Les marques épigénétiques, en raison de leur rôle important dans la santé humaine, suscitent un intérêt croissant dans la littérature scientifique et les médias. Mais qu'en est-il du monde animal, en particulier des animaux d'élevage? Pour la production animale, notamment bovine, l'objectif est d'accroître la productivité tout en respectant la santé et le bien-être des animaux. D'importants efforts de sélection génétique ont été déployés au cours des cinq dernières décennies, et de nombreux marqueurs génétiques ont été associés à la production laitière, à la qualité de la viande, à la reproduction et aux caractères de croissance. Cependant, la génétique ne peut expliquer qu'une partie de la variabilité phénotypique des caractères d'intérêt pour l'éleveur ; les modifications épigénétiques contribuent également à cette variabilité.
Introduction à l'épigénétique
Initialement utilisé pour décrire l'influence de l'environnement sur le développement des phénotypes, le terme « épigénétique » a beaucoup évolué depuis son introduction en 1942 par Conrad H. Waddington. L'épigénétique se définit aujourd'hui comme l'ensemble des marques apposées sur le génome qui induisent des changements de l'expression des gènes sans altération de la séquence d'ADN. Ces marques sont à la fois stables et héritables au cours des divisions cellulaires. L'épigénome d'une cellule est l'ensemble complet des marques épigénétiques, telles que la méthylation de l'ADN, les modifications post-traductionnelles des histones, le remodelage de la chromatine, les ARN non codants et autres molécules qui peuvent transmettre des informations à travers la mitose en régulant l'expression génique.
L'épigénome est très dynamique tout au long de la vie et est régi par une interaction complexe de facteurs génétiques et environnementaux. En effet, toutes les cellules d'un individu possèdent le même patrimoine génétique qu'elles utilisent de façon variable en exprimant plus ou moins fortement des gènes différents en fonction du stade physiologique et du type cellulaire. Cette information spécifique d'un état cellulaire donné est orchestrée par les marques épigénétiques, activatrices ou inhibitrices, qui ont la capacité de modifier l'expression génique et de définir des phénotypes spécifiques. De plus, les marques épigénétiques apposées sur le génome sont modifiables et/ou réversibles en fonction de l'environnement, et ces modifications peuvent aussi avoir des conséquences à long terme. Le développement d'un individu (embryon, fœtus et nouveau-né ; mais aussi la différenciation et la maturation des cellules germinales) et de façon plus générale la période qui entoure la conception, représente une fenêtre de temps particulièrement sensible aux différents facteurs environnementaux. Le retour à la totipotence nécessaire à l'initiation du programme développemental implique en effet une grande plasticité des marques épigénétiques en terme de diversité, quantité et durée d'action.
Méthylation de l'ADN : Un mécanisme clé de la régulation épigénétique
Au sein de la séquence d’ADN, les résidus de cytosine des dinucléotides CpG (pour « cytosine-phosphate-guanine ») peuvent être méthylés en 5-méthylcytosine (5meC). Cette méthylation de l’ADN est connue depuis plus de 50 ans, avec la découverte de la 5meC dans l’embryon d’oursin puis la mise en relation de cette marque épigénétique avec l’activité des gènes au cours du développement. Elle est présente chez presque tous les organismes vivants, mais chez les mammifères, seules 5 à 10 % des cytosines du génome sont méthylées. Ce pourcentage semble faible, mais rapporté aux dinucléotides CpG, il dépasse bien souvent 80 %.
Distribution des sites CpG et fonctions de la méthylation
Les sites CpG ne se répartissent pas de manière uniforme le long du génome. Les régions les plus denses en sites CpG sont nommées « îlots CpG » et sont en général méthylées lorsqu’elles sont associées aux éléments répétés du génome, tels que les rétrotransposons (éléments mobiles du génome, d’origine virale accumulés au cours de l’évolution) et les séquences satellites centromériques et péricentromériques. La méthylation de l’ADN au niveau des rétrotransposons, est nécessaire pour prévenir leur réplication et protéger le génome contre leur invasion. La méthylation des séquences satellites péricentromériques intervient quant à elle dans la formation de l’hétérochromatine constitutive, essentielle pour limiter les recombinaisons et ségrégations chromosomiques indésirables.
