L'héritage de Néanderthal

L'évolution de l'homme est un sujet fascinant et très chaud actuellement. Bruce Lahn et son équipe à l'université de Chicago ont choisi de s'attaquer à la comparaison de l'homme avec les autres espèces en se focalisant sur l'organe le plus spécifiquement humain : notre cerveau.

L'idée de base est assez simple : on connaît beaucoup de gènes impliqués soit dans le développement du cerveau, soit dans les processus neurologiques. Peut-on étudier spécifiquement l'évolution de ces gènes dans la lignée humaine en comparaison des autres lignées ? Les méthodes d'études sont relativement standards : on compare les séquences génétiques de ces gènes bien connus entre l'homme, le macaque, les souris, les rats, les oiseaux, les félins... et on regarde comment les séquences divergent en comparaison de séquences témoins, les "house-keeping" genes (i.e. les gènes standards communs à toutes les espèces veillant au bon fonctionnement cellulaire).

Premièr résultat : les gènes impliqués dans le développement du système nerveux ont évolué beaucoup plus vite dans la lignée humaine que dans les autres lignées animales. L'évolution ne concerne pas seulement les régulations génétiques : elle concerne aussi les séquences mêmes. Autrement dit, les protéines sont plus complexes chez l'homme que chez les autres animaux, ce qui est assez surprenant quand on sait que les gènes du développement sont en général plutôt conservés.

Lahn et son équipe ont alors regardé plus spécifiquement l'évolution de gènes ayant assez fortement divergé. Microcephalin en particulier est un gène qui régule la taille du cerveau. L'étude de ce gène est tout à fait fascinante : non seulement les allèles humains sont très différents des allèles des autres animaux, mais à l'intérieur de la population humaine même, les humains n'ont pas tous le même allèle. Un haplotype particulier domine dans la population mondiale, à 70 %. A l'image du chromosome Y de Genghis Khan, les données concernant cet haplotype suggèrent qu'il a été spécifiquement sélectionné. Le plus étonnant, est que toute la population humaine ne possède pas encore cet haplotype : cela signifie que pour cet allèle, le processus de sélection naturelle est encore en cours. Autrement dit, le cerveau humain est en ce moment même en train d'évoluer.

Autre fait très surprenant : les données montrent que cet haplotype est apparu dans la population humaine il y a 40 000 ans. Pourtant, quand on regarde les arbres phylogénétiques, on s'aperçoit que l'haplotype sélectionné est assez différent des haplotypes similaires dans la lignée humaine : il a divergé il y a un million d'années. Comment donc cet haplotype a pu apparaître chez homo sapiens après avoir évolué indépendamment pendant 1 million d'années ? La seule explication est que sapiens a dû alors se reproduire avec une autre espèce (humaine), possédant cet haplotype particulier, ce qui a ensuite donné un avantage sélectif décisif aux individus hybrides si bien que nous descendons tous aujourd'hui de ceux-ci. Il y a justement 40 000 ans disparaissait Néanderthal, et ces données suggèrent donc que celui-ci aurait pu nous léguer avant son extinction un héritage inestimable : un cerveau plus adapté...

Références :

Microcephalin, a Gene Regulating Brain Size, Continues to Evolve Adaptively in Humans, Evans et al., Science 9 September 2005, Vol. 309. no. 5741

Un article du New York Times où Lahn évoque (très brièvement) cette hypothèse novatrice, l'article scientifique est sous presse...

Evolution du blog

Je suis en train de basculer sur le "nouveau" blogger. Pas mal de choses ont été ajoutées, notamment la possibilité de mettre des labels sur les billets. Je suis en train d'indexer tous mes anciens posts, cela va prendre un peu de temps, mais en attendant, vous pouvez déjà consulter sur une même page une partie de mes billets sur la biologie, la génétique, la recherche, la physique, l'Intelligent Design, voire le foot ! J'ajouterai les nouveautés à venir dans ce billet.

