Origines et Diversité Génétique Humaine

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1 Origines et Diversité Génétique Humaine Paul Verdu Chargé de Recherches CNRS UMR7206 Eco-Anthropologie et Ethnobiologie MNHN-Musée de l Homme verdu@mnhn.fr

2 Plan du cours Introduction: L homme dans l arbre du Vivant 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents 2. L homme parmi les primates 3. La diversité génétique humaine et l histoire du peuplement

3 Introduction Paléoanthropologie L Homme dans l Arbre du Vivant Depuis ~ ans, Homo sapiens est la seule espèce d hominidés présente à la surface du globe

4 Introduction L Homme dans l Arbre du Vivant Carl von Linné ( ) Systema Naturae (1735) : L Homme constitue une branche séparée du vivant, incluant les singes «anthropomorphes», appelée Anthropomorpha. Il crée la branche Homo sapiens subdivisée en 5 variétés basées sur le continent, la couleur de peau et les tempéraments: Europæus albus (Européen blanc); Americanus rubescens (Américain rouge); Asiaticus luridus (Asiatique jaune); Africanus niger (Africain Noir); Monstrosus (ex: pygmaeus) Regnum Animale (1735)

5 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents

6 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents 23 paires de chromosomes

7 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents 23 paires de chromosomes 3 milliards de paires de bases Information génétique codée dans le motif de 4 molécules de bases: A (Adénine), G (Guanine), C (Cytosine), T (Thymine)

8 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents 23 paires de chromosomes 3 milliards de paires de bases Environ 30,000 gènes codant des protéines..atgatcgattctaggcgatttaacggcgctaatgatcgattctaggcgaaac ggcgctaatgatcgattctaggcgaaaccaaacggcgctaatgatcgattctag gcgaaacggcgctaatgatcgattcttaggcgaaacggcgctaatgatcgattct aggcgttraaacggcgctaatgatgatcgattctaggcgaaacggcgctaatgat cgattcctagccgcgaaaaaggcgttaaacggcgctaattatgatcgattctagg cgaaacggcgctaatgatcgattcctagccgcgaaaaatcggcgctaatgatcg attctaggcgatttaacggtgataatgatcgattctaggcgaaacggcgctaatga tcgattctaggcgaaaccaaacggcgctaatgatcgattctaggcgaaacggcg ctaatgatcgattcttaggcgaaacggcgctaatgatcg..

9 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents 23 paires de chromosomes 3 milliards de paires de bases Environ 30,000 gènes codant des protéines

10 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents Nous héritons de la moitié de l ADN de notre père et de notre mère qui eux même ont hérité Grandparents Parents

11 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents Nous héritons de la moitié de l ADN de notre père et de notre mère qui eux même ont hérité Grandparents Parents Nous Le patrimoine génétique d un individus est une mosaïque complexe des patrimoines génétiques de sa parentèle

12 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents Par réplication, l ADN est transmis à l identique des parents aux enfants A l exception de mutations apparaissant au hasard MUTATION Si l ADN muté est transmis à la descendance: Variabilité génétique entre individus

13 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents Avec le temps (parfois beaucoup de temps ), les mutations s accumulent, les populations se différencient les espèces divergent génétiquement Ensembl Sept Whole genome alignments Unrooted Dendrogram

14 1. Le génome (humain) et sa transmission: tous parents, tous différents Avec le temps (parfois beaucoup de temps ), les mutations s accumulent, les populations se différencient les espèces divergent génétiquement Ensembl Sept Whole genome alignments Unrooted Dendrogram L Horloge Moléculaire nous permet de dater ces divergences entre espèces et entre populations au sein d une même espèce Il «suffit» de compter les mutations différenciant les individus vivant aujourd hui

15 2. L homme parmi les primates

16 2. L homme parmi les primates Divergence génétique Homme/Chimpanzé: ~ 1 4 % Soit environ millions de différences entre séquences de nucléotides A-T-G-C (Varki and Altheide, Genome Research, 2005) ~ 5 7 millions d années Bonobo Chimpanzé Homo Gorille Orang-outan Gibbons

17 2. L homme parmi les primates Divergence génétique Homme/Chimpanzé: ~ 1 4 % Soit environ millions de différences entre séquences de nucléotides A-T-G-C (Varki and Altheide, Genome Research, 2005) ~ 5 7 millions d années Bonobo Chimpanzé Homo Gorille Orang-outan Gibbons Une partie de ces millions de différences génétiques est responsable des différences phénotypiques (s. l.) observables entre Homme et Chimpanzé