Lire aussi: Guide : Calculer la date d'accouchement après FIV
Au niveau des régions flanquant les îlots CpG, la méthylation de l’ADN est particulièrement dynamique en fonction du type cellulaire, du stade de développement, de la physiologie de l’animal ou de l’environnement. Associée à des éléments régulateurs ou à des promoteurs, la méthylation de l’ADN inhibe l’expression des gènes, tandis qu’au niveau intragénique elle aurait un rôle activateur en limitant les démarrages de transcription illégitimes.
La méthylation de l’ADN intervient également dans l’inactivation du chromosome X, qui permet de compenser le double dosage allélique chez les femelles, ainsi que dans les processus d’empreinte parentale décrits pour une centaine de gènes chez l’Homme et la souris. Les gènes soumis à empreinte s’expriment de manière mono-allélique en fonction de l’origine parentale de l’allèle ; cette expression mono-allélique est indispensable au bon déroulement du développement et à une croissance harmonieuse du fœtus. Ces gènes ne semblent pas complètement conservés entre espèces, et leur liste chez le bovin n’est à ce jour pas exhaustive.
Mécanismes de la méthylation et de la déméthylation de l'ADN
Les fonctions de la méthylation de l’ADN sont médiées par des protéines nucléaires portant un domaine de liaison à l’ADN méthylé et capables de recruter des répresseurs transcriptionnels ou des enzymes de modification des marques d’histones. Les DNMT (ADN méthyltransférases) sont les enzymes qui catalysent le transfert des groupes méthyle sur la position 5 des cytosines à partir du métabolite S-adénosylméthionine (produit à partir d’acide folique apporté par l’alimentation). Les enzymes DNMT3A et DNMT3B sont impliquées dans la méthylation de novo qui se met en place lors des processus de différenciation cellulaire, mais également en réponse à un stimulus dans les cellules différenciées. L’enzyme DNMT1, qui reconnaît les sites CpG hémiméthylés issus de la réplication de l’ADN, assure le maintien et la propagation des patrons de méthylation à travers la division cellulaire. La déméthylation peut ainsi résulter d’une absence d’activité de DNMT1, la méthylation de l’ADN étant progressivement diluée au cours des cycles cellulaires. Des mécanismes de déméthylation active de l’ADN sont également observés lors des vagues de reprogrammation épigénétique ayant lieu dans les précurseurs des cellules germinales et l’embryon préimplantatoire.
Autres marques épigénétiques : Modifications des histones et ARN non codants
Outre la méthylation de l'ADN, d'autres marques épigénétiques jouent un rôle crucial dans la régulation de l'expression des gènes. Parmi celles-ci, on trouve les modifications post-traductionnelles des histones et les ARN non codants.
Modifications des histones : Le code des histones
Dans le noyau, l’ADN génomique est enroulé autour d’octamères de quatre types d’histones (H2A, H2B, H3 et H4) pour former le nucléosome. Les histones sont de petites protéines basiques, ce qui facilite leur liaison à l’ADN, contenant également des queues N-terminales ciblées par différents types de modifications : acétylation, méthylation, phosphorylation, ubiquitylation, sumoylation, ribosylation, désamination et isomérisation. Ces modifications touchent différents acides aminés, produisant ainsi des dizaines de variants post-traductionnels avec des rôles fonctionnels différents. L’addition ou le retrait de ces modifications sont des processus très flexibles qui affectent directement l’accessibilité de l’ADN génomique par la machinerie de transcription, et donc l’activation ou la répression de l’expression génique. La combinatoire des différentes marques d’histones (« code des histones »), en association avec la méthylation de l’ADN et la présence de certains facteurs de transcription ou de l’ARN polymérase, définissent des états chromatiniens associés à différents états transcriptionnels. Ces états chromatiniens sont transmis aux cellules filles, assurant la continuité de l’identité cellulaire à travers la mitose.
