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UNIVERSITE LOUIS PASTEUR - STRASBOURG I FACULTE DE CHIRURGIE DENTAIRE Année N°

UNIVERSITE LOUIS PASTEUR - STRASBOURG I FACULTE DE CHIRURGIE DENTAIRE Année N° THESE Présentée pour le Diplôme d’Etat de Docteur en Chirurgie Dentaire par Anne GRUNENWALD née le 26 juin 1981 à Nancy La préservation de l’ADN ancien dans les vestiges osseux et dentaires : rôle et interaction de l’hydroxyapatite Président : Professeur Matthieu SCHMITTBUHL, Université de Strasbourg, EA 3428 Assesseurs : Professeur Bertrand LUDES, Université de Strasbourg, EA 3428 Docteur Christine KEYSER , Université de Strasbourg, EA 3428 Professeur Joëlle OGIER, Université de Strasbourg, UMR595 1 REMERCIEMENTS Je tiens à remercier particulièrement Madame le Docteur Christine KEYSER pour m’avoir proposé ce sujet de recherche. Je tiens également à la remercier pour sa patience, ses encouragements et la richesse de ses conseils tout au long de ce travail. Je souhaiterais remercier chaleureusement le Docteur Christophe DROUET, directeur de recherche au CNRS, pour son encadrement au sein du laboratoire ainsi que pour son aide précieuse et la confiance qu’il m’a témoigné. Grâce à vous, j’ai beaucoup appris. Mes plus sincères remerciements vont à Madame le Professeur Anne-Marie SAUTEREAU, Professeur des Universités à la faculté de pharmacie de Toulouse, pour son accueil au sein du laboratoire de pharmacie galénique, sa gentillesse et la contribution majeure qu’elle a apporté dans l’épanouissement de ce projet. Je remercie le Professeur Bertrand LUDES, directeur du laboratoire d’anthropologie moléculaire de Strasbourg, pour le vif intérêt qu’il manifeste à l’égard de ce projet et pour me faire l’honneur de juger mon travail et de participer à ce jury. Monsieur Matthieu SCHMITTBUHL, Professeur des Universités, a accepté de présider ce jury. Qu’il reçoive mes sincères remerciements. Je tiens également à remercier Madame le Professeur Joëlle OGIER pour avoir accepté d’examiner mon mémoire et pour sa présence au sein de ce jury. Je souhaite assurer de ma profonde gratitude Madame Anne RIGAUD, responsable des services administratifs de la faculté de chirurgie dentaire de Strasbourg, pour son soutien et sa diligence et ainsi que pour la pertinence de ses conseils tout au long de mon cursus universitaire. Je remercie l’ensemble des membres du laboratoire de pharmacie galénique ainsi que les membres de l’ENSIACET de l’équipe « Phosphates, Pharmacotechnie, Biomatériaux » pour leur aide, leur bonne humeur et leur soutien tout au long de ce travail. Enfin, un grand merci à mes parents pour leur aide et leur présence à mes côtés. 2 TABLE DES MATIERES FIGURE I.1: SCHÉMA SIMPLIFIÉ DE L’ADN MITOCHONDRIAL HUMAIN (D’APRÈS C. BOUAKAZE, 2006) 17.........................................................................12 FIGURE I.2: RÉPARTITION GÉOGRAPHIQUES DES HAPLOGROUPES DU CHROMOSOME Y EN EUROPE (D’APRÈS HTTP://WWW.SCS.UIUC.EDU/~MCDONALD/WORLDHAPLOGROUPSMAPS.PDF) 19 13 FIGURE I.3: ARBRE SIMPLIFIÉ DES HAPLOGROUPES DU CHROMOSOME Y (D’APRÈS HTTP://WWW.SCS.UIUC.EDU/~MCDONALD/WORLDHAPLOGROUPSMAPS.PDF) 19 13 FIGURE I.4: RÉPARTITION GÉOGRAPHIQUE DES SITES AYANT LIVRÉ DES RESTES NÉANDERTALIENS ANALYSÉS AU NIVEAU MOLÉCULAIRE (ADN MT ET ADN NUCLÉAIRE) 25.........................................................................................13 FIGURE I.5: SCHÉMA DE COUPE LONGITUDINALE D’UNE DENT. (D'APRÈS GRAY, 1918) 27................................................................................................13 FIGURE I.6: MAILLE ÉLÉMENTAIRE DE L’HAP. LES AXES SONT NOMMÉS A, B ET C. LES ANGLES FORMÉS PAR CES AXES SONT NOMMÉS Α, Β ET Γ. LE PLAN (001) EST FORMÉ PAR LES AXES AB, LE PLAN (010) PAR L’AXE AC, ET LE PLAN (100) PAR L’AXE BC. 30............................................................................13 FIGURE I.7: ULTRASTRUCTURE DE LA DENTINE HUMAINE INTERCANALICULAIRE. ON OBSERVE LES STRIES CARACTÉRISTIQUES DU COLLAGÈNE, LES CRISTALLITES EN AIGUILLE ASSOCIÉES AUX FIBRES DE COLLAGÈNE ET DANS LES ESPACES INTERCOLLAGÉNIQUES. 