18 2. L homme parmi les primates En comparant le génome humain à celui du chimpanzé, on peut identifier les gènes et les mutations impliquées dans le déterminisme de certaines différences phénotypiques entre espèces Exemples: Développement et Morphologie Métabolisme nutritionnel et immunité Perception sensorielle Traits d histoire de vie Marques-Bonet, Ryder and Eichler Primate Comparative Genomics: the evolution of our order Annu Rev Genomics Hum Genet, 2009

19 3. La diversité génétique humaine et l histoire du peuplement

20 Forces évolutives influençant la variabilité génétique humaine VARIABILITE GENETIQUE PHENOTYPES

21 Forces évolutives influençant la variabilité génétique humaine 1. MUTATION VARIABILITE GENETIQUE PHENOTYPES

22 Forces évolutives influençant la variabilité génétique humaine 1. MUTATION 2. DEMOGRAPHIE VARIABILITE GENETIQUE PHENOTYPES

23 Forces évolutives influençant la variabilité génétique humaine 1. MUTATION 2. DEMOGRAPHIE VARIABILITE GENETIQUE PHENOTYPES 3. SELECTION

24 Forces évolutives influençant la variabilité génétique humaine 1. MUTATION 2. DEMOGRAPHIE ex: Polygamie, exogamie VARIABILITE GENETIQUE PHENOTYPES ex: Régime alimentaire, environnement pathogénique 3. SELECTION CULTURE

25 Diversité génétique mondiale Echantillon de populations mondiales du panel du HGDP-CEPH

26 Homo sapiens est une espèce génétiquement très homogène à l échelle mondiale Plus de 94% de la diversité génétique mondiale s explique par des différences entre deux individus pris au hasard dans la même population Moins de 6% de la diversité génétique mondiale s explique par des différences entre deux individus pris au hasard dans des populations différentes Lewontin, The Apportionment of Human Diversity, Evolutionary Biology 1972 Rosenberg et al., Genetic Structure of Human Populations, Science 2002

27 Isolement: Populations fortement différenciées Population 1 Population 2 Individus F SS = 1 H S H T Allèles p 1 ( )= 10/12 q 1 ( ) = 2/12 H 1 = 2 p 1 q 1 = p 2 ( ) = 1/12 q 2 ( ) = 11/12 H 2 = 2 p 2 q 2 = H S = H 1 + H 2 2 =

28 Isolement: Populations fortement différenciées Population 1 Population 2 Individus F SS = 1 H S H T Allèles p 1 ( )= 10/12 q 1 ( ) = 2/12 H 1 = 2 p 1 q 1 = p 2 ( ) = 1/12 q 2 ( ) = 11/12 H 2 = 2 p 2 q 2 = H S = H 1 + H 2 2 = p ( ) = p 1 ( ) + p 2 ( ) /2 = q ( ) = q 1 ( ) + q 2 ( ) /2 = H T = 2 p q = F SS = 1 H S H T = C est le cas des populations de loups par exemple!

29 Isolement: Populations faiblement différenciées Population 1 Population 2 Individus F SS = 1 H S H T Allèles p 1 ( )= 7/12 q 1 ( ) = 5/12 H 1 = 2 p 1 q 1 = p 2 ( ) = 6/12 q 2 ( ) = 6/12 H 2 = 2 p 2 q 2 = 0.5 H S = H 1 + H 2 2 =

30 Isolement: Populations faiblement différenciées Population 1 Population 2 Individus F SS = 1 H S H T Allèles p 1 ( )= 7/12 q 1 ( ) = 5/12 H 1 = 2 p 1 q 1 = p 2 ( ) = 6/12 q 2 ( ) = 6/12 H 2 = 2 p 2 q 2 = 0.5 H S = H 1 + H 2 2 = p ( ) = p 1 ( ) + p 2 ( ) /2 = q ( ) = q 1 ( ) + q 2 ( ) /2 = H T = 2 p q = F SS = 1 H S H T = C est le cas des populations humaines!

