cco médecine moléculaire Épigénétique et pathologies...

CCO Médecine Moléculaire Pr.Anne Dumay 12/11/12 de 17h30 à 19h30Ronéotypeuse : Nora BéguinRonéolectrice : Rebecca Tuil

CCO Médecine Moléculaire Épigénétique et pathologies humaines

NB : la prof ne met pas toutes les diapos du cours sur didel ce qui explique que ce cours a beaucoup plus d'informations qu'il faut donc connaître !

CCO Médecine Moléculaire cours 6 1/18

Sommaire

I - Introduction et définitions

a) Génétiqueb) Chromatine, nucléosome

1. Incorporation de variants d'histones2. Modifications post-traductionnelles des histones3. Recrutement de complexes de remodelage

c) Méthylation de l'ADNd) Génome/épigénome ; génétique/épigénétique

II – Rôles

a) Défense face à l'intrusion d'ADN étrangerb) Réparation de l'ADNc) Régulation de l’expression des gènes

1. Inactivation du chromosome X 2. Empreinte parentale

III – Épigénétique et cancérogénèse

Conclusion


I – Introduction et définitions

a) Génétique

La génétique c'est l'étude :• des gènes• de la transmission des gènes : grâce aux travaux de Mendel qui a montré par exemple la

ségrégation d'un couple d'allèles d'un même gène au cours des générations• de la variation de ces gènes, donc variations au niveau des séquences d’ADN qui peuvent

être : - différentes formes d'un même gène: les allèles - un polymorphisme c-à-d différentes séquences d'un même gène qui n'ont pas forcément des conséquences sur le produit final et qui sont en fréquence importante (par exemple les microsatellites) - des mutations : modifications au niveau de la séquence d'ADN, transmissibles et peu fréquentes

L'étude des gènes a amené à définir un code génétique (ensemble de codons qui codent pour les aa). Le génome humain porte toute l'information génétique (ensemble de l'ADN dans nos cellules).Le génome humain :

− est de l'ordre de 3,3 10^9 paires de bases− est composé de 46 chromosomes: 22 paires d'autosomes et 1 paire de chromosomes sexuels− environ 1 à 3% de l'ADN est codant ce qui correspond à 30 000 gènes− environ 45% de l'ADN est représenté par des séquences répétées (microsatellites ou

séquences plus importantes)

L’épigénétique c'est l'étude des modifications transmissibles et réversibles qui affectent l'organisation, l'expression des gènes, sans modification de la séquence nucléotidique.La séquence de l'ADN est donc inchangée, pourtant l'ADN a une structure différente ce qui entraîne des conséquences sur l'expression des gènes.

b) Chromatine, nucléosome

Dans nos cellules il y a beaucoup d'ADN (3,3.10^9 pb), si on le déroule il mesure environ 2 mètres, il faut le faire tenir dans le noyau dont le diamètre est de quelques micromètres.

La cellule a trouvé une solution à ce problème => différents niveaux de compaction. L'ADN est déjà un peu compacté car sous forme double hélice grâce a l'appariement des bases.

1er niveau de compaction= nucléosome: les hélices vont s'entourer autour d' octamères d'histones (complexe protéique de 8 histones), sur chaque octamère va s'entourer 146 pb.

2ème niveau de compaction : les filaments d'ADN entourés d'histones vont former des boucles, qui forment la chromatine, qui elle forme les chromosomes.


La chromatine en fonction du cycle cellulaire a des aspects différents.

Petit rappel sur le cycle :en G1 2n chromosome à 1 chromatide (cette cellule se prépare, elle synthétise des enzymes, des protéines, tout ce qu'il lui faut pour pouvoir répliquer l'ADN) ,phase S, puis G2 la cellule se prépare à se diviser et enfin à la mitose les cellules se divisent.

Regardons l'ADN à ces différentes phases. On a marqué l'ADN par le DAPI (intercalant fluorescent) donc on ne voit pas le cytoplasme mais que l'ADN.

ADN en G1 (avant la réplication) ADN en G2 (après la réplication)

ADN prend toute la place dans le noyau. L'ADN est en interphase on parle de chromatine.

Chaque chromosome est individualisé. L'ADN en métaphase on parle de chromosome.

On peut marquer les chromosomes avec des fluorochromes différents ce qui permet de voir les différentes paires de chromosomes. Mais cela reste difficile de les distinguer les uns des autres quand on est en G1.

