Ces trésors génomiques qui se cachent dans nos musées

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

L'âge d'or de l'histoire naturelle, à l'époque où Charles Darwin et d'autres scientifiques partageant les mêmes idées réfléchissaient aux liens entre les créatures et leur environnement, consistait essentiellement à collecter des objets. Les explorateurs parcouraient le monde et ramassaient autant de plantes et d'animaux qu'ils pouvaient, les séchant, les empaillant ou les conservant dans l'alcool dans de petits bocaux en verre. Ils les ramenaient chez eux dans de grands musées où le public pouvait jeter un coup d'œil et être émerveillé.

Ces vénérables collections peuvent aujourd'hui ressembler à des reliques, à des entrepôts mal entretenus, à des sanctuaires du pillage impérial. Mais avec des milliards d'échantillons catalogués parmi elles, les collections des musées sont un trésor pour les biologistes évolutionnistes modernes qui étudient l'ADN, l'ARN, les protéines et autres biomolécules. L'échantillonnage de tissus vieux de plusieurs décennies, voire de plusieurs siècles, permet aux scientifiques de capturer des bribes de code génétique de plantes et d'animaux - y compris des espèces disparues - et de suivre les changements moléculaires qui ont eu lieu bien avant que les biologistes ne comprennent ce qu'était l'ADN. Les spécimens plus jeunes sont également précieux, car ils fournissent un large échantillon qui aide les scientifiques à comparer les caractéristiques au sein d'une même espèce ou entre espèces apparentées. 

Tout cela fait que travailler avec des échantillons de musée est une perspective alléchante pour les chercheurs, explique Daren Card, généticien évolutionniste à Harvard, qui a séquencé des spécimens provenant de musées australiens pour ses propres travaux sur le développement des membres chez les reptiles. La génomique des musées apporte des informations cruciales sur l'histoire de l'évolution, les effets du changement climatique et bien d'autres choses encore, écrivent Card et ses collègues dans la revue Annual Review of Genetics de 2021. Knowable s'est entretenu avec M. Card au sujet de certains de ces projets et des défis auxquels le domaine est confronté.

Cette conversation a été modifiée pour des raisons de longueur et de clarté.

Une grande partie de ce que les scientifiques veulent savoir sur l'histoire naturelle est aujourd'hui inscrite dans l'ADN, invisible à l'œil humain. Que peuvent nous apprendre ces imposantes collections de vieux objets biologiques sur l'interaction entre les gènes et l'évolution ?

Historiquement, la plupart des chercheurs en muséologie se sont attachés à nommer les espèces et à comprendre leur histoire évolutive. Je m'intéresse davantage aux liens entre le génome - le code basé sur l'ADN qui indique à un organisme comment se construire et fonctionner - et les phénotypes, c'est-à-dire les traits que présente une créature.

En examinant à la fois les génomes et les phénotypes, nous pouvons étudier la façon dont les organismes évoluent et s'adaptent à différents environnements, et les collections des musées nous fournissent de nombreux échantillons à exploiter pour ce travail. Les musées sont en quelque sorte des machines à remonter le temps : vous pouvez revenir en arrière et examiner d'anciens spécimens, et vous bénéficiez du travail effectué par le musée pour enregistrer la provenance du spécimen, la date à laquelle il a été collecté et les observations que les scientifiques ont faites à son sujet au fil des décennies.

Pour les espèces contemporaines également, les spécimens des musées peuvent être meilleurs que ceux prélevés sur le terrain. Dans certaines circonstances, vous aurez une créature éteinte ou très rare, et personne ne vous laissera raisonnablement faire des prélèvements, car il n'en reste que deux.

Les lézards que j'étudie sont encore semi-abondants dans les milieux naturels, mais l'accès aux musées réduit les efforts. J'ai échantillonné des dizaines d'espèces en utilisant des tissus conservés dans des musées en Australie. Si ces derniers n'étaient pas là, j'aurais dû sortir et trouver ces espèces. Même si j'étais arrivé au bon endroit - et ils sont éparpillés sur tout le continent - je n'aurais peut-être jamais trouvé ce que je cherchais.

