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Le séquençage d'une protéine de collagène extraite de tissu résiduel d'un fémur d'un Tyrannosaure de 68 millions d'années a permis de démontrer la parenté de ce prédateur avec les oiseaux Schéma: Ornithomedia.com

Une nouvelle étude confirme encore un peu plus la parenté entre les dinosaures et les oiseaux modernes: l'analyse moléculaire d'une protéine de collagène extraite du fémur d'un fossile de Tyrannosaure (Tyrannosaurus rex) datant de 68 millions d'années confirme que ce prédateur avait une ascendance commune avec les poulets, les autruches, et dans une plus faible mesure, les crocodiliens. Ce fossile avait été découvert en 2003 par le paléontologue John Horner, du Museum of the Rockies, dans un gisement s'étalant du Wyoming au Montana.
L'étude, financée par la National Science Foundation, la Paul F. Glenn Foundation, et le Beth Israel Deaconess Medical Center, constitue le premier exemple de l'utilisation de données moléculaires pour situer un dinosaure sur un arbre phylogénétique (=un schéma qui représente les liens évolutifs entre les espèces).
Ces résultats complètent ceux issus d'analyses anatomiques et qui relevaient les nombreux points communs entre dinosaures et oiseaux (lire Certains coelurosaures respiraient comme les oiseaux aquatiques).

Une grande proximité avec le collagène de poulet!

Les chercheurs de l'Harvard Medical School (HMS) et du Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC), en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Caroline du Nord, ont extrait et ont séquencé de petits morceaux de protéine de collagène issu de vestiges de tissu souple découvert sur le fémur fossile.
Le séquençage d'une protéine est la détermination de l'ordre dans lequel se trouvent les acides aminés, qui constituent les "maillons" de base des protéines.
Le collagène est une protéine constituant une substance intercellulaire du tissu conjonctif (tissu constitué par une substance fondamentale contenant des cellules et des fibres qui joue le role de remplissage, de soutien et de protection).
Les séquences d'acides aminés des sept fragments isolés étaient très proches de celles du collagène des poulets actuels, constituant ainsi une preuve supplémentaire de la proximité évolutive des oiseaux et des dinosaures.
Pour John Asara, spécialiste en spectrométrie de masse au BIDMC, qui a séquencé la protéine de Tyrannosaure, on peut donc désormais affirmer que les dinosaures sont apparentés aux oiseaux car leurs séquences protéiques sont proches, même si ce lien n'ait été établi qu'à partir de 89 acides aminés de T. rex. Il précise: "nous n'avons pas obtenu assez de séquences pour l'affirmer de façon définitive, mais les séquences dont nous disposons confortent cette idée".

Les travaux précédents de Marie Schweitzer

Marie Schweitzer et ses collègues de l'Université de Caroline du Nord avaient annoncé en 2005 avoir trouvé des vestiges de tissu dans le fémur fossilisé du Tyrannosaure trouvé en 2003.
Ces chercheurs avaient en outre découvert que des extraits d'os de T. rex réagissaient avec des anticorps de collagène de poulets, suggérant la présence de protéines apparentées à celles des oiseaux dans les os des dinosaures.
Marie Ssweitzer précise: "on a cru pendant des siècles que le processus de fossilisation détruisait le matériel génétique, donc personne n'examinait les os très anciens".
Mais cela pourrait changer selon Lewis Cantley, professeur de systèmes biologique à l'HMS: "fondamentalement, les résultats publiés en avril 2008 constituent la preuve qu'il est possible d'obtenir des séquences à partir de protéines de plus d'un million d'années.
Lewis Cantley fait remarquer que désormais les paléontologues devront immédiatement envelopper les fossiles découverts pour limiter les contaminations et assurer la meilleure conservation possible.

