5 - AMPCfusion

UE11 - Génétique - UMR2
Cours 5 (Non relu par le prof)
12/11/2015
Jean-Paul BONNEFONT
[email protected]
RT : Benoît LADRETTE
RL : Hugo CRESPIN
Maladies génétiques liées à des anomalies épigénétiques
Plan :
I.
AB-
Modifications épigénétiques
Méthylation de l’ADN
Méthylation et acétylation des histones
II.
ABCDE-
Phénomène d’empreinte génétique
Définition, généralités, rappels
Mise en évidence de l’empreinte génomique
Chronologie
Mécanismes moléculaires
Applications en génétique médicale
Conclusion
Tout d’abord quelques définitions :
Epigénétique : phénotype transmissible résultant de modifications chromosomiques réversibles, sans
altération de la séquence d’ADN, c.à.d. qu’on peut trouver des modifications de l’ADN, de
l’expression des gènes sans altération de la succession des bases nucléiques.
Empreinte génomique : mécanisme épigénétique aboutissant à l’expression monoallélique d’un gène
en fonction de son origine parentale. L’empreinte est sous la dépendance d’un élément de contrôle de
cette empreinte appelé ECE. Phénomène encore mal connu.
ECE : petit morceau d’ADN dont l’état épigénétique contrôle l’expression soumise à empreinte des
gènes inclus dans une région chromosomique.
Effet en cis : action du produit d’un gène (ARN non codant, protéine) sur l’expression d’un autre gène
porté par le même chromosome.
Effet en trans : action du produit d’un gène sur l’expression d’un autre gène mais porté par un autre
chromosome.
ARN “non codants” : ARN non traduits en protéine (ARNt, ARNr…) dont il existe plusieurs classes
(micro, macro, court…).
Parthénogénèse : chez les mammifères, reproduction asexuée nécessitant la duplication du lot
chromosomique de l’ovocyte (on colle deux noyaux d’une femme ou deux noyaux d’un homme dans
un ovocyte, on déclenche l’embryogénèse et on voit ce qu’il se passe : étude fréquente en génétique).
I.
Modifications épigénétiques
L’épigénétique a pris un essor considérable avec les techniques de séquençage haut débit et les
nouvelles méthodes d’analyse des protéines. Cette épigénétique est considérée comme très importante
par la communauté internationale, d’où l’émergence de l’« International Human Epigenome Project »
qui s’est fixé pour objectif de séquencer 1 000 épigénomes humains. Ce projet a débuté il y a 5 ans et
doit durer 10 ans.
Ce projet va contribuer à expliquer comment le génome fonctionne et donner des pistes thérapeutiques
pour savoir comment certaines maladies génétiques fonctionnent.
Les modifications épigénétiques sont identiques dans leur nature, qu’elles soient sollicitées pour la
mise en place et le maintien de l’empreinte génomique ou pour la régulation de l’expression de
gènes non soumis à empreinte (ex : inactivation de l’X).
Ces modifications épigénétiques sont rapidement réversibles dans le cas de la régulation de
l’expression des gènes, alors que dans les phénomènes d’empreinte, ces modifications sont stables et
font intervenir essentiellement 3 processus intervenant au niveau du remodelage de la chromatine (cf
la suite du cours) :
●
la méthylation/déméthylation de l’ADN
●
au niveau des histones : acétylation/désacétylation et méthylation/déméthylation.
●
recrutement de protéines chaperonnes.
Ces différents processus aboutissent à une modification de la compaction de la chromatine. Elle est :
- soit compactée, ce qui empêche les facteurs de transcription d’arriver au niveau des gènes.
L’expression des gènes est donc réprimée ;
- soit relaxée, ce qui permet la transcription des gènes.
Bien sûr, la chromatine n’a pas la même conformation sur toute sa longueur, elle varie d’une région à
l’autre.
Nous n’en sommes qu’au début de la compréhension moléculaire des maladies génétiques et nous
connaissons encore très mal la physiopathologie des maladies épigénétiques.
A.
Méthylation de l’ADN
1.
