Il y a des milliers d’années, les humains se sont installés pour la première fois sur le plateau tibétain, une vaste étendue de steppes qui culmine à quelque 14 000 pieds au-dessus du niveau de la mer. Bien que ces pionniers aient eu l’avantage de pénétrer dans un nouvel écosystème sans concurrence avec d’autres personnes, les faibles niveaux d’oxygène à cette altitude ont dû soumettre l’organisme à un stress important, entraînant un mal d’altitude chronique et une mortalité infantile élevée. Il y a deux ans, une vague d’études génétiques a permis d’identifier une variante génétique commune aux Tibétains mais rare dans d’autres populations. Cette variante, qui ajuste la production de globules rouges chez les Tibétains, contribue à expliquer comment ce groupe s’est adapté à ces conditions difficiles. Cette découverte, qui a fait les gros titres dans le monde entier, constitue un exemple spectaculaire de la manière dont les humains ont connu une adaptation biologique rapide à de nouvelles circonstances environnementales dans un passé récent. Une étude a estimé que la variante bénéfique s’est répandue à une fréquence élevée au cours des 3 000 dernières années – un simple instant en termes d’évolution.
Les résultats du Tibet ont semblé renforcer l’idée que notre espèce a subi une adaptation biologique considérable de ce type depuis qu’elle a quitté l’Afrique il y a peut-être 60 000 ans (les estimations vont de 50 000 à 100 000 ans). Le passage à la haute altitude n’est que l’un des nombreux défis environnementaux auxquels l’Homo sapiens a été confronté lors de sa migration des prairies chaudes et des zones arbustives d’Afrique de l’Est vers les toundras glaciales, les forêts tropicales humides et les déserts brûlés par le soleil, soit pratiquement tous les écosystèmes terrestres et toutes les zones climatiques de la planète. Bien sûr, une grande partie de l’adaptation humaine était technologique – pour combattre le froid, par exemple, nous avons fabriqué des vêtements. Mais la technologie préhistorique n’aurait pas suffi à elle seule à surmonter l’air raréfié des montagnes, les ravages des maladies infectieuses et autres obstacles environnementaux. Dans ces circonstances, l’adaptation devait se faire par évolution génétique plutôt que par des solutions technologiques. Il était donc raisonnable de s’attendre à ce que les études de nos génomes révèlent des preuves considérables de mutations génétiques nouvelles qui se sont répandues récemment dans différentes populations par sélection naturelle – c’est-à-dire parce que ceux qui portent les mutations ont plus de bébés en bonne santé qui survivent pour se reproduire que ceux qui ne le font pas.
Il y a huit ans, mes collègues et moi avons entrepris de rechercher les empreintes de ces profonds défis environnementaux sur le génome humain. Nous voulions comprendre comment les humains ont évolué depuis que nos prédécesseurs ont entrepris leur voyage mondial relativement récent. Dans quelle mesure les populations de régions disparates du monde diffèrent-elles génétiquement parce que la sélection naturelle les a récemment adaptées à des pressions environnementales différentes, comme dans le cas des Tibétains ? Quelle proportion de ces différences génétiques provient plutôt d’autres influences ? Grâce aux progrès des technologies d’étude de la variation génétique, nous avons pu commencer à répondre à ces questions.
Les travaux sont toujours en cours, mais les résultats préliminaires nous ont surpris. Il s’avère que le génome contient en fait peu d’exemples de sélection naturelle très forte et rapide. Au lieu de cela, la plupart de la sélection naturelle visible dans le génome semble s’être produite sur des dizaines de milliers d’années. Ce qui semble s’être produit dans de nombreux cas, c’est qu’une mutation bénéfique s’est répandue dans une population il y a longtemps en réponse à une pression environnementale locale, puis a été transportée dans des lieux éloignés lorsque la population s’est étendue à de nouveaux territoires. Par exemple, certaines variantes génétiques impliquées dans la détermination de la couleur claire de la peau, une adaptation à la réduction de l’ensoleillement, sont distribuées en fonction des anciennes routes migratoires, plutôt que de la seule latitude. Le fait que ces anciens signaux de sélection aient persisté pendant des millénaires sans que de nouvelles pressions environnementales ne les écrasent indique que la sélection naturelle opère souvent à un rythme beaucoup plus lent que ce que les scientifiques avaient envisagé. L’évolution rapide d’un gène majeur chez les Tibétains, semble-t-il, n’est pas typique.