Quel est le meilleur exemple d'un scientifique utilisant une collection de musée pour apprendre quelque chose sur l'évolution par la génétique ?

Il y en a un très bon, que nous avons mis en évidence dans la revue, qui concerne l'étude des tamias de haute altitude en Californie, et la façon dont ils se sont adaptés et ont évolué au cours des 100 dernières années environ. Il s'agit de rongeurs dont l'aire de répartition est limitée aux montagnes les plus élevées de Californie.

On craint que le changement climatique ne mette en péril des espèces comme celles-ci. Si les températures continuent d'augmenter et qu'ils ne peuvent pas se déplacer plus haut dans la montagne vers un sol plus frais, ils sont dans une situation difficile.

Les premiers travaux sur les tamias ont été entrepris au début des années 1900 par des chercheurs du musée de zoologie des vertébrés de l'université de Californie, à Berkeley, et notamment par un homme du nom de Joseph Grinnell, qui était un scientifique de musée très influent à l'époque. Il a été prolifique dans la documentation de l'histoire naturelle de l'Ouest, qui était fortement colonisé à l'époque.

Grinnell est mort en 1939, mais il était prémonitoire et il a émis l'hypothèse que les scientifiques de demain utiliseraient les collections des musées pour étudier les changements biologiques au fil du temps. C'est ce qui a incité l'un des coauteurs de cette étude, Craig Moritz, à organiser une équipe chargée de rééchantillonner et de séquencer certaines des populations de haute altitude de ce tamia, et de comparer les résultats obtenus avec les échantillons d'ADN extraits des animaux que l'équipe de Grinnell avait collectés et catalogués il y a environ 100 ans. Moritz voulait voir s'ils pouvaient détecter des changements génétiques qui suggéreraient l'impact du climat sur ces organismes.

Dans la plupart des parties du génome, rien n'a beaucoup changé. Mais ils ont constaté que certaines mutations génétiques individuelles dans ces endroits de haute altitude étaient devenues plus courantes au fil du temps dans certaines populations, probablement en raison de la pression écologique exercée par le changement climatique. 

Ils ont constaté de grands changements parmi cinq variantes d'un gène appelé Alox15, connu pour réguler la capacité des animaux à survivre dans des environnements à faible teneur en oxygène. Alox15 est donc peut-être un gène important à suivre dans le cadre du changement climatique. Idéalement, les scientifiques vont maintenant valider sa fonction. Dans un avenir proche, ils pourraient suivre les variantes d'Alox15 pour éclairer les décisions de conservation qui profiteront aux tamias et à d'autres espèces de haute altitude. Peut-être que dans 50 ans, nous pourrons utiliser l'édition génétique pour modifier Alox15 et rendre les organismes menacés plus résistants. Mais ce n'est qu'un rêve pour l'instant.

Quelles sont les autres découvertes que les scientifiques ont faites en utilisant des spécimens de musée ?

Les exemples sont nombreux. L'un d'entre eux est l'analyse d'échantillons provenant du Musée finlandais d'histoire naturelle, qui a révélé un déclin de la diversité génétique sur un siècle chez deux espèces de papillons, en raison du déclin de la population. Une autre étude a révélé que la diversité génétique des abeilles domestiques de Berne, en Suisse, est restée pratiquement inchangée entre 1879 et 1959. Cela indique un autre type d'influence humaine : Dans ce cas, les pratiques apicoles ont probablement aidé les abeilles.

L'analyse génomique d'échantillons de sang de souris sylvestres conservés au musée de biologie du Sud-Ouest de l'université du Nouveau-Mexique et au musée de la Texas Tech University a permis aux scientifiques de découvrir qu'un mystérieux hantavirus, qui a tué dix personnes dans la région des Four Corners, dans le Sud-Ouest américain, en 1993, circulait depuis un certain temps parmi les rongeurs de la région, sans être détecté.

Des chercheurs affiliés au Musée suédois d'histoire naturelle et à d'autres institutions ont isolé et séquencé l'ADN d'échantillons de mammouths vieux d'un million d'années. Ils ont identifié une lignée de mammouths sibériens inconnue jusqu'alors, qui était un ancêtre des premiers mammouths à coloniser l'Amérique du Nord par le pont terrestre de Béring. Ce type de travail nous aide à comprendre intimement les relations entre les différentes populations d'animaux anciens.