Répartition dans le génome
L’ADN est pratiquement exclusivement méthylé au niveau des cytosines présentes dans les paires CG
(îlots CpG en anglais, méthylation/déméthylation dans la moitié des paires CG environ). On s’est
aperçu qu’il existe aussi des cytosines en dehors des paires CG qui peuvent être méthylées. Mais,
essentiellement, la méthylation impacte les cytosines des paires CG.
Ainsi, dans les 3 milliards de paires de base du génome haploïde, on trouve :
●
45% de C et G ;
●
1-4% de dinucléotides CG, ils sont donc rares dans l’ensemble du génome.
La méthylation des paires CG est conservée lors de la réplication.
Les paires CG ne sont pas présentes au hasard, mais dans certaines régions précises (en particulier les
régions répétées : α et β satellites, SINES, LINES, ALUs, tansposons…), souvent régulatrices de
l’expression des gènes.
Les paires CG peuvent être organisées en îlots (CpG islands) qui font quelques centaines de
nucléotides et dont le contenu en C et G est supérieur à 55%. Ces îlots CpG sont flanqués par des
régions relativement pauvres en paires CG.
Les dinucléotides CG sont présents dans les régions intergéniques (peu, généralement les cytosines de
ces régions sont méthylées et ces régions ne sont peu ou pas transcrites).
Les dinucléotides CG se retrouvent également, de manière abondante, au niveau des promoteurs des
gènes et des régions régulatrices flanquantes. Selon que les cytosines sont méthylées ou non, on a une
absence de transcription ou transcription du gène en cis des îlots.
Par contre, dans les régions flanquantes, il y a une relative raréfaction des îlots CG : les cytosines y
sont généralement méthylées et il n’y a pas de transcription.
Les dinucléotides CG peuvent se trouver à l’intérieur des gènes (généralement dans les introns).
2. Données biochimiques
Les mécanismes de méthylation de l’ADN :
La méthylation de l’ADN se fait à partir d’enzymes :

l’ADN méthyl-transférase,
dont il existe 4 isoformes impliquées dans la méthylation de
l’ADN.
Les isoformes 3A et 3B agissent avec le cofacteur 3L et sont principalement exprimées au tout début
de l’embryogenèse (implantation J7). Elles mettent en place de novo la méthylation et interviennent
dans l’établissement de l’empreinte.
L’isoforme DNMT1, abondante dans les cellules somatiques, assure le maintien de la méthylation en
fonction des nécessités (maintien de l’empreinte ou maintien en fonction des besoins de transcription
des gènes)

les
déméthylases interviennent pour déméthyler l’ADN (on les connaît moins
bien).
Les isoformes 3A et 3B interviennent pour méthyler l’ADN. Soit l’ADN est maintenu méthylé (rôle
de DNMT1 associée à des protéines), soit l’ADN doit être déméthylé. Dans le cas de la
déméthylation, 2 processus sont possibles :

un processus passif de méthylation, pas très bien connu ;

un processus mené par les déméthylases qui coupent les groupes méthyl.
Ainsi, la méthylation/déméthylation assure la régulation de l’expression des gènes.
3. Chronologie de la méthylation/déméthylation de l’ADN :
Abordons la méthylation de l’ADN au cours du développement humain.
Au cours du développement (valable chez l’ensemble des mammifères), en séparant les cellules en
plusieurs catégories (somatiques, germinales et placentaires), on observe des phases de méthylation et
de déméthylation.
Sur ce schéma, on a séparé les gènes soumis à empreinte (qu’ils soient au niveau de l’embryon ou du
placenta : noir pour les méthylés et gris pour les déméthylés) et les gènes non soumis à empreinte
(embryon rouge : origine maternelle, placenta bleu : origine paternelle).
Lorsque les cellules germinales primordiales (qui ont un fort taux d’ADN méthylé) émergent pendant
la gamétogenèse, on constate une phase de déméthylation très importante, puis une phase de
reméthylation pour les gènes non à l’empreinte génomique (bleu, rouge) et les gènes réprimés suite à
l’empreinte (noir : méthylés). On observe un brassage des gènes soumis à empreinte et la mise en
place de l’empreinte dans les gamètes du futur parent (l’embryon) qui, on le verra, dépend du sexe de
l’embryon.