Lire aussi: L'implantation d'embryons congelés : un aperçu
Les modifications d'histones reposent sur l'utilisation de métabolites issus de l'alimentation (acétyl-coA et S-adénosylméthionine) et sont contrôlées par une importante machinerie épigénétique, comprenant des enzymes capables d'apposer, d'effacer et de lire ces marques. Les acétylations et désacétylations ont été décrites dès les années 1960. Fruits de l'activité des histones acétyltransférases (HAT), les acétylations ont pour effet de neutraliser la charge positive de l'histone, d'augmenter son encombrement stérique et de diminuer la force de son interaction avec l'ADN. Les lysines acétylées permettent également le recrutement de protéines à bromodomaine qui interviennent dans le remodelage de la chromatine. Il résulte de ces différents modes d'action une ouverture de la chromatine (euchromatine) et une augmentation locale de l'activité transcriptionnelle. Les processus de désacétylation, qui ont une action opposée sur la transcription, font intervenir les histones désacétyltransférases (HDAC) et sont associés à la formation de l'hétérochromatine (chromatine compacte). Les méthylations, qui consistent en l'addition d'un ou plusieurs groupe(s) méthyle(s) sur les résidus lysines ou arginines des queues d'histones, sont catalysées par des histones méthyltransférases (KMT) tandis que les déméthylations résultent de l'activité des histones déméthylases (KDM). À la position H3K4, la triméthylation (H3K4me3) est une signature d'activité transcriptionnelle, en particulier lorsqu'elle est combinée avec une acétylation. À l'inverse, la méthylation est associée à une répression transcriptionnelle lorsqu'elle touche H3K27 et H4K20 et à l'hétérochromatine constitutive à la position H3K9, en association avec la protéine HP1 et la méthylation de l'ADN.
Enfin, il est important de noter qu’un type de cellule échappe à la structure en nucléosome : le spermatozoïde, où selon les espèces 85 à 99 % des histones sont remplacées par des protamines, protéines riches en arginine formant des structures en forme de tores avec l’ADN.
ARN non codants : Régulateurs clés de l'expression génique
La découverte des ARN non-codants a bouleversé le dogme selon lequel chaque gène codait une protéine possédant une fonction cellulaire. Des recherches récentes ont mis en évidence de nombreuses formes d'ARN non-codants soulignant leurs rôles dans la physiologie et leurs implications dans de nombreuses pathologies. Les ARN non-codants sont divisés en sous-classes selon leur taille, leur fonction ou leur localisation génomique. Les petits ARN non-codants comprennent les ARN dont la taille est inférieure à 200 nucléotides, parmi lesquels les microARN (miARN, 19-24 nucléotides). Chez les mammifères, plus de 2 000 miARN par espèce sont actuellement répertoriés dans la base publique de référence miRBase. Au niveau génomique, les miARN peuvent être organisés en cluster ; ils partagent alors un promoteur commun et sont transcrits en large polycistrons (grand fragment d'ARN contenant plusieurs miARN). Les gènes de miARN peuvent également être localisés dans les introns de gènes codants ou non. Ces gènes de miARN introniques peuvent soit partager le même promoteur que leur hôte, soit utiliser un promoteur distinct ou même plusieurs sites d'initiation de la transcription.
La biosynthèse de miARN fonctionnels et l’assemblage du complexe RISC (« RNA-induced silencing complex ») font appel à une cascade de réactions enzymatiques se regroupant en cinq étapes : i) transcription du gène codant le miARN sous forme de miARN primaire (pri-miARN), ii) maturation du pri-miARN en précurseur (pré-miARN) au niveau nucléaire, iii) export du pré-miARN du noyau vers le cytoplasme, iv) maturation du pré-miARN en miARN mature et v) formation du complexe RISC. Ce complexe est guidé par le miARN vers ses transcrits cibles par homologie partielle de séquences entre les deux espèces d’ARN il peut induire ensuite l’inhibition de la traduction ou la dégradation des ARN messagers. Un miARN peut ainsi cibler une centaine d’ARNm différents et un ARNm peut être ciblé par plusieurs dizaines de miARN différents. En participant à la régulation de l’expression génique, les miARN ont des rôles clés dans l’ensemble des fonctions biologiques chez les mammifères. Les fonctions des miARN dans la prolifération, la différenciation ou la mort cellulaire sont conservées au cours de l’évolution et entrent en jeu dans toutes les voies biologiques citons par exemple la réponse immune, le rythme circadien ou encore le développement cérébral.
Les études de profils d'expression des miARN indiquent que la majorité d'entre eux est sous le contrôle de signaux développementaux et/ou tissus-spécifiques, comme miR-1 qui représente 45 % des miARN exprimés dans le cœur et miR-122 qui représente 72 % des miARN du foie. Le contrôle précis du niveau d'expression des miARN est crucial pour maintenir les fonctions physiologiques de la cellule, et les dérégulations de leur expression sont souvent associées à des pathologies telles que le cancer. Leur dérégulation peut jouer un rôle dans les processus d'initiation, de prolifération et d'invasion des cellules tumorales.