Vous pouvez tirer de bonnes informations moléculaires de quelque chose d'aussi vieux ?

C'est à prendre ou à laisser. Cela dépend de la méthode de conservation - la meilleure consiste à prendre un morceau de tissu et à le jeter dans un congélateur ou dans une cuve d'azote liquide. Le temps est également un facteur. Plus longtemps un tissu reste dans un endroit, plus il se dégrade. 

Évidemment, il y a 100 ans, nous ne savions pas ce que faisait l'ADN, ni comment il le faisait. La structure et la nature du code n'ont été découvertes que dans les années 1950 et 1960. Des gens comme Grinnell volaient à l'aveuglette, mais ils ont généralement préservé les choses d'une manière qui nous permet aujourd'hui d'y revenir et d'essayer d'en extraire de l'ADN utilisable. D'autres biomolécules sont également mises en ligne, lentement.

Des efforts coordonnés sont déployés pour normaliser la façon dont les échantillons sont conservés, mais probablement pas autant qu'il le faudrait. Je pense que nous avons besoin d'une refonte. Nous pourrions faire beaucoup mieux en matière de préservation des tissus pour les études de longue durée.

Quels sont les autres défis auxquels le domaine est confronté ?

Nous devons mieux décider de ce qu'il faut conserver et comment enregistrer les attributs importants. Les musées ont toujours conservé un spécimen de corps entier, mais ces derniers temps, nous nous intéressons davantage à ces ressources génomiques ou génétiques, et les échantillons de tissus sont donc à la mode. Mais lorsqu'on consulte des bases de données, il peut être difficile de savoir si un spécimen collecté, pour lequel on dispose d'une date, d'un lieu et d'autres informations, est associé à un tissu que l'on pourrait prélever. Pour la génomique, il est utile d'avoir les deux.

Le deuxième grand défi est la numérisation et l'intégration des collections afin de comprendre quel musée possède la ressource A et quel musée possède la ressource B. Nous numérisons depuis au moins une décennie, mais les collections ne sont pas bien intégrées. J'espère que notre article catalysera un peu les choses. Il y a beaucoup de travail à faire.

Que vous a appris la génomique des musées sur les lézards que vous étudiez ?

Nous sommes toujours en train de comprendre pourquoi les espèces de reptiles évoluent vers la perte de membres. C'est arrivé au moins deux douzaines de fois. Les serpents sont les exemples les plus célèbres, bien sûr, mais cela arrive beaucoup plus souvent que ce que les gens pensent. Historiquement, une région du génome a été impliquée dans la perte des membres chez les serpents, la région ZRS. Mais les recherches préliminaires que j'ai effectuées, y compris l'examen de spécimens provenant de musées, suggèrent que cette région n'est pas aussi importante chez les espèces que j'étudie. Quelque chose d'autre doit être à l'origine de ce modèle.

Pourquoi est-il important de comprendre quelle région du génome est impliquée dans ce type de changement évolutif ?

Pour un biologiste, c'est essentiel. Qu'est-ce qui fait qu'un serpent est un serpent ? Qu'est-ce qui fait qu'un oiseau est un oiseau ? La plupart des variations qui nous intéressent en tant que biologistes doivent être déterminées par la génétique d'une manière ou d'une autre. Nous n'en sommes vraiment qu'au début de notre compréhension de tout cela. Nous avons fait un travail décent sur certains organismes modèles, comme les humains, les souris et les mouches à fruits, mais pour la majeure partie de la biodiversité, nous n'avons aucune idée.

Les musées seront une grande source d'inspiration et de matériel pour examiner cette grande question en biologie, et comprendre cette grande question pourrait nous aider à résoudre de grands problèmes. La compréhension des variations génétiques et de leur corrélation avec la physiologie - en particulier chez les organismes que l'on pourrait relier à l'homme - pourrait avoir des répercussions sur les soins de santé ou sur la conception et l'ingénierie d'inspiration biologique.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.