34.........................................................................13 FIGURE I.8: STRUCTURE D’UN OS LONG. COUPE LONGITUDINALE (PARTIE INFÉRIEURE) ET TRANSVERSALE (PARTIE SUPÉRIEURE) DE LA RÉGION MÉTAPHYSAIRE ET DIAPHYSAIRE. 40............................................................13 FIGURE I.9: SCHÉMA ILLUSTRANT LE MILIEU RÉACTIONNEL ET LES DIFFÉRENTES ÉTAPES DE LA PCR (D’APRÈS C. BOUAKAZE, 2006) 46..............................13 FIGURE II.10: MODÈLE D’HISTOIRE TAPHONOMIQUE INDIQUANT LES RELATIONS 3 AUX SOUS-DISCIPLINES DE LA TAPHONOMIE (SELON BEHRENSMEYER ET KIDWELL, 1985) 49...............................................................................................13 FIGURE II.11 : SCHÉMA DE L’ÉVOLUTION DIAGÉNÉTIQUE DES MINÉRALISATIONS BIOLOGIQUES (D’APRÈS S. CAZALBOU ET AL., 2004) 67...............................13 FIGURE II.12: DOMMAGES POSSIBLES DE L’ADN (ICI, CHAÎNE SIMPLE REPRÉSENTANT LES 4 BASES COMMUNES G, GUANINE; C, CYTOSINE; T, THYMINE; A, ADENINE). LES PRINCIPAUX SITES ALTÉRÉS SONT INDIQUÉS PAR UNE FLÈCHE ROUGE (DÉPURINATION). LES SITES SUSCEPTIBLES D’ÊTRE HYDROLYSÉS SONT INDIQUÉS POUR UNE FLÈCHE VERTE ET CEUX PROPICES À L’OXYDATION PAR UNE FLÈCHE BLEUE (D’APRÈS HOFREITER ET AL., 2001). 74.........................13 FIGURE III.13: MODÉLISATION SIMPLIFIÉE DU PHÉNOMÈNE D’ADSORPTION À L’INTERFACE SOLIDE-LIQUIDE (D’APRÈS M. DUC, 2008) 82.........................14 FIGURE III.14: SCHÉMA REPRÉSENTANT LA CONSTITUTION DES NANOCRISTAUX D’APATITE BIOLOGIQUE ET DE LA COUCHE HYDRATÉE. LES POSSIBILITÉS DE SUBSTITUTION IONIQUE SONT PLUS LARGES DANS LA COUCHE HYDRATÉE QUE DANS LE DOMAINE APATITIQUE (D’APRÈS S. CAZALBOU ET AL., 2004) 87...............14 FIGURE III.15: SCHÉMA SIMPLIFIÉ DU SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE (D’APRÈS HTTP://WWW.CHIMIE.UMONTREAL.CA/CHM1312/PARTIE2.PDF) 89 14 FIGURE III.16: ILLUSTRATION DE QUELQUES DOMAINES D'ABSORPTION CORRESPONDANT À DIVERS TYPES DE LIAISONS CHIMIQUES (D’APRÈS HTTP://FR.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/FICHIER:BANDEIR.PNG). 90........................14 FIGURE III.17: SPECTRE D’ABSORPTION IR POUR L’HAP STŒCHIOMÉTRIQUE 90 14 FIGURE III.18: AUTRE SPECTRE IR POUR L’HAP STŒCHIOMÉTRIQUE ET POUR UN ÉCHANTILLON OSSEUX (LES BANDES AMIDES POUR CE DERNIER PROVENANT ALORS DU COLLAGÈNE) 91.........................................................................14 FIGURE III.19: SPECTRE IR DE L’HYDROXYAPATITE EN TRANSMITTANCE (D’APRÈS M. BANU, 2005) 91..................................................................14 FIGURE III.20: SCHÉMA DE DIFFRACTION DE RAYONS X POUR UNE FAMILLE DE PLANS RÉTICULAIRE (P1, P2, P3…SONT LES PLANS DE CETTE FAMILLE, θ EST L’ANGLE DE BRAGG)(D’APRÈS M. GRAZIELLA, 4 HTTP://AASAA.FREE.FR/METHODES/DX/DIFFRACTIONX.HTM) 93...................14 FIGURE III.21: DIAGRAMME DE DIFFRACTION DES RAYONS X DE L’HYDROXYAPATITE (D’APRÈS M. BANU, 2005) 93......................................14 FIGURE III.22: DIAGRAMME AUX RX POUR L’HAP STŒCHIOMÉTRIQUE (PROCHE DE L’ÉMAIL