Ajout 8 Octobre : indexation terminée, template corrigé, ajout d'une liste des labels fréquents dans la colonne de gauche

Ajouts 10 Octobre : changement de style. J'aime bien le nouveau !

Charité et recherche fondamentale

Au coin de la 68ième rue et de la 1ère avenue s'élève désormais une immense tour de verre. Ni un établissement financier, ni un immeuble de bureaux : il s'agit du nouveau centre de recherche contre le cancer construit par le Memorial Sloan-Kettering (MSK), quasiment entièrement financé par des dons privés. A peine construit, l'immeuble est déjà plein : le centre a massivement recruté et manque déjà de place. L'ensemble semble déborder d'argent et de moyens, et on se dit que la France a bien du retard dans certains domaines. En parallèle, les industriels américains comme Bill Gates poursuivent une longue tradition de capitaines d'industrie américains qui, depuis John D. Rockefeller, font don d'une partie de leur fortune pour la recherche biomédicale.

L'argent ne manque donc pas pour certaines recherches. Pourtant, d'autres chercheurs comme Mello, se plaignent par ailleurs d'un manque de moyen pour développer de nouvelles thérapies, malgré l'intérêt potentiel et évident de leurs découvertes. Cette situation s'explique en fait facilement : une grande partie de la recherche biomédicale est ici financée par des dons. Ce financement peut prendre plusieurs formes : dons directs à un institut comme dans les cas visibles du MSK ou de Bill Gates, ou dons plus indirects mais tout aussi cruciaux, comme des financements spécifiques pour étudiants se consacrant au cancer. Où est le problème me direz-vous ? Et bien, le plus gros problème vient du fait que l'argent donné n'est pas forcément réparti à bon escient. En d'autres termes, il y a peut-être trop d'argent pour le cancer "en général" et pas assez pour explorer des thèmes de recherche moins porteurs, plus casse-cou, mais qui peuvent se révéler à terme plus fructueux pour le cancer lui-même. N'oublions pas par exemple que les antibiotiques ont été découverts à peu près par hasard.

On se rappelle tous de la polémique née après le tsunami lorsque certaines associations caritatives ont refusé certains dons car elles ne pouvaient plus investir sur place. Dans le financement de la recherche ici, on a parfois la même impression. Il y a par exemple énormément de fellowships pour soigner des cancers spécifiques, et je doute que tous trouvent preneurs. Mais il est assez difficile de trouver des financements pour faire des choses un peu moins appliquées ou plus originales - sans parler des chercheurs travaillant sur les cellules souches qui pour le coup, ne peuvent compter que sur les subsides de l'état compte-tenu des problèmes "éthiques" actuels. La conséquence est que la direction scientifique est toute tracée : les effets d'échelle sont grands et la variété des recherches peut s'en ressentir.

Pour contourner ce problème réel, un système totalement hypocrite se met alors en place dans les labos, et lors d'une demande de fellowship, tout est fait pour "orienter" votre thématique vers le cancer afin de maximiser vos chances de réussite. Le MSK lui-même embauche donc des chercheurs dans des domaines qui n'ont a priori pas grand chose à voir : tout ce qui compte est que le mot "cancer" soit prononcé...

On touche donc du doigt ici la limite de la charité individuelle comme politique de financement scientifique : le don, forcément orienté, n'est pas forcément le meilleur moyen pour répartir efficacement l'argent. Le problème me semble particulièrement aigu pour les étudiants, qui sont les forces vives des labos et qui dépendent très fortement des diverses bourses de recherches. Et dans une Amérique de plus en plus puritaine et crispée sur des questions "éthiques", des pans entiers de recherche biomédicale risquent d'être sous-financés : dans un domaine différent, on se souvient par exemple qu'aucune entreprise privée n'avait souhaité donner et associer son nom à l'exposition Darwin au museum d'histoire naturelle ! Peut-être serait-il plus sain de payer plus d'impôts à court terme quitte à ce que les entreprises fassent moins de bénéfices et que les dons soient moins importants, pour que l'Etat joue un rôle de régulateur des investissements scientifiques. Mais malheureusement, le problème se pose aussi dans le contrôle démocratique fait par l'Etat, lorsque celui-ci écoute la frange de la population la plus conservatrice...