En tant que biologiste évolutionniste, on me demande souvent si les humains évoluent encore aujourd’hui. Nous évoluons certainement. Mais la réponse à la question de savoir comment nous évoluons est beaucoup plus compliquée. Nos données suggèrent que le scénario classique de sélection naturelle, dans lequel une seule mutation bénéfique se répand comme une traînée de poudre dans une population, s’est en fait produit relativement rarement chez les humains au cours des 60 000 dernières années. Ce mécanisme de changement évolutif semble plutôt nécessiter des pressions environnementales constantes sur des dizaines de milliers d’années – une situation peu commune une fois que nos ancêtres ont commencé à parcourir le monde et que le rythme de l’innovation technologique a commencé à s’accélérer.
D’ores et déjà, ces résultats contribuent à affiner notre compréhension non seulement de l’évolution humaine récente, mais aussi de ce que notre avenir collectif pourrait réserver. Pour un certain nombre de défis auxquels notre espèce est actuellement confrontée – le changement climatique mondial et de nombreuses maladies infectieuses, par exemple – la sélection naturelle se produit probablement trop lentement pour nous aider beaucoup. Au lieu de cela, nous allons devoir compter sur la culture et la technologie.
Trouver les empreintes
Il y a seulement dix ans, il était extrêmement difficile pour les scientifiques de retracer les réponses génétiques de notre espèce à notre environnement ; les outils nécessaires n’existaient tout simplement pas. Tout cela a changé avec l’achèvement de la séquence du génome humain et le catalogage des variations génétiques qui s’en est suivi. Pour comprendre exactement ce que nous avons fait, il est utile de connaître un peu la structure de l’ADN et la façon dont de petites modifications peuvent affecter sa fonction. La séquence du génome humain se compose d’environ trois milliards de paires de nucléotides d’ADN, ou « lettres », qui servent de manuel d’instruction pour l’assemblage d’un être humain. On sait maintenant que le manuel contient une liste de pièces d’environ 20 000 gènes – des chaînes de lettres d’ADN qui expriment les informations nécessaires à la fabrication des protéines. (Environ 2 % du génome humain code pour des protéines, et une fraction un peu plus importante est impliquée dans la régulation des gènes. La plupart du reste du génome n’a aucun rôle connu.
Dans l’ensemble, les génomes de deux personnes quelconques sont extrêmement similaires, ne différant que d’environ une paire de nucléotides sur 1 000. Les sites où une paire de nucléotides se substitue à une autre sont appelés polymorphismes mononucléotidiques, ou SNP (prononcer « snips »), et les versions alternatives de l’ADN à chaque SNP sont appelées allèles. Comme la majeure partie du génome ne code pas pour des protéines ou ne régule pas les gènes, la plupart des SNP n’ont probablement aucun effet mesurable sur l’individu. Mais si un SNP se trouve dans une région du génome qui a une fonction de codage ou de régulation, il peut affecter la structure ou la fonction d’une protéine ou l’endroit et la quantité de la protéine fabriquée. Ainsi, les SNP peuvent concevoir de modifier presque n’importe quel trait, qu’il s’agisse de la taille, de la couleur des yeux, de la capacité à digérer le lait ou de la sensibilité à des maladies telles que le diabète, la schizophrénie, le paludisme et le VIH.
