Les empreintes génomiques

• Certains gènes s’expriment à partir du chromosome paternel ou maternel mais pas les deux

• Quels sont les mécanismes derrières ce choix?

• Quels sont les conséquences niveau santé

• Quel est l’intérêt pour des cellules diploïdes d’utiliser un seul gène quand 2 sont présents

Transfert des pronoyau

Disomy et développement

Les gènes avec des empreintes sont méthylés ( circles rouges) dans les gamètes. La méthylation est maintenue dans les cellules somatiques. Par contre dans les cellules

germinales il faut que les empreintes soit effacés et ensuite rétablis.

Un gène peut avoir une empreinte dans un ou plusieurs tissus

Dopa carboxylase (Ddc): 2 transcripts produits à partir des allèles maternels et paternels dans tous les tissus

sauf le coeur

Grb10:Paternel allèle exprimé dans le cerveaucomportement social

Maternel allèle exprimé partoutmétabolism de glucose et homeostase

La demethylation au debut du développement

• a

Imprinting Models

Empreintes sur les gènes H19 et Igf2L’ADN maternel n’est pas méthylé et le CTCF peut se fixer. Le CTCF

empêche l’enhancer d’activer l’expression du gène Igf2. La méthylation sur le chromosome paternel empêche le CTCF de se fixer

et l’enhancer peut activer l’expression du gène Igf2

Les ARN non-codants sont souvent associés avec les empreintes génétiques

Informations générales sur les empreintes….

• -dans les régions avec des empreintes il y a souvent plusieurs gènes sous le contrôle d’un IC (imprinting centre)

-les empreintes ne sont pas toujours conservés entre la souris et l’homme

-les gènes avec une empreinte ( pas exprimé) sont répliqués tard dans le cycle cellulaire ( marquage avec BrdU)

-LOI ( loss of imprinting) est souvent associé avec le développement des cancers ( Igf2 et Wilms tumour, BWS)

-les gènes avec des empreintes n’ont pas une distribution uniforme: 50% se trouve sur le chromosome 7 chez la souris

-le chromosome X dans le trophoblast montre une empreinte

La transcription de l’ARN Kcnq1ot1 mène à la production d’un domaine où il n’y a pas de transcription. RNA-FISH (Kcnq1ot1-vert) DNA-FISH-rouge (Igf2-sans empreinte, Ascl2,empreinte placenta, Cdkn1c empreinte placenta et

embryon)

Rôle des ARN non-codant dans la répression de la transcription

Délétion du promoteur du gène Kcnq1ot1: expression de plusieurs gènes normalement sous l’empreinte et non-exprimés

Modification de l’état de méthylation dans les regions DMR: RIP (RNA Immunoprecipitation) avec anticorps contre Dnmt1

Interaction soit direct ( peut-être indirect?) entre l’ARN non-codant et la méthylase.

La présence du transcrit guide l’enzyme sur les sites qu’il faut méthylé

….Kcnq1ot1 peut aussi recruter les protéines qui inhibent la transcription ( polycomb, histones modifiées)

Expression et la réplication des gènes avec les empreintes génomiques

• Les gènes avec des empreintes sont répliqués tard dans le cycle cellulaire

• Les empreintes sont établis pendant la gametogenèse

Réplication des gènes avec des empreintes

• -Culture de cellules avec la mitose synchronisé• -marquage avec BrdU• -analyse d’un gène avec une empreinte qui est

polymorphique entre mâle et femelle• -analyse des échantillons pendant le cycle cellulaire par

Southern blot et les anti-corps contre BrdU• -l’allèle sans l’empreinte ( exprimé) est toujours répliqué

avant l’autre

• Juste avant la méiose les empreintes sont modifiés et tous les gamètes portent le même empreinte

Beckwith-Wiedemann Syndrome2 loci sur le chromosome 11

CDKN1C: inhibiteur d’un kinase qui freine la proliferation cellulaireIGF2: Insulin Like Growth factor 2

Absence del’expression de CDKN1C et trop d’expression de IGF2syndrome

a

Beckwith-Wiedemann Syndrome

-Phénotype variable

-Souvent enfants obèse

-plus de cancer ( Wilm’s Tumour, Rhabdomyosarcoma)

-Plus fréquente chez les jumelle monozygotique

-anomalies avec les oreilles et la langue

-85% des cas sont sporadiques

-20% meurt avant 12 mois

Angelman Prader Willi

Les syndromes de Prader-Willi et Angelman

a

Mechanisms of imprinting of the Prader–Willi/Angelman region

American Journal of Medical Genetics Part AVolume 146A, Issue 16, pages 2041-2052, 14 JUL 2008 DOI: 10.1002/ajmg.a.32364http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ajmg.a.32364/full#fig1

Mechanisms of imprinting of the Prader–Willi/Angelman region

American Journal of Medical Genetics Part AVolume 146A, Issue 16, pages 2041-2052, 14 JUL 2008 DOI: 10.1002/ajmg.a.32364http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ajmg.a.32364/full#fig4

Prader-Willi et Angelman Syndrome

Trisomy Rescue

PWS:Une maladie complexe: critères du diagnostic clinique (Cassidy 2001)

• Critères majeurs (>60%)