Nobel junior

Andrew Fire et Craig Mello ont reçu lundi le prix Nobel de médecine et de physiologie pour leur découverte du mécanisme d'interférence par ARN (le monde fournit une infographie détaillée du mécanisme). L'idée est assez simple et fournit un bon exemple d'un des théorèmes favoris des biologistes comme quoi "tout ce qui est imaginable existe en biologie". Le "dogme central" de la biologie stipule qu'un gène est encodé sur l'ADN, puis est transcrit sous forme d'ARN messager, lui-même traduit sous forme de protéines qui possèdent toutes les fonctions catalytiques nécessaires à la cellule. L'ARN interférent permet de rendre un gène silencieux en se liant aux ARN messagers et en les détruisant. C'est un mécanisme très efficace pour tuer l'expression d'un gène, et c'est en particulier très pratique pour faire des manips de biologie moléculaire !

Pourtant, en lisant l'annonce de ce prix Nobel, j'ai été très étonné. Non pas que je conteste l'importance de la découverte : non, ce qui est très étonnant est que ce Nobel soit décerné si tôt ! Le papier décrivant le mécanisme date de 1998, et les deux récipiendaires ont (seulement) 46 et 47 ans. J'ai regardé rapidement les âges des Prix Nobel de Physique et de Médecine depuis 1990. En Médecine, ils sont les deux plus jeunes récipiendaires (sur 37) depuis 1991 et Neher qui avait semble-t-il 47 ans lui aussi au moment de sa nobelisation. En Physique seuls trois Nobel (sur 42) étaient plus jeunes au moment de la remise du prix. Autant dire que Fire et Mello sont probablement encore aujourd'hui très actifs, au contraire de la majeure partie des Nobel, plus proche de l'éméritat que du post-doc. C'est particulièrement net en Physique où parmi les derniers Nobel on peut trouver de vénérables noms finalement honorés comme par exemple Abrikosov, Ginzburg et Davis, respectivement 75, 87 et 88 ans au moment de la remise du prix ! C'est à mon avis toujours intéressant quand le comité Nobel honore des chercheurs actifs, qui sont alors prêts à se servir de leur notoriété nouvelle pour déplorer, par exemple, le manque de fonds pour la recherche... ;)

Ajout 6 Octobre : Nature relève aussi dans son édition de cette semaine la précocité de ce Nobel (l'article est intitulé "Youthful duo snags a swift Nobel for RNA control of genes") ! Apparemment, Mello lui-même avait du mal à y croire :

Mello seemed stunned when interviewed on the Nobel webcast, not long after he had heard the news. "I seem too young," he said. "And isn't the gap unusually short?"

Vendredi après-midi

Très très calme aujourd'hui :
- mon chef est parti visiter une autre université pour trois semaines,
- mes (rares) collègues de bureau sont partis en week-end à la pause déjeuner,
- il y a un séminaire avec cookies (et rafraîchissements) en plein milieu de l'après-midi.
- les mails désirés et attendus n'arrivent pas...
Bon, en même temps j'ai du travail...
Néanmoins, pour "profiter" de cette ambiance apaisante, je me suis mis à faire de la biblio. Il faut dire que je me suis par miracle retrouvé abonné à Nature (personne ne sait qui a payé mon abonnement, il est probable que je sois abonné gratuitement, quelle organisation !) et donc chaque semaine je reçois ma petite revue. Y'a pas à dire, lire un article sur du vrai papier dans un vrai journal, ça change la vie. Vive Nature !
Sinon, je suis content de ma semaine, j'ai mené une chasse au bug efficace. Je fais souvent mes simulations en double pour vérifier, avec des algorithmes et des langages différents. Ayant des résultats différents pour une simulation précise, j'ai craint pour ma réputation de scientifique et pour le projet qui est plus ou moins en train d'aboutir. Heureusement, après une traque acharnée, je me suis aperçu que les différences étaient artificielles : un 0 puissance 0 valait 1 pour matlab et 0 pour mon code C (à cause d'arrondis). L'honneur est sauf, et vive le numérique ! C'est ce qu'on appelle dans le jargon scientifique, le "miracle du vendredi"; il est d'habitude de bon ton de partir en week-end sur cette note positive...