DENTAIRE) AVEC INDEXATION DES PICS PRINCIPAUX DE DIFFRACTION (A) ET UNE APATITE NANOACRISTALLINE CARACTÉRISTIQUE DU MINÉRAL OSSEUX OU DE LA DENTINE (B) 93.................................................14 FIGURE III.23: SCHÉMA ILLUSTRANT LE PRINCIPE D’UN SPECTROPHOTOMÈTRE À DOUBLE FAISCEAU. F1 ET F2 : FENTES. L1 ET L2 : LENTILLES. AD : AMPLIFICATEUR DIFFÉRENTIEL ET AFFICHAGE (D’APRÈS E. BIÉMONT, 2008) 95 15 FIGURE III.24: COURBE D’ÉTALONNAGE DE LA RÉPONSE UV DU SPECTROMÈTRE UV/VIS LAMBDA 25. LES IMPRÉCISIONS DES MESURES DE D.O DE L’ÉTALON LE PLUS CONCENTRÉ (STANDARD5) SONT LIÉES AU PHÉNOMÈNE DE RAYONNEMENTS PARASITES EN CAS DE FORTE ABSORBANCE. ON OBSERVE LA LINÉARITÉ DE LA RELATION UNISSANT L’ABSORBANCE À LA CONCENTRATION D’ADN EN SOLUTION POUR UNE GAMME DE CONCENTRATION ALLANT DE 0 À 150 ΜG/ML. 96.......................................................................................15 FIGURE III.25: MODÉLISATION SIMPLIFIÉE DE L’HYPOTHÈSE D’OKASAKI EXPLIQUANT L’AFFINITÉ DES CRISTAUX D’APATITE POUR LES ACIDES NUCLÉIQUES (D’APRÈS M. OKASAKI ET AL., 2001) 101.................................................15 FIGURE III.26: ISOTHERME D’ADSORPTION POUR 10 MG D’APATITE MATURÉE 1 SEMAINE EN PRÉSENCE D’UNE SOLUTION D’ADN DE CONCENTRATION COMPRISE ENTRE 10 ET 150 ΜG/ML. 102.................................................................15 FIGURE III.27: ISOTHERME D’ADSORPTION POUR 5 MG D’APATITE EN PRÉSENCE DE 2,5 ML DE SOLUTION D’ADN CONCENTRÉ ENTRE 10 ET 150 ΜG/ML. 103 15 FIGURE III.28: DÉTERMINATION GRAPHIQUE DES PARAMÈTRES D’ADSORPTION GRÂCE À LA LINÉARISATION DE L’ÉQUATION DE LANGMUIR. 104....................15 FIGURE III.29: INFLUENCE DU RAPPORT « SOLIDE–SOLUTION » (APATITE MATURÉE 1 SEMAINE) AVEC ET SANS AGITATION MAGNÉTIQUE CONSTANTE. 105 15 5 FIGURE III.30: INFLUENCE DU RAPPORT « SOLIDE– SOLUTION » POUR L’HAP AVEC AGITATION MAGNÉTIQUE CONSTANTE. LA COURBE DE TENDANCE EST POLYNOMIALE (L’ÉQUATION GRAPHIQUE ET LE COEFFICIENT DE CORRÉLATION R2 SONT INDIQUÉS À DROITE DE LA COURBE) 106..............................................15 FIGURE III.31: EVOLUTION DE L’ADSORPTION À L’ÉQUILIBRE SUR L’APATITE MATURÉE 1 SEMAINE EN FONCTION DE LA CONCENTRATION D’ADN À L’ÉQUILBRE, AVEC AGITATION. 107............................................................15 FIGURE III.32: LINÉARISATION DE L’ISOTHERME D’ADSORPTION DE L’ADN DE THYMUS DE VEAU SUR L’APATITE MATURÉE 1 SEMAINE SELON LES MODÈLES DE LANGMUIR (1), FREUDLICH (2), TEMKIN (3). 108......................................15 FIGURE III.33: ISOTHERME D’ADSORPTION DE L’ADN DE THYMUS DE VEAU SUR L’APATITE MATURÉE 1 SEMAINE AVEC MODÉLISATION DE L’ISOTHERME DE FREUNDLICH. 108....................................................................................16 TABLEAU I.1: PARAMÈTRES DE DIFFRACTION AUX RX POUR L’ÉMAIL DENTAIRE, L’HAP ET L’OCP (D’APRÈS J.P SIMMER ET A.G. FINCHAM, 1995) 30.....16 TABLEAU I.2: CONCENTRATIONS EN IONS DANS LE FLUIDE AMÉLAIRE ET SON ABONDANCE RELATIVE DANS L’ÉMAIL DENTAIRE (D’APRÈS J.P SIMMER ET A.G. FINCHAM, 1995) 32.................................................................................16 TABLEAU I.3 : ABONDANCE RELATIVE DES PRINCIPAUX IONS DANS LA DENTINE, EN COMPARAISON AVEC L’ÉMAIL DENTAIRE. 35.............................................16 TABLEAU I.4: COMPOSITIONS ET PROPORTIONS DES FRACTIONS MINÉRALES ET ORGANIQUES DES DIFFÉRENTES DENTINES PHYSIOLOGIQUES (D’APRÈS M. GOLDBERG, 2008, MODIFIÉ D’APRÈS J. H. KINNEY ET AL., 2000) 36..........16 TABLEAU III.5: RÉCAPITULATIF DES DIFFÉRENTS RAPPORTS SOLIDE – SOLUTION UTILISÉS. 