Lorsque la sélection naturelle favorise fortement un allèle particulier, celui-ci devient plus courant dans la population à chaque génération, tandis que l’allèle défavorisé devient moins courant. Finalement, si l’environnement reste stable, l’allèle bénéfique se répandra jusqu’à ce que tout le monde dans la population le porte, à ce moment-là il est devenu fixe dans ce groupe. Ce processus prend généralement plusieurs générations. Si une personne possédant deux copies de l’allèle bénéfique produit 10 % d’enfants en plus et qu’une personne possédant une seule copie en produit 5 % de plus, en moyenne, qu’une personne ne possédant pas l’allèle bénéfique, il faudra à cet allèle environ 200 générations, soit à peu près 5 000 ans, pour que sa fréquence passe de 1 % à 99 % de la population. En théorie, un allèle utile pourrait se fixer en quelques centaines d’années seulement s’il confère un avantage extraordinairement important. À l’inverse, un allèle moins avantageux pourrait mettre plusieurs milliers d’années à se répandre.
Il serait formidable que, dans nos efforts pour comprendre l’évolution humaine récente, nous puissions obtenir des échantillons d’ADN à partir de restes anciens et suivre réellement les changements des allèles favorisés au fil du temps. Mais l’ADN se dégrade généralement rapidement dans les échantillons anciens, ce qui entrave cette approche. Ainsi, mon groupe de recherche et un certain nombre d’autres dans le monde ont mis au point des méthodes pour examiner la variation génétique chez les humains d’aujourd’hui afin de déceler les signes d’une sélection naturelle qui s’est produite dans le passé.
Une de ces tactiques consiste à passer au peigne fin les données d’ADN de nombreuses personnes différentes pour trouver des tronçons qui présentent peu de différences dans les allèles SNP au sein d’une population. Lorsqu’une nouvelle mutation bénéfique se propage rapidement dans un groupe sous l’effet de la sélection naturelle, elle entraîne avec elle une partie du chromosome qui l’entoure, dans un processus appelé auto-stop génétique. Au fur et à mesure que la fréquence de l’allèle bénéfique augmente dans le groupe, il en va de même pour les fréquences des allèles « neutres » et presque neutres situés à proximité, qui n’affectent pas la structure ou la quantité des protéines de manière appréciable, mais qui accompagnent l’allèle sélectionné. La réduction ou l’élimination de la variation des SNP qui en résulte dans la région du génome contenant un allèle bénéfique est appelée un balayage sélectif. La propagation des allèles sélectionnés par la sélection naturelle peut également laisser d’autres schémas distinctifs dans les données SNP : si un allèle existant s’avère soudainement particulièrement utile lorsqu’une population se retrouve dans de nouvelles circonstances, cet allèle peut atteindre une fréquence élevée (tout en restant rare dans d’autres populations) sans nécessairement générer un signal d’auto-stop.
Au cours des dernières années, de multiples études, dont une que mes collègues et moi-même avons publiée en 2006, ont identifié plusieurs centaines de signaux génomiques de sélection naturelle apparente qui se sont produits au cours des 60 000 dernières années environ – c’est-à-dire depuis que H. sapiens a quitté l’Afrique. Dans quelques-uns de ces cas, les scientifiques connaissent assez bien les pressions sélectives et l’avantage adaptatif de l’allèle favorisé. Par exemple, parmi les populations de producteurs laitiers d’Europe, du Moyen-Orient et d’Afrique de l’Est, la région du génome qui abrite le gène de l’enzyme lactase qui digère le lactose (le sucre du lait) montre des signes évidents d’avoir été la cible d’une forte sélection. Dans la plupart des populations, les bébés naissent avec la capacité de digérer le lactose, mais le gène de la lactase s’éteint après le sevrage, laissant les personnes incapables de digérer le lactose à l’âge adulte. Dans un article publié en 2004 dans l’American Journal of Human Genetics, une équipe du Massachusetts Institute of Technology a estimé que les variantes du gène de la lactase qui restent actives à l’âge adulte ont atteint une fréquence élevée dans les groupes européens d’éleveurs laitiers en seulement 5 000 à 10 000 ans. En 2006, un groupe dirigé par Sarah Tishkoff, aujourd’hui à l’université de Pennsylvanie, a signalé dans Nature Genetics qu’il avait constaté une évolution rapide du gène de la lactase dans les populations d’Afrique de l’Est vivant de l’élevage laitier. Ces changements étaient sûrement une réponse adaptative à une nouvelle pratique de subsistance.