On peut aussi regarder nos cellules en microscopie électronique: on voit l'ADN dans le noyau et on remarque qu'il y a plusieurs zones plus ou moins foncées. Pareil au niveau des chromosomes (ils sont bien individualisés en phase G2) on a aussi des zones plus ou moins foncées. Cela correspond à l'euchromatine (forme relâchée) et l'hétérochromatine (forme compacte).


− corps de Barr : en périphérie du noyau, plus dense car correspond à de l'hétérochromatine− nucléole : production d'ARN ribosomiaux − zone claire = euchromatine : dans le noyau et sur les bras des chromosomes− zone foncée = hétérochromatine : périphérie du noyau ou corps de Barr , et sur les

centromères des chromosomes ainsi que quelques bandes sur les bras des chromosomes.

La chromatine est la répétition d'unités élémentaires appelés nucléosomes.Le nucléosome c'est de l'ADN (146pb) qui entoure des octamères d'histones.La chromatine va être plus ou moins condensée, et cette condensation est modulable parce que la cellule va avoir besoin de changer le niveau de compaction. En effet, si la chromatine est trop condensée c'est un obstacle à la réplication de l'ADN, la transcription des gènes. La cellule a 3 possibilités pour changer le niveau de compaction :

− incorporation de variants d'histones− modifications post-traductionnelles des histones − recrutement de complexes de remodelage

1. Incorporation de variants d'histones

En général, un nucléosome est constitué des histones H2A, H2B, H3 et H4, mais il existe d'autres d'histones. Par exemple des variants de H2A : H2A1, H2A2, H2A -Bbd, H2AX, H2AZ, macroH2A... Ils peuvent se mettre à la place de H2A et ont des rôles spécifiques, ils ne se positionnent pas au hasard. C'est le cas par exemple en réponse a une irradiation.

Exemple: H2AX On regarde des cellules a microscopie à fluorescence, on marque l'ADN par un fluorochrome DAPI (en bleu) et on marque H2AX par un anticorps qui le reconnaît spécifiquement. Si on irradie nos cellules avec des rayons gamma, on voit que au niveau de l'ADN on a des spots blancs qui correspond à H2AX, qui prouve que H2AX c'est incorporé dans l'ADN. On a donc des nucléosomes qui sont faits de H3,H4,H2B,et H2AX. Ces histones H2AX, on ne sait pas si elles modifient la chromatine mais elles sont induites quand il y a des cassures doubles brins. Elles permettent alors de signaler ces cassures à la cellule.

Schéma de la voie de signalisation en réponse à une cassure double brin


Il y a une cassure double brin sur l'ADN qui va être reconnue par un censeur, qui va à son tour activer une kinase ATM. La kinase va ensuite signaler la présence de la cassure double brin en phosphorylant des gènes cibles impliqués dans la réparation de l'ADN, dans la signalisation de p53 ou dans le cycle cellulaire. Ces protéines vont activer d'autres protéines comme p53 qui va activer des gènes de transcription dans la réparation de l'ADN (rad51), dans l'apoptose (Bax) ou dans le cycle cellulaire(p21). L'histone H2AX va aussi être induit et se positionner au niveau des histones qui encadrent les cassures double brin, c'est donc une des manières de signaler à la cellule une cassure double brin.

2. Modifications post-traductionnelles des histones

Il existe plusieurs enzymes capables de modifier spécifiquement les histones :− Histone Acetyl Transferases (HAT) => acétylation− Histone deacetylases (HDAC) => désacétylation − Histone methyltransferases (HMTs) => méthylation − Histone kinases => phosphorylation

Il existe plusieurs modifications qui peuvent avoir lieu sur les histones. Elles sont régulées et faites grâce à des modifications enzymatiques. Cela nous amène a définir un code épigénétique, c'est l'ensemble des modifications post-traductionnelles subies par les histones qui vont transmettre une information épigénétique (au niveau de l'expression des gènes).

Exemple de modification des histones :L'acétylation

Au niveau des régions Nter des histones , il a souvent des lysines qui sont des acides aminés chargés positivement grâce au groupement amine situé sur la chaîne latérale. Ces lysines sont acétylables, le rajout du groupement acétyl va neutraliser cette charge positive. En temps normal, la lysine chargée + va entraîner une compaction plus importante de la chromatine. En effet,la charge + des lysines des queues Nter va interagir avec les groupements phosphates de l'ADN et du coup rendre plus compacte la chromatine. Quand les lysines sont acétylées on perd la charge +, les lysines sont donc neutres, il y a donc moins d’interaction avec l'ADN et les queues Nter sont libres, ce qui va entraîner une décondensation de la chromatine. Ceci est une modification des histones qui joue sur la compaction de l'ADN, il y a d'autres modifications d'histones qui peuvent aussi jouer sur l'interaction entre des protéines et l'ADN.