97............................................................................................16 I LES PROBLÉMATIQUES DE L’ANTHROPOLOGIE MOLÉCULAIRE ........................ 19 I.A LES GRANDS AXES DE RECHERCHE DE L’ANTHROPOLOGIE MOLÉCULAIRE ..................................... 19 I.A.1 LES OUTILS GÉNÉTIQUES UTILISÉS EN ANTHROPOLOGIE MOLÉCULAIRE ................................................. 19 I.A.1.1 Les marqueurs génétiques .............................................................................................. 20 I.A.1.1.1 L’ADN mitochondrial (ADNmt) ..................................................................................... 21 I.A.1.1.2 Le chromosome Y ........................................................................................................... 22 6 I.A.1.2 Les bases de données ....................................................................................................... 24 I.A.2 LES CHAMPS D’APPLICATIONS DE LA PALÉOGÉNÉTIQUE ...................................................................... 25 I.A.2.1 Détermination moléculaire du sexe ................................................................................ 25 I.A.2.2 Etude des relations de parenté au sein des ensembles funéraires ................................ 26 I.A.2.3 La phylogénie ................................................................................................................... 28 I.A.2.4 La paléomicrobiologie ...................................................................................................... 30 I.B LES SUBSTRATS ANCIENS .......................................................................................................... 31 I.B.1 LA DENT 31 I.B.1.1 L’émail dentaire humain ................................................................................................. 33 I.B.1.1.1 La phase minérale ........................................................................................................... 33 I.B.1.1.2 La phase organique ........................................................................................................ 36 I.B.1.2 Le complexe pulpo-dentinaire ......................................................................................... 37 I.B.1.2.1 La dentine ....................................................................................................................... 37 I.B.1.2.1.1 La dentine intertubulaire (ou intercanaliculaire) .......................................................... 38 I.B.1.2.1.2 La dentine péritubulaire ............................................................................................... 39 I.B.1.2.1.3 Les odontoblastes ......................................................................................................... 40 I.B.1.2.2 La pulpe .......................................................................................................................... 41 I.B.1.3 Le cément .......................................................................................................................... 41 I.B.1.4 Echantillons dentaires comme sources d’ADN ancien ................................................... 42 I.B.2 L’OS 43 I.B.2.1 L’os cortical ou os compact ............................................................................................. 43 I.B.2.2 L’os spongieux .................................................................................................................. 44 I.B.2.3 La nature du uploads/Geographie/ memoire-entier.pdf