Lire aussi: Signes et symptômes d'une fausse couche
Méthylation de l'ADN et développement embryonnaire précoce
La méthylation de l'ADN joue un rôle essentiel dans le développement embryonnaire précoce. Chez les mammifères, le développement embryonnaire est caractérisé par une reprogrammation globale de la méthylation de l'ADN, qui est essentielle pour assurer le bon développement de l'embryon.
Reprogrammation de la méthylation de l'ADN
Après la fécondation, le génome de l'embryon subit une vague de déméthylation globale, suivie d'une reméthylation de novo. Ce processus de reprogrammation épigénétique est crucial pour effacer les marques épigénétiques parentales et établir un nouveau profil de méthylation spécifique au développement embryonnaire.
La déméthylation globale est initiée dans le zygote et se poursuit jusqu'au stade blastocyste. Ce processus implique l'activité des enzymes TET (Ten-eleven translocation), qui catalysent l'oxydation de la 5-méthylcytosine (5mC) en 5-hydroxyméthylcytosine (5hmC), un intermédiaire dans la voie de déméthylation. La 5hmC peut ensuite être convertie en 5-formylcytosine (5fC) et 5-carboxylcytosine (5caC) par les enzymes TET, qui sont ensuite reconnues et éliminées par la voie de réparation par excision de base (BER).
La reméthylation de novo se produit après la déméthylation globale et est catalysée par les ADN méthyltransférases (DNMT), en particulier DNMT3A et DNMT3B. Ces enzymes établissent de nouveaux motifs de méthylation sur le génome embryonnaire, qui sont essentiels pour la régulation de l'expression des gènes pendant le développement.
Rôle des DNMT dans la méthylation de l'ADN embryonnaire
Les ADN méthyltransférases (DNMT) jouent un rôle essentiel dans la méthylation de l'ADN pendant le développement embryonnaire. Chez les mammifères, il existe trois DNMT principales : DNMT1, DNMT3A et DNMT3B.
DNMT1 est une méthyltransférase de maintenance qui copie les motifs de méthylation existants sur les nouveaux brins d'ADN pendant la réplication. DNMT1 est essentielle pour la transmission fidèle des motifs de méthylation à travers les divisions cellulaires et joue un rôle important dans le maintien de la stabilité du génome.
DNMT3A et DNMT3B sont des méthyltransférases de novo qui établissent de nouveaux motifs de méthylation sur le génome. DNMT3A et DNMT3B sont essentielles pour la reprogrammation épigénétique pendant le développement embryonnaire et jouent un rôle important dans la régulation de l'expression des gènes et la différenciation cellulaire.
Des études ont montré que DNMT3A et DNMT3B sont strictement impliquées dans la méthylation de novo, et DNMT1 est strictement impliqué dans le maintien de la méthylation de l'ADN pendant les divisions cellulaires. De plus, l'analyse d'embryons globalement déméthylés a révélé de nombreuses fonctions de la méthylation de l'ADN dans le maintien de l'intégrité transcriptomique de l'embryon en réprimant des gènes gamétiques, des gènes du développement, des promoteurs cryptiques ainsi qu'un large panel de transposons.
Ciblage de la méthylation de l'ADN
Le ciblage de la méthylation de l'ADN vers des gènes spécifiques pendant le développement embryonnaire est un processus complexe qui est mal compris. Cependant, des études récentes ont identifié plusieurs facteurs qui jouent un rôle dans ce processus.
Un de ces facteurs est le facteur de transcription E2F6. Des études ont montré que E2F6 facilite l'acquisition de la méthylation de l'ADN au niveau du promoteur des gènes gamétiques et est nécessaire pour initier leur répression à long terme au cours de l'embryogenèse.
Anomalies de la méthylation de l'ADN et troubles du développement
Des anomalies de la méthylation de l'ADN peuvent entraîner des troubles du développement. Des anomalies de la méthylation de l'ADN ont été associées à plusieurs troubles du développement chez l'homme, tels que le syndrome de Beckwith-Wiedemann (BWS) et le syndrome de Silver-Russell (RSS).
Syndrome de Beckwith-Wiedemann (BWS)
Le syndrome de Beckwith-Wiedemann (BWS) est un trouble de la croissance caractérisé par une croissance excessive, une macroglossie (langue anormalement grande), une viscéromégalie (augmentation de la taille des organes internes) et un risque accru de tumeurs. Le BWS est causé par des anomalies de la méthylation de l'ADN dans la région chromosomique 11p15, qui contient plusieurs gènes soumis à empreinte.