Le nucléosome se forme à partir d'un tétramère de 2 H3 et 2 H4 qui s'associe avec deux dimères H2A-H2B,on obtient donc un octamère d'histones (= 8 histones). Autour de cet octamère va s'enrouler 146 pb d'ADN.

Les parties Cter des histones se retrouvent à l'intérieur du nucléosome et les régions Nter vont être à l'extérieur, on les appelle les queues Nter. C'est au niveau de ces queues que les modifications vont avoir lieu.

3. Recrutement de complexes de remodelage

C'est le cas de :− SWI/SNF− ISWI − Mi2/NuRD

Ce sont des complexes qui agissent en présence d'ATP et qui vont déplacer les nucléosomes. Le déplacement des nucléosomes se fait par une modification de la structure nucléosomale grâce à l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP ce qui entraine la dissociation des interactions ADN/histones. En les déplaçant les nucléosomes dans certaines zones on va compacter davantage ou décompacter la chromatine. La chromatine existe sous deux formes : relâchée et condensée.Euchromatine Hétérochromatine

Localisation :bras des chromosomes et l'intérieur du noyau

Caractéristiques de l'état de la chromatine :- Acétylation histones importante

- Méthylation ADN faible

• Hétérochromatine constitutive: Localisation :centromères, télomères, séquences répétées, régions pauvres en gènes

• Hétérochromatine facultative: Localisation : régions codantes réprimées, et sur un des chromosome X

Caractéristiques de l'état de la chromatine :- Acétylation histones faible

- Méthylation ADN importante

c) Méthylation de l'ADN

Chez les procaryotes :La méthylation touche les adénines et les cytosines. Elle se fait sur l'azote 6 des adénines et sur le carbone 5 ou l'azote 4 des cytosines.

Chez les eucaryotes : Elle touche seulement les cytosines. Mais chez les vertébrés la méthylation touche uniquement les cytosines qui sont suivies d'une guanine (dinucléotide CpG).

La méthylation se fait grâce a une enzyme la DNAméthyltransférase (DNMT) qui transfère un groupement méthyl de SAM (S-adenosyl méthionine) sur l'ADN. Ainsi chez les vertébrés, 60-80% des CpG sont méthylés, ce qui représente environ 2 à 7 % des cytosines. Il y a un lien très étroit entre les modifications des histones et l'ADN.

Exemple 1 :Une méthylation sur l'histone H3 de la lysine 9 va entraîner le recrutement d'une protéine spécifique qui s'appelle HP1. HP1 permet de recruter la DNMT, qui va ensuite méthyler l'ADN.La méthylation de cette histone a pour conséquence la méthylation de l'ADN proche de cet histone.


Exemple 2 :Inversement, la méthylation de l'ADN va avoir des répercussion sur les modifications des histones. La méthylation de l'ADN sur C de CpG va permettre de recruter des protéines spécifiques comme MCP2 (Methyl-CpG-binding proteins) qui va a son tour recruter d'autres protéines comme HDAC. HDAC va ensuite déacétyler les histones des nucléosomes. Ce qui entraîne une compaction de la chromatine.

d) Génome/épigénome ; génétique/épigénétique

Génétique Épigénétique Étude : - des gènes - de leur transmission - et de leurs variations (au niveau de la séquence d'ADN de ces gènes)

Étude des modifications transmissibles et réversibles qui affectent l'organisation, l'expression des gènes, sans modification de la séquence nucléotidique (métylation ADN, modifications au niveau des histones…).

On dit que toutes nos cellules sont identiques au niveau de l'ADN, elles ont toutes le même génome, pourtant on observe des différences !

Expérience de clonage: (faite à partir de chats)On prend un ovule, on enlève le noyau de cet ovule et on va mettre à la place un noyau diploïde qui est issu non pas d'une cellule germinale mais d'une cellule somatique. Donc on a un donneur qui donne une cellule (cellule sanguine, cellule de peau...), on prend le noyau diploïde de cette cellule et on le met à la place du noyau haploïde de l'ovule. On réimplante cet ovule dans une mère porteuse, et on laisse l'embryon se développer. Si on séquence l'ADN du chat donneur et du bébé chat obtenu il y a exactement le même génome mais il y a des différence phénotypiques. Le chat donneur a des poils roux, blancs et noirs alors que le bébé chat a seulement des poils noirs, gris et blancs. Cela prouve qu'on a des épigénomes différents. On a donc un génome mais plusieurs épigénomes !