Dans les cellules somatiques de l’embryon, il y a une déméthylation, aussi bien pour les gènes
paternels (bien plus précoce) que pour les gènes maternels, (plus tardive) qui dure pendant une bonne
partie de l’embryogénès, afin de permettre l’expression des gènes du développement notamment. On
récupère une « méthylation normale » en fin d’embryogénèse. Les gènes soumis à empreinte
maintiennent stable leur état de méthylation.
4.
Etude de la méthylation et régulation de la transcription
Sur ce schéma explicatif, on distingue les histones (cylindres) entourés d’un filament d’ADN.
Au début, la chromatine est décompactée, la transcription fonctionne et on trouve des facteurs de
transcription. Puis survient une méthylation lorsque des signaux indiquent aux méthyl-transférases de
méthyler l’ADN. Les méthyl-transférases fixent des méthyl-cytosines (5mC) à l’ADN (les ronds
rouges sur le schéma).
Ces méthyl-cytosines modifient l’organisation du nucléosome (qui est l’association des histones et de
l’ADN). Cette modification de la conformation de l’ADN s’accompagne du recrutement de methylbinding proteins (MBD). Ces MBD s’associent à une compaction de la chromatine et empêchent
donc la fixation des facteurs de transcription (ronds orange) : il n’y a plus de transcription des
gènes.
5. Techniques d’études de la méthylation de l’ADN
Etudier la méthylation de l’ADN est plus complexe que séquencer un gène.
Nous allons voir deux approches principales :
• Le Methylation-sensitive Restriction Enzyme Sequencing (MRE-Seq), une technique qui
utilise des enzymes de restriction sensibles à la méthylation (méthode la plus ancienne et la plus
simple). Ces enzymes coupent l’ADN double brin.
On met des enzymes de restriction avec de l’ADN. Elles coupent ou non selon que l’ADN est méthylé
ou non. Ensuite, on peut travailler sur cet ADN qui a été modifié grâce à plusieurs techniques, mais
surtout avec le séquençage haut débit ;
• Une méthode employant du bisulfite de sodium (BS). Celui-ci transforme les cytosines non
méthylées en uraciles. L’ADN traité par le bisulfite peut être analysé par PCR ou par séquençage :
c’est le bisulfite sequencing (séquençage BS). Cette méthode a l’avantage par rapport à la première
de ne pas nécessiter d’enzyme de restriction spécifique de la séquence.
Quelques exemples :
1) L’emploi d’enzymes de restriction sensibles à la méthylation : ici, on observe une région d’ADN
avec un état de méthylation différentiel selon la provenance maternelle ou paternelle du chromosome.
L’enzyme Hha1 est une enzyme de restriction sensible à la méthylation. Hha1 coupe l’allèle paternel
non méthylé et pas l’allèle maternel. En faisant un Southern Blot, on voit une petite bande pour
l’allèle paternel coupé (3.4 kb) et une plus grande bande pour l’allèle maternel (6.6 kb).
2) Le bisulfite sequencing : le bisulfite de sodium a la propriété de transformer les cytosines non
méthylées en uracile.
En haut, on peut lire une séquence quelconque. Les cytosines méthylées sont en rouge et les cytosines
non méthylées en vert. Après traitement au bisulfite, les cytosines méthylées restent des cytosines
(restent rouge), alors que les cytosines non méthylées deviennent des uraciles. On peut donc voir dans
une région d’ADN quelles cytosines sont méthylées et quelles cytosines ne le sont pas en comparant la
séquence de l’ADN natif avec la séquence traitée par le bisulfite (dans laquelle on trouvera des
thymines à la place des cytosines).
6. Maladies génétiques en rapport avec des mutations de partenaires de la machinerie
épigénétique impliqués dans la méthylation de l’ADN
L’identification de maladies qui impliquent des méthyltransférases ou des déméthylases est récente.
En effet, il y a encore quelques années, on ne savait pas analyser le niveau de méthylation de l’ADN.
Voici quelques exemples de maladies :
●
Mutations de DNMT1 (découverte en 1999) : qui occasionnent une maladie autosomique
récessive (avec déficit immunitaire, instabilité des centromères (car il y a beaucoup d’îlots CpG au
niveau des centromères) chromosomiques et une dysmorphie faciale) ou une maladie autosomique
dominante (avec une neuropathie héréditaire sensorielle et du SN autonome, une démence et une
surdité).