31 Homo sapiens est une espèce génétiquement très homogène à l échelle mondiale Une très faible proportion de la diversité génétique humaine est responsable des différences phénotypiques déterminées génétiquement observées entre deux individus de populations différentes Lewontin, The Apportionment of Human Diversity, Evolutionary Biology 1972 Rosenberg et al., Genetic Structure of Human Populations, Science 2002

32 La diversité génétique humaine est structurée et emboitée Verdu et al., Plos Genetics 2014

33 La diversité génétique humaine est structurée et emboitée Afrique Amériques Verdu et al., Plos Genetics 2014

34 La diversité génétique humaine est structurée et emboitée Afrique Europe/ Moyen Orient/ Asie Centrale Amériques Verdu et al., Plos Genetics 2014

35 La diversité génétique humaine est structurée et emboitée Afrique Europe/ Moyen Orient/ Asie Centrale Asie de l Est/ Océanie Amériques Verdu et al., Plos Genetics 2014

36 La diversité génétique humaine est structurée et emboitée Verdu et al., Plos Genetics 2014

37 Quelle histoire du peuplement humain?

38 Deux modèles alternatifs pour l origine et l histoire du peuplement d Homo sapiens Modèle Effets Fondateurs en Série: 1. Toutes les populations filles dérivent de la même population ancestrale 2. Récemment: migrations entre populations voisines ex: DeGiorgio et al. PNAS 2009

39 Deux modèles alternatifs pour l origine et l histoire du peuplement d Homo sapiens Modèle Effets Fondateurs en Série: Modèle Multirégional: 1. Toutes les populations filles 1. Fragmentation ancienne et long dérivent de la même population isolement des populations filles ancestrale 2. Récemment: migrations entre 2. Récemment: migrations entre populations voisines populations voisines ex: DeGiorgio et al. PNAS 2009

40 Attendus de la génétique des populations sous le modèle «Effets Fondateurs en Série» Modèle Effets Fondateurs en Série: 1. Toutes les populations filles dérivent de la même population ancestrale 2. Récemment: migrations entre populations voisines ex: DeGiorgio et al. PNAS 2009

41 Attendus de la génétique des populations sous le modèle «Effets Fondateurs en Série» Modèle Effets Fondateurs en Série: 1. Toutes les populations filles dérivent de la même population ancestrale 2. Récemment: migrations entre populations voisines ex: DeGiorgio et al. PNAS 2009 La diversité génétique de la nouvelle population dérive de celle de la population source La diversité génétique diminue dans la nouvelle population à chaque effet fondateur

42 Attendus de la génétique des populations sous le modèle «Multirégional» Modèle Multirégional: 1. Fragmentation ancienne et long isolement des populations filles Les populations isolées se différencient génétiquement de plus en plus avec le temps 2. Récemment: migrations entre populations voisines ex: DeGiorgio et al. PNAS 2009

43 Attendus de la génétique des populations sous le modèle «Multirégional» Modèle Multirégional: 1. Fragmentation ancienne et long isolement des populations filles 2. Récemment: migrations entre populations voisines Les populations isolées se différencient génétiquement de plus en plus avec le temps La diversité génétique attendue est la même entre toutes les populations filles (si régimes démographiques identiques et si migrations de même intensité entre populations voisines) ex: DeGiorgio et al. PNAS 2009

44 Attendus de la génétique des populations sous les deux modèles alternatifs ex: DeGiorgio et al. PNAS 2009

45 Attendus de la génétique des populations sous les deux modèles alternatifs ex: DeGiorgio et al. PNAS 2009

46 En s éloignant de l Afrique de l Est Li et al. Science 2008 Verdu et al. Plos Genetics 2014

47 La diversité génétique mondiale observée Li et al. Science 2008 Verdu et al. Plos Genetics 2014 En moyenne à l échelle du génome, la diversité génétique diminue en s éloignant de l Afrique de l Est

48 Origine africaine de l ensemble des populations d Homo sapiens actuelles Horloge moléculaire: «Out of Africa» et colonisation du reste du monde débuté il y a environ 80,000 ans

49 Origine africaine de l ensemble des populations d Homo sapiens actuelles Courtesy of Kenneth Kidd Yale Medical School

50 Origine africaine de l ensemble des populations d Homo sapiens actuelles Courtesy of Kenneth Kidd Yale Medical School

51 Origine africaine de l ensemble des populations d Homo sapiens actuelles Courtesy of Kenneth Kidd Yale Medical School

52 Quelle route(s) pour la sortie d Afrique?

53 Origine africaine de l ensemble des populations d Homo sapiens actuelles Colonisation rapide du globe et adaptations locales à de nombreux environnements climatiques, pathogéniques, nutritionnels Cavalli-Sforza and Feldman, Nature Genetics 2003

54 Origine africaine de l ensemble des populations d Homo sapiens actuelles Colonisation rapide du globe et adaptations locales à de nombreux environnements climatiques, pathogéniques, nutritionnels Cavalli-Sforza and Feldman, Nature Genetics 2003