Les chercheurs ont également trouvé des signaux prononcés de sélection dans au moins une demi-douzaine de gènes impliqués dans la détermination de la couleur de la peau, des cheveux et des yeux chez les non-africains. Ici aussi, la pression sélective et le bénéfice adaptatif sont clairs. Lorsque les humains ont quitté leurs terres tropicales, ils ont reçu moins de rayons ultraviolets du soleil. L’organisme a besoin du rayonnement UV pour synthétiser la vitamine D, un nutriment essentiel. Sous les tropiques, le rayonnement UV est suffisamment puissant pour pénétrer la peau foncée dans les quantités nécessaires à la synthèse de la vitamine D. Ce n’est pas le cas sous les hautes latitudes. Ce n’est pas le cas dans les latitudes plus élevées. La nécessité d’absorber des quantités adéquates de vitamine D a presque certainement conduit à l’évolution de la couleur de la peau plus claire dans ces endroits, et les changements dans ces gènes qui portent des signaux de forte sélection ont permis ce changement adaptatif.
Les signaux de sélection apparaissent également dans une variété de gènes qui confèrent une résistance aux maladies infectieuses. Par exemple, Pardis Sabeti de l’Université de Harvard et ses collègues ont trouvé une mutation dans le gène dit LARGE qui s’est récemment répandue à une fréquence élevée chez le peuple Yoruba du Nigeria et qui est probablement une réponse à l’émergence relativement récente de la fièvre de Lassa dans cette région.
Signaux mixtes
Ces exemples et un petit nombre d’autres cas fournissent des preuves solides de la sélection naturelle agissant rapidement pour promouvoir les allèles utiles. Pour la plupart du reste des centaines de signaux candidats, cependant, nous ne savons pas encore quels facteurs environnementaux ont favorisé la propagation de l’allèle sélectionné, ni quel effet l’allèle exerce sur les personnes qui l’hébergent. Jusqu’à récemment, nous et d’autres personnes avons interprété ces signaux candidats comme signifiant qu’il y avait eu au moins quelques centaines de balayages sélectifs très rapides au cours des 15 000 dernières années dans plusieurs populations humaines qui ont été étudiées. Mais dans des travaux plus récents, mes collègues et moi-même avons trouvé des preuves suggérant qu’au contraire, la plupart de ces signaux ne sont pas du tout le résultat d’une adaptation rapide et très récente aux conditions locales.
En collaboration avec des collaborateurs de l’Université de Stanford, nous avons étudié un ensemble massif de données SNP générées à partir d’échantillons d’ADN obtenus auprès d’environ 1 000 individus du monde entier. Lorsque nous avons examiné les distributions géographiques des allèles sélectionnés, nous avons constaté que les signaux les plus prononcés ont tendance à s’inscrire dans l’un des trois schémas géographiques suivants. Il y a d’abord ce que l’on appelle les balayages hors d’Afrique, dans lesquels l’allèle favorisé et ses auto-stoppeurs existent à une fréquence élevée dans toutes les populations non africaines. Ce schéma suggère que l’allèle adaptatif est apparu et a commencé à se répandre très peu de temps après que les humains ont quitté l’Afrique, mais alors qu’ils étaient encore limités au Moyen-Orient – donc peut-être il y a environ 60 000 ans – et qu’il a ensuite été transporté autour du globe lors de la migration des humains vers le nord et l’est. Il existe ensuite deux autres schémas géographiques plus restreints : les balayages d’Eurasie occidentale, dans lesquels un allèle favorisé est présent à une fréquence élevée dans toutes les populations d’Europe, du Moyen-Orient, d’Asie centrale et d’Asie du Sud, mais pas ailleurs ; et les balayages d’Asie orientale, dans lesquels l’allèle favorisé est le plus courant en Asie orientale, ainsi qu’en général chez les Amérindiens, les Mélanésiens et les Papous. Ces deux schémas représentent probablement des balayages qui ont commencé peu après que les Eurasiens de l’Ouest et les Asiatiques de l’Est se soient séparés et aient pris des chemins différents. (On ne sait pas précisément quand cela s’est produit, mais probablement il y a environ 20 000 à 30 000 ans.)