II – Rôles

a) Défense face à l'intrusion d'ADN étranger

Chez les procaryotes : Défense contre l'ADN invasif Certains des aînés des procaryotes sont les bactériophages, sorte de virus qui vont contaminer les bactéries et se développer dans la bactérie. La bactérie a trouvé un moyen de lutter contre eux: d'une part elle exprime des enzymes de restrictions, par exemple EcoR1. Ce sont des enzymes capables de couper l'ADN mais uniquement sur des séquences spécifiques. Par exemple, EcoR1 va reconnaître la séquence GAATTC et va cliver à cet endroit. Cela va permettre à la bactérie de couper l’ADN des bactériophages et donc les empêcher de se répliquer. Le problème c'est qu'il faut pas que l'enzyme digère le génome de la bactérie. La bactérie possède des DNMT qui vont méthyler son génome (adénine et cytosine) et grâce à la méthylation EcoR1 ne sera pas capable de digérer le génome de la bactérie.


Chez les eucaryotes : Lutte contre l'instabilité génétique Un des rôles de la méthylation de l'ADN va être de minimiser les événements de recombinaison.Notre génome humain est composé d'environ 40% d'ADN répété donc on a des séquences identiques qui sont des substrats idéaux pour la recombinaison homologue. Si on a des recombinaisons homologues entre ces répétitions, cela peut générer des réarrangements chromosomiques qui peuvent altérer l'ADN et être très néfastes pour la cellule.

D'une manière générale on a une méthylation globale du génome qui touche essentiellement ces séquences répétées et qui va empêcher les événement de recombinaison de se faire. Comme l'ADN est méthylé la recombinaison ne pourra pas se faire, cela permet de mieux stabiliser le génome.

La méthylation inhibe aussi les éléments transposables. Dans le génome il y a des petites séquences qui s’appellent des transposons, issus de rétrovirus et capables d'exprimer des enzymes pour se dupliquer et aller s'installer ailleurs dans le génome. Ces élément sont dangereux car en fonction de l'endroit ou ils s'insèrent ils peuvent inactiver des gènes suppresseurs de tumeur ou au contraire activer des oncogènes ce qui peut avoir des conséquences sur le génome. La cellule a besoin de réprimer au maximum ces transpositions. C'est grâce à la méthylation que les transposons vont être inhibés et ne vont pas pouvoir exprimer les enzymes dont ils ont besoin pour se transposer. Cela favorise aussi la stabilité du génome.

b) Réparation de l'ADN

La méthylation va aussi être impliquée dans la réparation de l'ADN, notamment dans le système de réparation des mésappariements = MMR (MisMatch Repair). Suite à une altération (si l'ADN polymérase fait une erreur, par exemple) on obtient une mauvaise paire de base. Le système doit réussir à savoir laquelle des deux bases est incorrecte :quelle est la base qu'il faut réparer ? L'ADN est normalement méthylé sur les cytosines suivies des guanines, si il y a une erreur elle est faite sur le brin qui vient d’être synthétisé, ce brin n'a pas encore eu le temps d’être méthylé. Le système sait que l'erreur est porté sur le brin non méthylé et va garder intact le brin qui est méthylé.

La méthylation de l'ADN aide a faire la distinction entre ADN parental et ADN néo-synthétisé.

c) Régulation de l'expression des gènes


L'euchromatine est la forme relâchée de la chromatine caractérisée par une forte acétylation des histones et une méthylation faible de l'ADN. Cela va permettre la transcription des gènes.

Au niveau des machineries de transcription : on a une région de l'ADN qui porte les nucléosomes acétylés par HAT et l'ADN est peu méthylé. La chromatine est donc relâchée ce qui favorise la fixation de tous complexes de transcription qui peuvent alors transcrire le gène.

L'hétérochromatine est la forme compacte de la chromatine caractérisée par une faible acétylation des histones et méthylation importante de l'ADN. Cela permet d'inhiber la transcription des gènes.

Ses nucléosomes sont déacétylés, notamment à cause de l'ADN méthylé qui recrute MECP2, qui recrute HDAC qui déacétyle les histones. Donc la chromatine est plus condensée, le complexe de transcription va pas pouvoir se fixer et le gène ne sera pas transcrit.