●
mutation de DNMT3A (découverte en 2014) : maladie autosomique dominante avec une
avance statural, une dysmorphie faciale et une déficience intellectuelle.
Ce qui est fascinant c’est qu’avec des mutations affectant la méthylation de l’ADN on puisse être
vivant. On n’explique pas bien encore les symptômes de ces maladies rares. Utiliser du matériel
génétique/cellulaire de ces patients permet d’obtenir des informations de sciences fondamentales et
inversement.
Ces anomalies épigénétiques constitutionnelles impactent souvent les fonctions cognitives, la
croissance, le développement de la face (dysmorphies), le développement des membres et des
extrémités (anomalies fréquentes des doigts et des orteils).
D’autre part, certaines maladies sont liées à des protéines (methyl binding proteins) qui se lient à
l’ADN méthylé :
• syndrome de Rett (la plus ancienne, connue depuis 1999) : il est dû à une mutation de la
MecP2 (Methyl CpG binding protein 2). Il touche les petites filles car il est lié à l’X et est dominant.
Les garçons porteurs de la mutation meurent in utero (fausse couche).Ce syndrome donne un tableau
neurologique très sévère : les petites filles régressent vers l’âge de 1 an (elles perdent leurs
acquisitions), elles ont des mouvements stéréotypés (stéréotypies), une microcéphalie (le cerveau ne
grossit pas) et elles convulsent ;
• mutation de MBD5 (Methyl CpG binding domain protein 5) : on trouve encore un tableau
neurologique important : déficit intellectuel, stéréotypies, microcéphalie, convulsions, petite
taille.
Il est frappant de constater que le phénotype du syndrome de Rett et le phénotype de la
mutation de MBD5 sont superposables.
B. Méthylation et acétylation des histones
1. Nucléosomes
La chromatine est constituée de nucléosomes. Les nucléosomes sont des unités constituées d’un brin
ADN (<150 pb) qui s’enroule autour d’un octamère d’histones. Un octamère d’histones est une
hétéro-octamère (2×H2A, 2×H2B, 2×H3, 2×H4).
Ces histones peuvent subir des modifications post-traductionnelles par différents processus chimiques
: méthylation, acétylation… Il existe plus de 700 isoformes d’histones décrites chez l’Homme.
Les histones sont le site de liaison de protéines qui vont régler la compaction de la chromatine.
On connaît moins bien les processus épigénétiques qui impliquent les histones que les processus qui
impliquent la méthylation l’ADN car il est plus facile d’étudier de l’ADN que des protéines.
2. Acétylation/désacétylation des histones
Les histones acétylées (petits ronds rouges) constituent un signal pour certaines protéines (à
bromodomaine) : ces protéines se fixent sur les histones ce qui permet la décompaction de la
chromatine. Cette dernière devient active et les facteurs de transcription viennent se fixer sur l’ADN :
la transcription peut donc se faire.
La désacétylation, associée à une libération de ces protéines à bromodomaine, aboutit à la
condensation de la chromatine et donc à un arrêt de la transcription
3.
Méthylation des histones
La méthylation est plus complexe que l’acétylation/désacétylation. En effet, une histone est soit
acétylée, soit désacétylée. La méthylation, quant à elle, comprend plusieurs états intermédiaires, càd
divers degrés de méthylation.
Une histone peut avoir un ou plusieurs groupes méthyles: la combinatoire est donc plus compliquée.
Le nombre de groupes méthyles a un effet plus ou moins prononcé sur la dynamique de la chromatine.
La méthylation se fait sur des résidus lysine (Lys ou K). Selon la place de la lysine (K1, K2…) dans
l’histone (H3, H4…) et selon son degré de méthylation, un signal est émis pour que la chromatine soit
compactée ou relaxée.
Exemple : la triméthylation de la Lys 9 de la sous-unité 3 de l’histone est associée à de la chromatine
compactée inactive. Même chose pour la Lys 27 de la sous-unité 3 et la Lys 20 de la sous-unité 4.
Ces marques de la relaxation ou de la compaction de la chromatine repoussent et attirent des protéines
et sont retrouvées de manière universelle dans le génome.
Il faut noter qu’il existe différents degrés de compaction et de relaxation régulant l’expression de la
chromatine, ce n’est pas du tout ou rien.