Ces modèles de balayage révèlent quelque chose de très intéressant : les anciens mouvements de population ont fortement influencé les distributions des allèles favorisés à travers le globe, et la sélection naturelle n’a pas fait grand-chose pour affiner ces distributions en fonction des pressions environnementales modernes. Par exemple, l’un des acteurs les plus importants de l’adaptation à une couleur de peau plus claire est une variante du gène SLC24A5. Comme il s’agit d’une adaptation à un ensoleillement réduit, on pourrait s’attendre à ce que sa fréquence dans la population augmente avec la latitude et que sa distribution soit similaire chez les personnes originaires d’Asie du Nord et d’Europe du Nord. Au lieu de cela, nous observons un balayage de l’Eurasie occidentale : la variante du gène et l’ADN auto-stop qui voyage avec elle sont communs du Pakistan à la France, mais essentiellement absents de l’Asie de l’Est, même aux latitudes nord. Cette répartition indique que la variante bénéfique est apparue dans la population ancestrale des Eurasiens de l’Ouest – après qu’ils aient divergé des ancêtres des Asiatiques de l’Est – qui l’ont transportée dans toute cette région. Ainsi, la sélection naturelle a conduit très tôt l’allèle bénéfique SLC24A5 à une fréquence élevée, mais l’histoire ancienne de la population a contribué à déterminer les populations qui le possèdent aujourd’hui et celles qui ne le possèdent pas. (D’autres gènes expliquent la peau claire des Asiatiques de l’Est.)
Un examen plus approfondi des signaux de sélection dans ces données et d’autres révèle un autre schéma curieux. La plupart des allèles présentant les différences de fréquence les plus extrêmes entre les populations – ceux qui se produisent chez presque tous les Asiatiques mais pas chez les Africains, par exemple – ne présentent pas les forts signaux d’auto-stop que l’on s’attendrait à voir si la sélection naturelle conduisait rapidement ces nouveaux allèles à une fréquence élevée. Au contraire, ces allèles semblent s’être propagés progressivement au cours des quelque 60 000 ans qui ont suivi le départ de notre espèce d’Afrique. À la lumière de ces observations, mes collaborateurs et moi-même pensons maintenant que les balayages sélectifs manuels – où la sélection naturelle conduit rapidement une nouvelle mutation avantageuse à la fixation – se sont en fait produits assez rarement depuis le début de la diaspora de H. sapiens. Nous soupçonnons que la sélection naturelle agit généralement de manière relativement faible sur les allèles individuels, les favorisant ainsi très lentement. Par conséquent, la plupart des allèles subissant une pression de sélection peuvent atteindre une fréquence élevée uniquement lorsque la pression persiste pendant des dizaines de milliers d’années.
Un trait, de nombreux gènes
Nos conclusions peuvent sembler paradoxales : s’il a généralement fallu 50 000, et non 5 000 ans, pour qu’un allèle utile se répande dans une population, comment les humains ont-ils jamais réussi à s’adapter rapidement à de nouvelles conditions ? Bien que les adaptations les mieux comprises résultent de la modification d’un seul gène, il se peut que la plupart des adaptations ne se produisent pas de cette manière, mais découlent plutôt de variantes génétiques ayant des effets légers sur des centaines ou des milliers de gènes pertinents à travers le génome – c’est-à-dire qu’elles sont polygéniques. Un article publié en 2010, par exemple, a identifié plus de 180 gènes différents qui influencent la taille humaine, et il en reste certainement beaucoup d’autres à découvrir. Pour chacun d’entre eux, un allèle n’augmente la taille moyenne que d’environ un à cinq millimètres par rapport à un autre allèle.