→ L'état de compaction de la chromatine va permettre de réguler l'expression des gènes.

Comment ça fonctionne ?Au départ deux gamètes fusionnent, ce qui donne un zygote, qui s'est divisé, ce qui donne un embryon, cet embryon se développe et on existe.

Concernant la méthylation globale du génome elle se fait par vague de méthylations / déméthylations. Très tôt au stade zygote il y a déméthylation de tout l'ADN, puis les cellules se divisent et à un certain stade, à peu près au même moment que l'implantation, on a une vague de méthylation qui va toucher la majorité des cytosines suivies des guanines de notre génome. Cette méthylation, une fois mise en place, va être maintenue tout au long de notre vie avec à la fin une légère décroissance car les enzymes fonctionnent un peu moins bien.


Cette méthylation se passe a un moment précis de l’embryogenèse et va être maintenue dans toutes les cellules pendant toute la vie. Elle se fait grâce a l'intervention d'enzymes les DNMT.

Il y deux types de DNMT :

- DNMT3A et DNMT3B : méthylation de novo Elles ont pour substrat l'ADN non méthylé et elles vont pour la première fois méthyler les C suivies des G. Elles établissent le profil de méthylation.

- DNMT1: méthylation de maintenance A chaque réplications, elles vont méthyler les cytosines portées par le brin néo-synthétisé en recopiant le même profil de méthylation qu'il y avait sur le brin parental. Elles vont maintenir le profil de méthylation, et le transmettre aux cellules filles .

1. Inactivation du chromosome X

Exemple : On a deux chats, un des gènes qui code pour le pelage du chat qui est porté par le chromosome X. Le gène a deux formes différentes soit un allèle qui code pour le roux soit un allèle qui code pour le noir.

On croise deux chats : un chat mâle roux et une femelle noire. On obtient dans la descendance des chats femelles qui sont rousse et noire(en écaille de tortue); et les mâles qui sont tous noirs.

Pour les femelles :au niveau des chromosomes X on est hétérozygotes (un allèle roux et un allèle noir), il y a pas un allèle qui est dominant, et pas non plus coexpression des deux, il y a des cellules qui expriment que le roux et des cellules que le noir. Cela s'explique par l'inactivation du chromosome X.

Cela a d'abord été découvert par Murray Barr en 1949, il a observé que dans les cellules somatiques des femelles il y a une zone de chromatine plus compacte qui été en périphérie du noyau qu'il a appelé corps de Barr (il ne le trouvait pas dans les cellules somatiques de mâle).

C'est en 1961, que Mary France Lyon a dit que ces corps de Barr correspondaient à un chromosome X inactivé (« lyonisation »).

Chez l'homme, la paire de chromosome sexuel est composé de 1 X et 1 Y, et chez la femme la paire de chromosome sexuel est composé de 2 chromosome X.Mais chez la femme il y a un seul des deux chromosome X qui est actif (toujours un des deux chromosomes X qui ne s'exprime pas). Ce phénomène est aléatoire, c'est pas forcément le X qui provenait du gamète paternel ou du gamète maternel (un des 2 est inactivé au hasard, donc pas toujours le même). En fonction de cette inactivation, les gènes de l'un ou l'autre chromosome sont exprimés.


Si on reprend l'exemple précédent, les femelles chats ont reçu un X codant pour le roux du père et un X codant pour le noir de la mère. Si on regarde au niveau d'une cellule qui a un pelage roux : en fait le X codant pour le noir est inactivé et ne s'exprime pas et le X codant pour le roux s'exprime. Et si on regarde pour une cellule a pelage noir, on observe l'inverse. L'inactivation du chromosome X explique les phénotypes différents.

L'inactivation du chromosomes X se fait grâce à une méthylation du chromosome X, elle se fait au cours de l’embryogenèse à un stade assez précoce : stade 500 cellules de l'embryon .

Cette inactivation se fait au hasard et une fois qu'elle est établie, toutes les cellules descendantes de cette cellule qui a méthylé un des 2 X vont méthyler le même chromosome X (c-à-d par exemple si initialement la cellule a inactivé son X paternel, elle va donner que des cellules qui inactive le X paternel).

Donc au départ c'est fait de manière aléatoire, mais après c'est transmis de manière clonale. Réactivation du Xi dans les cellules germinales.

Comment ça fonctionne ?