4.
Méthylation/acétylation des histones : les partenaires
Concernant la méthylation/déméthylation les enzymes sont plus ou moins spécifiques :
●
le type de méthyltransférase qui intervient dépend de la position de la Lys à méthyler au
sein de l’histone. C’est donc un système très complexe qui fonctionne grâce à une grande variété de
méthyltransférases ;
●
certaines déméthylases commencent à être connues
Exemple : la protéine KDM5C (K = Lys ; KDM = lysine demethylase) assure la déméthylation de la
Lys 4 de la sous-unité 3 de l’histone.
Exemple 2 : KDM6A assure la déméthylation de la Lys 27 de la sous-unité 3.
Concernant l’acétylation/désacétylation :
●
ce processus est moins bien connu et il est presque aussi complexe que la
méthylation/déméthylation ;
●
on connaît à ce jour seulement 3 gènes qui codent chacun pour une acétyltransférase
différente. Il en est de même pour les désacétylases.
Mot du RT : les noms des différentes enzymes ci-dessus ne sont pas à connaître mais tendent à
montrer la complexité du système.
5.
Passage d’une chromatine relaxée à une chromatine compactée
Résumons avec ce schéma ce que nous venons de voir.
Depuis la chromatine relaxée jusqu’à la chromatine condensée, on passe par les étapes suivantes :
1) méthylation de l’ADN par les ADN méthyltransférases (fixation de groupes CH3) ;
2) action des histone-désacétylases : les groupes acétyles disparaissent (les scoubidous oranges sur
le schéma) ;
3) action des méthyltransférases : méthylation des histones sur les lysines ;
4) recrutement de protéines sur ces histones méthylés et désacétylés ;
5) condensation de la chromatine.
6.
Maladies intervenant dans l’acétylation/désacétylation des histones
Mot du RT : les maladies et leurs symptômes ne sont pas connaître mais illustrent l’implication
épigénétique en médecine, ici au niveau des histones.
Une revue sortie en 2014 a fait le point sur les maladies génétiques en rapport avec des anomalies de
la méthylation ou de l’acétylation des histones. Les protéines impliquées dans ces maladies
interviennent dans le contrôle des mécanismes épigénétiques :
Anomalies des acétyltransférases :

le syndrome de Rubinstein-Taybi : 2 gènes (CREBBP, EP300) responsables sont connus et
donnent le même phénotype (dominant autosomique):
- dysmorphie faciale, des doigts et orteils
- retard de croissance
- déficience intellectuelle

le syndrome génito-patellaire : gène KAT6B (récessif autosomique)
- dysmorphie faciale
- déficience intellectuelle + microcéphalie
- absence de rotule
- anomalies urogénitales
Anomalies d’une déacétylase :

Le syndrome de Cornelia de Lange (anomalie de la désacétylation) : c'est une maladie
autosomique dominante lié à l'X, touchant aussi bien les filles que les garçons, due à une mutation
du gène de la protéine HDAC8 (histone desacetylase C8),
Signes cliniques : dysmorphie faciale avec synophris (sourcils joints), grande bouche, visage large,
anomalies des doigts, retard de croissance, déficience intellectuelle.
Message du généticien : Il est intéressant de constater que des mutations d'acétyltransférases et des
mutations de désacétylases entraînent des pathologies génétiques assez proches, c'est-à-dire des
pathologies qui ont des signes cliniques communs (mêmes anomalies : faciales, de la cognition, de la
croissance +++…).
Les différentes maladies auront tendance à augmenter ou diminuer la compaction de l’ADN. Elles
mettent en avant la nécessité d’une certaine balance compaction/relaxation pour un développement
sain de l’embryon.
II.
Phénomène d’empreinte génomique
L'empreinte génomique a un rôle important en génétique médicale : beaucoup de maladies sont
associées à des anomalies de l'empreinte génomique.
Ce phénomène d'empreinte génomique fait intervenir des mécanismes épigénétiques.
A.
Définitions,
généralités (/ !\ à bien connaître), rappels
L’empreinte génomique est le phénomène par lequel un gène :

Est présent en une copie sur chacun des 2 chromosomes homologues paternel et maternel

s’exprime de façon mono-allélique du fait de l’inactivation fonctionnelle de l’autre allèle.