Lorsque la sélection naturelle cible la taille humaine – comme cela s’est produit chez les populations pygmées qui vivent dans des habitats de forêt tropicale en Afrique, en Asie du Sud-Est et en Amérique du Sud, où la petite taille du corps peut être une adaptation à la nutrition limitée disponible dans ces environnements – elle peut opérer en grande partie en modifiant les fréquences alléliques de centaines de gènes différents. Si la version « courte » de chaque gène de la taille devenait seulement 10 % plus fréquente, la plupart des gens dans la population auraient un plus grand nombre d’allèles « courts », et la population serait globalement plus petite. Même si le caractère global était soumis à une forte sélection, la force de la sélection sur chaque gène de la taille resterait faible. La sélection s’exerçant sur chaque gène étant faible, les adaptations polygéniques n’apparaîtraient pas dans les études du génome comme un signal classique de sélection. Il est donc possible que les génomes humains aient subi plus de changements adaptatifs récemment que ce que les scientifiques peuvent encore identifier en examinant le génome de la manière habituelle.
En évolution ?
Sur la question de savoir si les humains sont encore en évolution, il est difficile de surprendre la sélection naturelle en train de façonner les populations actuelles. Il est cependant facile d’imaginer les caractéristiques qui pourraient être affectées. Les maladies infectieuses telles que le paludisme et le VIH continuent d’exercer de puissantes forces de sélection dans les pays en développement. La poignée de variantes génétiques connues qui offrent une certaine protection contre ces fléaux sont probablement soumises à une forte pression sélective, car les personnes qui en sont porteuses ont plus de chances de survivre et d’avoir beaucoup plus d’enfants que les autres. Une variante qui protège les porteurs de la forme vivax du paludisme est devenue omniprésente dans de nombreuses populations d’Afrique subsaharienne. Les variantes qui protègent contre le VIH, quant à elles, pourraient se répandre dans toute l’Afrique subsaharienne dans des centaines d’années si le virus devait persister et continuer à être contrecarré par ce gène de résistance. Mais étant donné que le VIH évolue plus rapidement que l’homme, nous avons plus de chances de surmonter ce problème avec la technologie (sous la forme d’un vaccin, par exemple) qu’avec la sélection naturelle.
Dans le monde développé, relativement peu de personnes meurent entre la naissance et l’âge adulte, de sorte que certaines des forces de sélection les plus fortes sont probablement celles qui agissent sur les gènes qui affectent le nombre d’enfants que chaque personne produit. En principe, tout aspect de la fertilité ou du comportement reproductif que la variation génétique affecte pourrait être la cible de la sélection naturelle. Dans un article paru en 2009 dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Stephen C. Stearns, de l’université de Yale, et ses collègues ont présenté les résultats d’une étude qui a permis d’identifier six traits différents chez les femmes, associés à un nombre d’enfants plus élevé au cours de leur vie et présentant tous une héritabilité intermédiaire à élevée. L’équipe a constaté que les femmes ayant un grand nombre d’enfants ont tendance à être légèrement plus petites et plus robustes que la moyenne et à être ménopausées plus tard. Par conséquent, si l’environnement reste constant, ces caractéristiques deviendront vraisemblablement plus courantes au fil du temps en raison de la sélection naturelle : les auteurs estiment que l’âge moyen de la ménopause augmentera d’environ un an au cours des 10 prochaines générations, soit 200 ans. (De manière plus spéculative, il est plausible que la variation génétique influençant le comportement sexuel – ou l’utilisation de contraceptifs – soit soumise à une forte sélection, bien que l’on ne sache pas exactement dans quelle mesure les gènes affectent des comportements complexes tels que ceux-ci.)
Pour autant, le taux de changement de la plupart des traits est d’une lenteur glaciale comparé au rythme auquel nous changeons notre culture et notre technologie et, bien sûr, notre environnement global. Et les changements adaptatifs majeurs nécessitent des conditions stables pendant des millénaires. Ainsi, dans 5 000 ans, le milieu humain sera sans doute très différent. Mais en l’absence d’ingénierie génomique à grande échelle, les gens eux-mêmes seront probablement largement les mêmes.