Le X qui va être inactivé, va exprimer un ARN qui s'appelle XIST (X Inactive Specific Transcrit). C'est un petit ARN de 17kb et qui n'est pas codant. Il est exprimé par ce chromosome X et va entourer tout le chromosome X. En se fixant à ce chromosome X, il va permettre de recruter des variants d'histones notamment macro H2A qui va s'insérer sur les nucléosomes à la place de H2A ou entraîner des modifications d'histones désacéthylation et méthylation … Cela va entraîner la compaction de la chromatine et la répression de 80% des gènes portés par ce chromosome X. Il entraîne une méthylation de l'ADN permettant de signaler que c'est toujours ce chromosome là qui est inactivé → maintien de l'état inactif.

Exemple :Dans certains cancers du sein, cancers héréditaires liés a des mutations BRCA1, on retrouve un défaut d'inactivation du chromosome X. BRCA1 est impliqué dans la recombinaison homologue, sa mutation entraîne une instabilité génétique qui peut amener une cancérogénèse. Si on regarde le profil des cellules normal et des cellules mutés pour BRCA1 on voit des différences au niveau de l'inactivation du chromosome X. On marque l'ADN en bleu avec le DAPI et on marque XIST avec un anticorps spécifique, qui donne une couleur rouge. Comme le XIST se fixe sur le chromosome X inactivé (Xi), il permet de reconnaître le Xi (donc Xi en rouge). Dans toutes les cellules normales on a un spot rouge correspondant à Xi et dans les cellules mutées pour BRCA1 il n'y a pas de Xi. Ces cellules ont une instabilité génétique plus importante a cause de la mutation BRCA1 mais en plus elles expriment les 2 chromosomes X. Ainsi dans les cellules mutées tous les gènes portés par les 2 X sont exprimés et cela a sûrement des conséquences sur le phénotype des cellules (on ne sait pas encore vraiment quoi ).


2. Empreinte parentale

Un peu d'histoire …A la fin du 17ème siècle il y a 2 idées qui s'opposent :

− le préformationnisme : (on est au début de la microscopie optique) ils ont regardés au microscope des spermatozoïdes, ils les ont dessinés et ont observé un petit homme dans la tête du spermatozoïde. On pensait que l'organisme préexistait déjà dans les gamètes et une fois dans le ventre de la femme il se développait.

− l'épigénèse : pour eux l'embryon se forme de manière progressive.

En 1961 on a montré que le préformationnisme n'était pas possible car chaque parent contribue aux caractéristiques de la descendance, il y a un mélange des caractères parentaux. En 1944-1952, on a réussi à prouver que l'hérédité était portée par l'ADN. En 1949, on sait que les noyaux de cellules germinales contiennent ½ de la quantité d’ADN des cellules somatiques. Chaque gamètes apporte la moitié du génome des cellules somatiques. En résumé :pour faire une souris on a besoin de gamètes :une gamète maternelle et une paternelle. L'ovocyte apporte n chromosome et spermatozoïde apporte n chromosome, ce qui forme un zygote à 2n chromosome, qui donne un embryon et enfin une souris. En fait pas exactement comme ça.

Reprenons la définition d'une espèce : groupe d’êtres vivants pouvant se reproduire entre eux et dont les descendants sont fertiles, contrairement aux hybrides, qui sont le croisement de deux espèces différentes et qui donnent des descendants infertiles. C'est le cas par exemple quand on croise un cheval et un âne, on obtient quelque chose d'infertile les descendants ne peuvent pas se croiser entre eux. Lorsqu'on croise un âne avec une jument on obtient un mulet (ou une mule) qui est plus robuste et plus grand que l’âne et plus docile. Lorsqu'on croise un étalon avec une ânesse on obtient un bardot ou bardine qui est moins robuste moins docile, donc pour l'homme ce croisement n'a aucun intérêt. En fonction du sens du croisement on obtient pas la même chose, donc les gamètes paternelles et les gamètes maternelles n'apportent pas la même chose à la descendance.

Expériences de transplantation nucléaire :


On croise deux souris mais au lieu de laisser développer le zygote fait d'ADN femelle et d'un ADN mâle, on a fait des gynogénote (zygote fait de 2nk uniquement maternel) et androgénote (zygote fait de 2nk uniquement paternel). La cellule a 2nk mais l'origine est différente. On fait développer ces embryons, et seul le zygote avec le mélange d'ADN d'origine maternelle et paternelle est viable.Gynogénote: l’embryon s'est développé mais pas de placenta Androgéote: l'embryon s'est pas beaucoup développé mais plein de placenta Cela montre qu'au niveau quantitatif les 2 génomes sont équivalents mais au niveau qualitatif c'est différent. Seulement certains gènes apportés par la mère sont importants pour l'embryon, et certains gènes paternels sont importants pour le développement du placenta. Preuve que les génomes ne sont pas entièrement équivalent mais ils sont tous deux nécessaires au développement d'un embryon.Cela peut s'expliquer par les gènes soumis a empreinte parental. Définition: Processus par lequel certains gènes sont exprimés pour un seul des deux allèles (=> homozygotie), selon leur origine parentale (spermatozoïde ou ovocyte).

