écrasé avec une voiture, l’ont brutalisé verbalement (« l’ont émotionnellement endommagé », ont-ils plaisanté lors de la conférence de presse) et l’ont bombardé de cartouches de fusil de chasse (voir ci-dessous). Malgré la fragmentation du matériau, la structure chromosomique de la substance est restée intacte à l’échelle microscopique.

« Ce sont les premiers (chromosomes préservés) », a déclaré Olga Dudchenko, chercheuse en génomique à l’université Rice et au Baylor College of Medicine et co-auteure de l’étude, lors de la conférence de presse. « Nous pensons que beaucoup d’autres seront découverts dans les années à venir. »

Les nouvelles découvertes révèlent une préservation moléculaire jamais vue auparavant dans des restes anciens. Si de l'ADN plus ancien a été découvert (une poignée d'auteurs de la nouvelle étude faisaient partie de l'équipe qui a publié des recherches sur l'ADN le plus ancien préservé à l'époque, dans des défenses de mammouth vieilles de plusieurs millions d'années), les restes nouvellement décrits ont permis d'étudier la manière dont les gènes du mammouth étaient exprimés et son génome assemblé. Le record actuel de l'ADN séquencé le plus ancien appartient à une bande d'ADN environnemental récupérée dans le nord du Groenland, et à partir de laquelle l'équipe de recherche a pu reconstituer l'environnement ancien du début du Pléistocène.

Que peuvent faire les scientifiques avec des chromosomes congelés instantanément ?

La préservation parfaite de ce matériau moléculaire délicat pourrait avoir des implications pour la dé-extinction, le processus par lequel certaines équipes scientifiques et entreprises tentent de produire des espèces de substitution qui, à toutes fins utiles, représentent des animaux récemment éteints. Plus précisément, l’étude de la manière dont les gènes qui régulent la résistance au froid et favorisent la pousse des poils pourrait être utile aux entreprises qui tentent de créer des mammouths du XXIe siècle. Plus tôt cette année, l’une de ces entreprises, Colossal Biosciences, a réussi à créer des cellules souches d’éléphant, les premières à être conçues à l’état embryonnaire. Néanmoins, l’équipe a souligné que la dé-extinction est un processus difficile et non l’objectif de leurs recherches.

« Nous sommes une espèce très puissante sur une très petite planète, qui prend des décisions importantes sur l’avenir de notre espèce et de la vie sur cette planète, dans un contexte de changements climatiques, par exemple », a déclaré Leiberman Aiden. « Il s’agit de notre capacité à apprendre du passé.«

L'IA peut aider à décomposer l'arbre de vie

L'éléphant d'Asie est le parent vivant le plus proche du mammouth laineux. Les scientifiques peuvent mieux comprendre la génétique des éléphants en utilisant les chromosomes des mammouths. Mais la génétique des éléphants peut également éclairer les scientifiques sur leur compréhension du mammouth. Les scientifiques peuvent proposer aux modèles d'IA un brin de code génétique et demander à l'IA où les protéines étaient probablement liées dans le mammouth, ou comment le génome est probablement plié.

« Même une poignée de données sur les mammouths, lorsqu’elles sont transmises à ces IA, peuvent donner lieu à une mine d’informations », a déclaré Lieberman Aiden à Gizmodo. Outre l’éléphant d’Asie, les outils d’IA peuvent contextualiser le génome du mammouth sur l’arbre de la vie. « La grande puissance de l’IA est sa capacité à recueillir des informations sur toutes ces espèces et à les synthétiser afin de vous donner des estimations assez fiables », a ajouté Leiberman Aiden.

Une combinaison de nouvelles technologies, de méthodes inventives et de chance nous permet de découvrir le monde antique à des échelles jusqu'alors inédites. Comprendre l'énorme mammouth à l'échelle moléculaire nous aide à comprendre le passé ancien, mais aussi à envisager les animaux actuels pour l'avenir.