Le rôle de John Asara

Après avoir lu dans le New York Times les travaux de Marie Schweitzer, Lewis Cantley a contacté John Asara qui avait déjà séquencé en 2002 des fragments de collagène âgés de 100 000 à 300 000 ans. Lewis avait développé de son côté des techniques de spectrométrie de masse capables de séquencer d'infimes quantités de protéines dans des tumeurs humaines.

La méthode de séquençage

Tout d'abord, John Asara devait rassembler suffisamment de protéines pour pouvoir les séquencer. L'extrait de fémur de Tyrannosaure a été transmis par Marie Schweitzer sous forme d'une poudre brune débarrassée de tout contaminant. Asara a purifié la protéine présente, l'a identifié comme étant du collagène, et, avec une enzyme (la trypsine), il l'a découpé en fragments (ou peptides) constitués de 10 à 20 acides aminés. Les peptides ont été analysés par la technique de la chromatographie en phase liquide grâce à laquelle ils ont été séparés.

La chromatographie en phase liquide (CPL)

La chromatographie en phase liquide (CPL) ou Liquid chromatography (LC) est une technique d'analyse quantitative, qualitative et séparative.
Ce type de chromatographie repose sur la séparation de composés dans un liquide (phase mobile) qui progresse dans un tube (colonne) contenant un matériau appelé phase stationnaire, ou sur une surface contenant cette phase stationnaire. La séparation s'opère suivant les interactions chimiques ou physiques des molécules avec la phase mobile ainsi qu'avec la phase stationnaire.

La spectrométrie de masse

Spectre de masse d'une protéine de collagène de T. rex, permettant de déterminer les séquences en acides aminés Source: HMS/BIDMC

La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules par mesure de leur masse mono-isotopique. En outre, elle permet de caractériser la structure chimique des molécules en les fragmentant.
Son principe réside dans la séparation en phase gazeuse de molécules chargées (ions) en fonction de leur rapport masse/charge (m/z).
Le résultat obtenu est un spectre de masse représentant les rapports m/z des ions détectés selon l'axe des abscisses et l'abondance relative de ces ions selon l'axe de ordonnées.
Les peptides de collagène de Tyrannosaure séparés par chromatographie en phase liquide ont ensuite été vaporisés à un débit extrêmement faible (pour une sensibilité optimale) dans un spectromètre de masse. John Asara a utilisé un appareil équipé d'un piège à ions qui capture et retient les peptides au fur et à mesure. Les masses des peptides ont d'abord été calculées, puis les peptides ont été isolés et fragmentés pour déterminer leur séquence en acides aminés. En utilisant cette technique à deux étapes, dite "en tandem" (MS/MS), Asara a identifié sept chaînes distinctes d'acides aminés.

Interpréter les séquences d'acides aminés

John Asara devait ensuite interpréter les séquences d'acides aminés isolées. Normalement, quand une séquence sort d'un spectromètre de masse, elle est comparée à une base de données de séquences d'acides aminés existantes. Le collagène étant une protéine extrêmement stable, il était très probable que certaines des séquences de peptides de Tyrannosaure soient similaires à celles d'espèces existantes. Sur les sept peptides trouvés de T. rex, cinq appartenaient à une classe particulière de collagène, l'Alpha I. La majorité de ces séquences étaient identiques à celles du poulet, tandis que les autres correspondaient à celles du triton et de la grenouille.
Pour les espèces éteintes, le vrai objectif est de découvrir les séquences d'acides aminés propres à cet organisme. John Asara avait déterminé une série de séquences théoriques de collagène de T. rex. Mais sans surprise, aucune des sept séquences ne correspondait à la série théorique.
Mais le chercheur estime qu'avec l'amélioration des techniques d'extraction et la sensibilité accrue des instruments, il sera possible d'obtenir des séquences plus longues qui permettront de déterminer plus précisément les liens entre les espèces disparues et les espèces actuelles.

Sources

- Beth Israel Deaconess Medical Center : www.bidmc.harvard.edu
- National Science Foundation: www.nsf.gov
- Wikipédia

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