Dans la plupart des cas de BWS, il existe une perte de méthylation au niveau de la région centromérique ICR2 (KCNQ1OT1) de l'allèle maternel ou un gain de méthylation de la région télomérique ICR1/IGF2/H19 sur l'allèle maternel. Ces anomalies de la méthylation entraînent une surexpression du gène IGF2 (un facteur de croissance) et une sous-expression du gène CDKN1C (un inhibiteur du cycle cellulaire), ce qui contribue à la croissance excessive observée chez les patients atteints de BWS.
Syndrome de Silver-Russell (RSS)
Le syndrome de Silver-Russell (RSS) est un trouble de la croissance caractérisé par un retard de croissance intra-utérin, une petite taille, une asymétrie corporelle et des difficultés d'alimentation. Le RSS est également causé par des anomalies de la méthylation de l'ADN dans la région chromosomique 11p15.
Dans la plupart des cas de RSS, il existe une déméthylation de la région télomérique ICR1/IGF2/H19 sur l'allèle paternel. Cette anomalie de la méthylation entraîne une sous-expression du gène IGF2, ce qui contribue au retard de croissance observé chez les patients atteints de RSS.
Assistance médicale à la procréation (AMP) et anomalies de la méthylation
Une fréquence anormale d’aide médicale à la procréation a été notée dans les séries de BWS suggérant que celle-ci puisse avoir une incidence sur les anomalies de l’empreinte. Les causes à l’origine de ces anomalies d’empreinte ne sont pas connues. De plus d’autres anomalies de l’empreinte touchant de nombreux loci autre que ceux de la région 11p15 ont été décrites que ce soit chez des enfants issus d’AMP ou de grossesse spontanée.
L’anomalie toujours épigé- nétique et d’empreinte (déméthylation du gène maternel KCNQ1OT1/ICR2 ou déméthylation de l’allèle paternel d’ ICR1 respectivement dans le BWS et le RSS) suggère que l’AMP empêche le maintien des marques de méthylation des gènes maternels dans les jours suivants la fécondation. Certains arguments plaident en faveur de l’implication des procédures d’AMP comme l’aspect en mosaïque cellulaire des anomalies épigénétiques apparaissant donc en période post zygotique. Cependant les études préliminaires n’impliquent pas une procédure particulière : Fertilisation In Vitro, ICSI, milieu de culture, congélation d’embryon, délai du transfert. Ces anomalies semblent apparaître en période post fertilisation (que ce soit pour les enfants issus d’AMP ou non) et ceci repose sur les arguments tels que la distribution en mosaïque de l’épimutation (BWS et SRS) ou l’existence de jumeaux monozyg.
Impact de l'environnement sur la méthylation de l'ADN
L'environnement peut influencer la méthylation de l'ADN et avoir des conséquences sur le développement et la santé. Des études ont montré que l'exposition à des facteurs environnementaux tels que la nutrition, le stress et les toxines peut modifier les motifs de méthylation de l'ADN et affecter l'expression des gènes.
Nutrition et méthylation de l'ADN
La nutrition joue un rôle important dans la méthylation de l'ADN. Les nutriments tels que l'acide folique, la choline et la vitamine B12 sont essentiels pour la synthèse de S-adénosylméthionine (SAM), un donneur de groupes méthyle utilisé par les DNMT pour la méthylation de l'ADN. Une carence en ces nutriments peut entraîner une diminution de la méthylation de l'ADN et affecter l'expression des gènes.
Stress et méthylation de l'ADN
Le stress peut également modifier la méthylation de l'ADN. Des études ont montré que l'exposition au stress pendant la grossesse peut affecter la méthylation de l'ADN chez le fœtus et avoir des conséquences à long terme sur le développement et la santé de l'enfant.
Toxines et méthylation de l'ADN
L'exposition à des toxines environnementales peut également modifier la méthylation de l'ADN. Des études ont montré que l'exposition à des métaux lourds, des pesticides et des polluants atmosphériques peut affecter la méthylation de l'ADN et augmenter le risque de maladies chroniques.
Perspectives futures
La recherche sur la méthylation de l'ADN et le développement embryonnaire est un domaine en pleine expansion. Des études futures devraient se concentrer sur la compréhension des mécanismes qui régulent le ciblage de la méthylation de l'ADN, l'impact des facteurs environnementaux sur la méthylation de l'ADN et le rôle des anomalies de la méthylation de l'ADN dans les troubles du développement.
tags: #méthylation #ADN #embryon #degré #de #méthylation