• Hypotonie néonatale sévère• Retard global du

développement• Hyperphagie qui conduit à une

obésité• Problèmes de comportement

(troubles psychiatriques)• Hypogonadisme• Déficits cognitifs• Défauts d’articulation• Grattage • Mains et pieds de petite taille

• Critères mineurs (<50%)

• Anormalités des yeux• Scoliose, ostéoporose• Température instable• Insensibilité à la douleur

• Apnées du sommeil dues à des problèmes de respiration

• Caractéristiques faciales• Habileté à réaliser des puzzles

PWS:Une maladie évolutive

• 0 à 2 ans: hypotonie importante. Problèmes de succion et de déglutition

• 2 à 6 ans: histoire de l’hypotonie + retard du développement

• 6 à 12 ans: hyperphagie et problèmes de comportement

• 13 ans à adulte: fonctionnement intellectuel réduit ,hyperhagie, obésité, hypogonadisme

comportement obsessif-compulsif ,crises de colères.

Les modifications génétiques chez les personnes atteints de PWS donnent les phénotypes différents

• IQ range : Pour tous les Prader-Willi 20 – 100 ; mean = 50 – 70

Verbal IQ: mieux chez les malades avec uniparental disomy• Capacité pour faire des puzzles: mieux chez les malades

avec une déletion• Mémoire pour les photos etc: mieux avec le uniparental

disomy

• D’une manière générale leur progrès académique est moins bon par rapport à leurs capacités cognitifs

P8

NECDIN is implicated in PWS

NECDIN is never expressed in Prader-Willi patients.

NECDIN is strongly expressed in the Nervous System

Necdin-deficient mice phenotype mimics PWS :

- Partial early postnatal lethality (respiratory distress) - Growth developmental delay - Increased skin scraping activity - Improvement of spatial learning - Sensory-motor defects - Alteration of pain threshold

Reduction of the number of GnRH and oxytocin neurons

……incomplete studies (obesity with high fat diet..)

Mutant

Wild-type

(Human Molecular Genetics 2000, Manuscript submitted and data not published)

Cellular function in sensory neurons

Increase of 41% apoptosis in Necdin deficient embryos

(Manuscript submitted)

Loss of specified sensory neurons (at E13.5, P0)

NF Tunel Brdu Tunel

+/++/-

Test psychomotrice

Stochastic loss of silencing of the imprinted Ndn/NDN allele, in a mouse model and humans with prader-willi syndrome, has functional consequences.Rieusset A, Schaller F, Unmehopa U, Matarazzo V, Watrin F, Linke M, Georges B, Bischof J, Dijkstra F, Bloemsma M, Corby S, Michel FJ, Wevrick R, Zechner U, Swaab D, Dudley K, Bezin L, Muscatelli F.PLoS Genet. 2013;9(9):

Angelman Syndrome

– People with Angelman syndrome love water and have a fascination for reflective surfaces, plastic, and balloons. They enjoy being in the company of others and

watching TV, especially slapstick humour. With progression into

adulthood the behaviour becomes quieter and concentration span

increases

Angelman Syndrome

Absence de l’expression du gène Ube3A: ubiquitin ligase essentiel pour envoyer les protéines vers le proteasome pour dégradation.Délai de développement important, QI très réduit. Peu de language, ataxia.Happy puppet: mouvement des bras comme un marionnette. Très souriante.Durée de vie normale; systèmes reproductives normales Incidence: 1/15000

Copyright ©2010 Society for Neuroscience

Chamberlain, S. J. et al. J. Neurosci. 2010;30:9958-9963

Figure 1. In normal individuals, UBE3A is expressed from both the paternal (blue) and maternal (magenta) chromosomes 15 in most tissues

Copyright ©2010 Society for Neuroscience

Chamberlain, S. J. et al. J. Neurosci. 2010;30:9958-9963

Figure 2. Genomic imprinting of chromosome 15q11-q13 and epigenetic silencing of UBE3A in neurons

Comment fonctionne la protéine UBE3A

• L’activité neuronal activation de la transcription du gène Ube3A: plus de transcription chez la souris dans un environnement ‘intéressant

• UBE3A important pour la dégradation d’une protéine ARC

• En présence de ARC le nombre de récepteurs AMPA est réduit aux synapses

• Les synapses avec moins de récepteurs APMA marchent moins bien pendant l’apprentisagesyndrome d’Angelman

• Cell 140 704-716 2010

Pourquoi existent-elles les empreintes génomiques?

• 1. Compétition entre les mâles et les femelles. Une femelle peut avoir plusieurs partenaires et du coup des embryons avec des pères différents dans la même portée. Les empreintes femelles sont pour limiter la croissance des embryons pour que tous les embryons puissent survivre. Les empreintes mâles aident la croissance des embryons: chaque mâle veut que ses propres embryons survivent et pas forcement les autres.

• 2. Ovarian time bomb: le développement d’une ovocyte non-fécondé peut facilement donner un cancer. Pour éviter ce possibilité il faut inactiver les gènes dans le génome femelle qui augmente la croissance et activer les gènes qui freinent la croissance. Chez le mâle il faut inhiber l’expression des inhibiteurs pour permettre un développement normal.

• 3. Pour permettre une évolution plus rapide de l’allèle non-exprimé

• 4. Pour assurer une contribution mâle et femelle dans chaque embryon

• 5. L’expression des deux allèles est létale pour la cellule