The Ultimate Boeing 747

Fred Hoyle était un astronome britannique du XXe siècle assez iconoclaste, qui semblait cultiver une certaine autonomie vis-à-vis de la pensée scientifique de son époque. Auteur de SF à ses heures perdues, il contestait aussi à la fois le big-bang et la théorie de l'évolution !

Selon Hoyle, l'apparition de la vie (telle qu'on la conçoit aujourd'hui) est statistiquement impossible. Son argument est le suivant : si l'on sait depuis les expériences de Miller que dans la soupe primitive, des acides aminés pouvaient exister, Hoyle prétend (calcul d'ordre de grandeur à l'appui) qu'il est extrêmement improbable que dans la soupe primitive on puisse trouver au même instant au même endroit l'ensemble des enzymes nécessaires à la reproduction d'une cellule. L'analogie qu'il utilise est celle du "Ultimate Boeing 747" (pour reprendre l'expression de Richard Dawkins). Imaginez qu'un ouragan passe sur une décharge publique est soulève tous les déchets et pièces mécaniques. Il est extrêmement improbable, une fois la tempête passée, que ces déchets s'assemblent spontanément pour former un Boeing 747 !

Dawkins répond que Hoyle commet ici une erreur commune concernant le caractère aléatoire de l'évolution. De l'évolution aléatoire peut en effet émerger naturellement un design; d'un processus désordonné et sans direction peut surgir finalement une organisation complexe. Le point important est que l'évolution est un processus cumulatif. Chaque petit pas est aléatoire et dû à la chance. Mais la sélection naturelle permet de "récompenser" les petits pas, et ainsi de conserver la mémoire des petits pas successifs. On a ici typiquement un problème de probabilité conditionnelle : la probabilité d'apparition spontanée ex-nihilo d'un organisme complexe est infinitésimale, mais la probabilité d'un petit pas partant d'un point de l'évolution déjà avancé est très faible, mais non nulle. Ensuite, le processus de sélection fixe le petit pas et l'espèce vivante gagne en complexité. Je rejoins donc le mouvement lancé par éconoclaste de vulgarisation des probabilités, mais l'exemple de Hoyle montre qu'évaluer des probabilités peut-être assez compliqué...

Le débat est pourtant loin d'être clos. Il me semble relativement concevable d'imaginer comment l'évolution peut créer des structures complexes, une fois qu'existent un support de l'information génétique et des protéines pour traiter cette information. Néanmoins, la question qui demeure ouverte est de savoir comment sont apparus ce support et cette machinerie, et dans ce sens, Hoyle soulève un lièvre. Quelques réponses émergent doucement. Par exemple, on pense que la première molécule de la vie n'était pas l'ADN, mais l'ARN. Celui-ci possède en effet la propriété remarquable en se repliant de pouvoir acquérir des fonctions catalytiques. Un organisme basé sur l'ARN pourrait alors se passer de protéines car l'ARN peut alors jouer le rôle dévolu aux enzymes, tout en codant de l'information génétique (détail amusant, on s'est également aperçu qu'un type précis d'argile catalysait l'assemblage des molécules d'ARN, ce qui suggère que la vie est peut-être apparue... dans la boue !). Un domaine très actif actuellement est donc d'essayer de voir comment des cellules primitives peuvent apparaître, comment par exemple des vésicules, précurseurs de futures cellules, peuvent se former et se diviser (voir par exemple les travaux de Jack Szostak à Harvard). C'est évidemment une très longue histoire...