La plupart des gènes autosomiques ont une expression biallélique (exprimés sur les 2 chromosomes, paternel et maternel), mais certains,soumis à empreinte parentale, ont une expression monoallélique (seulement un des deux allèles sera exprimé). L'expression de cet allèle va dépendre de l'origine de cet allèle.Concerne essentiellement des gènes impliqués dans le développement et la croissance (embryon ou placenta). Actuellement, on connaît environ 40 gènes soumis à empreinte parentale.

Par exemple ici seul le gène porté par le chromosome maternel sera exprimé et l'autre sera méthylé et donc pas exprimé. Cette méthylation se met en place au cours de la gamétogénèse. Pendant la gamétogénèse on a d'abord élimination de la méthylation des gènes soumis a empreinte parental et remise en place de cette méthylation, une fois mise en place dans les gamètes elle va rester tout le long de la vie adulte. Exemple :On prend un gène qui code pour la couleur des souris, ce gène a plusieurs allèles :orange et violette. Si on regarde au niveau de la transmission mendélienne les souris sont d'abord hétérozygotes (porte des allèles différents) un codant pour la couleur orange et un pour la violette, mais les phénotypes sont tous oranges parce que l’allèle orange domine.La descendance de ce croisement est composée de 1⁄2 hétérozygotes oranges, 1⁄4 homozygote


orange, 1⁄4 homozygote violet. On a donc 3⁄4 des souris oranges et 1⁄4 violettes. Cela correspond à la transmission mendélienne, c'est ce qu'on observe habituellement en génétique.

Maintenant le gène est soumis à empreinte parentale:

On refait un croisement de souris hétérozygotes oranges et cette fois elles sont oranges car seul l'allèle orange s'exprime, l'allèle violet et méthylé donc ne s'exprime pas.Au cours de la gamétogénèse, il y a d'abord un effacement de la méthylation donc chaque souris donne deux types de gamètes (une avec l'allèle orange et l'autre l'allèle violet : ni l'un ni l'autre n'est méthylé). La méthylation va se faire seulement sur les gamètes paternelles car le gène est soumis à empreinte paternelle. Les gamètes sont transmises à la descendance et seules les allèles transmis par la mère vont s'exprimer. Ainsi dans la descendance 1/2 des souris sont violettes car les souris expriment que l'allèle qui n'est pas méthylé. Ce n'est donc pas une transmission mendélienne.

Revenons à la méthylation globale du génome. Chez les vertébrés, les cytosines suivies de guanine sont méthylées (essentiellement ADN répété, séquences régulatrices... ).Seulement 60 à 80% des


CpG sont méthylés, il reste donc des CpG pas méthylés (40% à 20%).

La répartition des CpG dans le génome ne se fait pas de manière homogène, certains endroits sont plus riches en CpG que d'autres. Ces endroits plus riche on les appelés îlots CpG, ce sont souvent des régions promotrices. Ces îlots CpG sont des régions assez courte d'ADN qui font entre 500 pb et 5kb, elles sont enrichies en dinucléotides CpG dont la méthylation est régulée. A ce niveau la méthylation ne se fait pas toujours, il y a des îlots CpG pas méthylés. Ils sont situés généralement en 5' des gènes au niveau de la région promotrice, ce qui va permettre de réguler de manière spécifique et ciblée l'expression de certains gènes .

III- Épigénétique et cancérogénèse

Cancer = maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormale au sein d’un tissu puis de l’organisme entier parce qu'il y a une prolifération ou une survie anormale.

Au niveau de l'ADN, les cellules cancéreuses sont les cellules qui ont accumulé un certain nombre de mutations. C'est l'accumulation de ces mutations qui fait que la cellule obtient des caractéristiques particulières d'immortalisation, de survie, de prolifération…

Au niveau génétique, les altérations génétiques impliquées dans la cancérogénèse sont des mutations de 3 grands types :

− Réarrangement chromosomique ex: réarrangement entre les chromosomes 14 et 18 dans le lymphome non hodgkinien

− Amplification ex: dans certains cancers du sein, amplification du gène Her2 qui code pour un récepteur, ce gène est en multicopie et donc entraîne une surexpression de ce gène

− Mutation ponctuelle ex: p53/Li Fraumeni, XP/Xeroderma pigmentosum, MSH (mécanisme de réparation des mésappariements) / Syndrome de Lynch

On peut aussi avoir des altérations d'ordre épigénétique qui sont impliquées dans la cancérogénèse. Altération épigénétique = alternative aux mutations dans le développement de cancers. C'est notamment dû à un profil anormal de méthylation de l'ADN.

Deux grands types d’altérations épigénétiques:

1) Hypométhylation globale du génome, responsable d'une instabilité génétique accrue et donc de cancérogénèse. En effet la méthylation de l'ADN permet une stabilité. Cette hypométhylation va entraîner :−Réactivation d’éléments transposables (quand les transposons sont méthylés cela les empêche de se répliquer et s'insérer ailleurs dans le génome, donc si ils ne sont pas méthylés ils peuvent aller inhiber des gènes suppresseurs de tumeurs ou activés des gènes oncogènes).

−Dysfonctionnement du MMR (la méthylation permet de reconnaître le brin parental du brin néo-synthétisé, si méthylation pas assez importante le système de réparation ne pourra pas faire la différence, et ne saura pas quel brin il faut réparer, les mésappariements vont pouvoir être transformés en mutations)


−Recombinaison homologue entre séquences répétées ectopiques (45% de séquences répétées, si elle ne sont pas métylées elles vont pouvoir se recombiner entre elles et c'est source de réarrangements chromosomiques)

−Réarrangements chromosomiques…

2) Hyperméthylation locale, dans certaines régions de certains gènes il y a une méthylation trop importante.

Exemple : Syndrome de Beckwith-Wiedemann

Il est dû a une hyperméthylation des îlots CpG dans une région particulière du chromosome 11. Très rare, il touche 1 / 13 700 naissances. Caractérisé par ces signes cliniques: croissance excessive, langue volumineuse, organes internes volumineux, anomalies de développement (anomalies de fermeture de la paroi abdominale …).

Le risque est une prédisposition au développement de tumeurs embryonnaires (tumeurs de Wilms ou néphroblastome).

Il est dû à un défaut épigénétique car il y a une surexpression du gène qui code pour IGF2.

Normalement, IGF2 est un gène qui est soumis à empreinte parentale, il est donc exprimé que sur un des deux chromosome en fonction de l'origine parentale de ce chromosome. Ce gène n'est pas exprimé sur le chromosome d'origine maternelle. A ce niveau là, le chromosome paternel est méthylé, grâce à cette méthylation l'ADN peut prendre une structure particulière et permettre à la séquence enhancer d'aller activer la région promotrice et donc la transcription de ce gène. Sur le chromosome maternelle cette petite séquence n'est pas méthylée, il y a donc une protéine CTCF qui va venir se fixer dessus, sa fixation va inhiber l'enhancer qui ne va pas activer IGF2, il va donc aller activer l'autre gène H19.Dans le cas du syndrome, on a perdu l'empreinte parentale, les deux chromosomes sont méthylés sur cette petite séquence donc CTCF ne peut pas se fixer, l'enhancer va alors activer IGF2. Il y a une surexpression d'IGF2 car il est exprimé par les deux chromosomes (au lieu d'un seul chromosome).

L'hyperméthylation locale va aller déréguler certains gènes, soit surexprimer des gènes oncogènes, soit sousexprimer des gènes suppresseurs de tumeurs.


Conclusion

ADN → génétique Chromatine → épigénétique L'ADN est porteur de l'information génétique => toute nos cellules ont un même génome

Défaut au niveau de l'ADN : on parle de mutation = modification transmissible (héréditaire) et irréversible, du matériel génétique (substitution, délétion, insertion, duplication, réarrangement…)

Organisation de l’info génétique => différents épigénomes (tous nos gènes en fonction du tissu cellulaire, en fonction de la phase du cycle ne sont pas dans le même état)Les modifications au niveau de l'épigénétique touche la méthylation de l'ADN, ou des histones ou des variants d'histones → donc la chromatine.

Epimutation = modification transmissible et réversible, de l’organisation du génome (structure chromatinienne), sans altération de la séquence de l’ADN (défaut de méthylation ADN, défaut de recrutement ou de modification des histones).


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