PS: L'argument de Hoyle à l'encontre du big-bang ne manque pas de saveur quand on sait que sa métaphore du Boeing 747 est reprise par les partisans de l'Intelligent Design. Selon wikipédia, Hoyle, athée convaincu, n'acceptait pas le big-bang car il implique nécessairement un univers non éternel, et donc suggèrait selon lui l'existence d'une "cause première", donc d'un créateur d'une certaine manière. Hoyle préférait l'idée d'un univers où la création de matière était permanente, ce qui combiné à l'expansion, permet d'atteindre un état stable à densité constante.

Des rapports entre sommeil et obésité

Nature publie dans son numéro daté du 21 Septembre un article intéressant suggérant des liens entre deux "épidémies" des temps modernes : le manque de sommeil et l'obésité.

Quelques chiffres pour commencer. Le constat est connu et a été relayé par les médias ces derniers temps : un milliard d'êtres humains (dont deux tiers des américains) présentent un sur-poids (i.e. un indice de masse corporel supérieur à 25 kg.m^(-2) - pour calculer votre indice personnel, prenez votre poids et divisez-le par votre taille en mètre au carré.). Côté dodo, un américain moyen dormait entre huit et neuf heures dans les années soixante, contre moins de sept aujourd'hui. Or, très récemment, on s'est aperçu qu'il y a corrélation entre manque de sommeil et obésité : une étude montre que dormir seulement cinq heures par nuit augmente vos chances de devenir obèse de 60 % !

Cependant, corrélation n'implique pas relation de cause à effet. On peut en effet arguer du fait que les personnes obèses dorment moins bien du fait de leur surpoids par exemple. D'où la nécessité de faire des études plus précises, notamment sur des modèles animaux. En fait, dans un premier temps, certaines études non concluantes ont été effectuées sur les souris. Celles-ci étaient maintenues éveillées artificiellement, mais ne présentaient pas de surpoids évident. Les chercheurs ont alors réalisé que leurs méthodes de réveil des souris étaient un peu trop violentes (certaines souris étaient plongées dans l'eau par exemple) : les animaux, trop stressés, ne grossissaient pas !
Heureusement (pour les biologistes) existent des mutants animaux tout à fait adaptés à cette étude, ayant naturellement un rythme circadien perturbé. L'horloge circadienne est un cycle naturel qui vous donne votre rythme biologique interne, celui qui vous donne faim à midi, vous donne un bon coup de barre le soir et vous réveille naturellement le matin si vous oubliez de brancher le réveil. Ce rythme est "codé" par l'intermédiaire d'un oscillateur génétique, présent dans toutes nos cellules, et coordonné au niveau d'un groupe de neurones (le noyau suprachiasmatique) situé dans votre cerveau. Les horloges circadiennes des mammifères sont bien connues : plusieurs mutations génétiques sont répertoriées et il existe même des animaux arythmiques. Chez de tels animaux, rien ne va plus : incapables d'acquérir un rythme de sommeil régulier, les souris atteintes deviennent alors effectivement obèses en quelques semaines, avec toutes les pathologies associées (diabète, cholestérol...).

Qu'en est-il chez l'homme ? Dans une autre étude, on a demandé à de jeunes "cobayes" de ne dormir que quatre heures par nuit pendant deux nuits, puis on a mesuré les niveaux d'hormones dans le sang de ces patients. Les résultats sont édifiants : la leptine, hormone de la satiété, chute de près de 20 % tandis que la ghreline, hormone de la faim, grimpe de près de 30 %. Du coup, les patients avaient très faims à l'issue de ces expériences et confiaient vouloir se jeter sur des aliments riches en sucres !

Le lien entre sommeil et appétit semble donc se confirmer, et des études sont en cours pour regarder l'impact de cures de sommeil sur le poids. La moralité de tout cela, c'est que la prochaine fois que vous voudrez faire un régime, commencez déjà par faire une bonne cure de sommeil : c'est sûrement moins désagréable que de se serrer la ceinture !