Cette inactivation dépend de l’origine parentale (origine paternelle ou maternelle) du chromosome qui
le porte.
Exemple : un gène soumis à empreinte maternelle est présent sur le chromosome paternel et sur le
chromosome maternel, mais ce gène ne s’exprime que sur le chromosome paternel. Sa transcription
est verrouillée sur le chromosome maternel.
Ce phénomène physiologique d'empreinte n’intéresse que certaines régions du génome nommées
Imprinting Control Regions (ICR). On trouve une vingtaine d'ICR répartis dans une centaine de
gènes humains : l'empreinte ne concerne que certaines régions de certains chromosomes (alors que
nous avons environ 20000 gènes codant une protéine, cela représente environ 0,4% de ces gènes !).
Ce phénomène d’empreinte est un processus héritable qui se produit au cours de la gamétogénèse. Il
est stable au cours des mitoses successives, càd que l'empreinte génomique ne bouge pas une fois
qu'elle est mise en place dans une cellule, et ce jusqu'à la fin de la vie sauf en cas d'anomalies comme
dans les cancers.
Par contre, le phénomène d'empreinte est réversible dans un seul type cellulaire : les cellules
germinales. Dans ces cellules germinales, l'empreinte s’efface puis se réappose.
Quelques rappels embryologiques :
Juste au moment de la fécondation les pronucléi maternel et paternel fusionnent puis débute le clivage.
Ce tas de cellules s’organise au 6e jour de développement en blastocyste où on a le trophectoderme
(cellules bleues) qui donnera le placenta et une masse cellulaire interne (vertes) qui donnera
l’embryon. Avec ce type de matériel on peut étudier, soit dans l’embryon précoce soit plus
tardivement chez le fœtus, les modifications épigénétiques qui existent, l’empreinte génomique, son
installation, ses phases avec différents systèmes non expliqués dans ce cours.
(Attention le schéma traite du développement murin).
Le prof ne traitera pas plus en détails les méthodes d’étude.
B. Mise en évidence de l’empreinte génomique
Elle provient à la fois d’expériences faites sur des embryons animaux et d’observations faites sur les
disomies parentales.
1. Chez la souris
Dans les années 60, Cattanach, un généticien américain, réalisait des transplantations nucléaires afin
d’obtenir des ovocytes à deux génomes paternels (ovocyte androgénique) ou des ovocytes à deux
génomes maternels (ovocyte gynogénétique). Il déclenchait ensuite l’embryogénèse. (cf schéma page
suivante)
Pour l’ovocyte à 2 génomes paternels : le plus souvent il n’y a pas d’implantation de l’embryon. Et
chez les embryons qui ont pu s’implanter, on observe un développement des annexes extraembryonnaires (placenta) correcte mais une absence de développement de l’embryon. Ainsi le
génome paternel est surtout responsable du développement des tissus extra embryonnaires
(placenta).
Pour l’ovocyte à 2 génomes maternels : l’implantation est normale mais il y a une insuffisance du
développement du placenta. Du fait de cette carence de croissance des tissus extra embryonnaire,
l’embryon n’arrive pas à terme. Ainsi le génome maternel est surtout responsable du
développement des tissus embryonnaires.
La conclusion à en tirer est que pour un développement embryologique sain il y a besoin à la fois du
génome paternel ET maternel (quel scoop !).
2. Chez l’homme
a. Jumeaux monozygotes
L’observation des jumeaux monozygotes (qui proviennent d’un même ovocyte et qui a subit ensuite
un clivage précoce en deux embryons) a montré que ces vrais jumeaux avaient le même génome. Il
existe cependant des jumeaux monozygotes discordants.
b. Phénotype des môles hydatiformes et des triploïdies
Chez certaines femmes enceintes, on a observé une prolifération monstrueuse et dérégulée du placenta
(= môle hydatiforme) pouvant entrainer un cancer de placenta. Les chercheurs se sont intéressés à ce
placenta présentant une aberration et ont découvert la présence de deux génomes paternels.
La présence de deux génomes maternels peut entrainer l’apparition d’un tératome ovarien avec une
anomalie de la différenciation des ovocytes en l’absence de fécondation. Elle peut entrainer également
une triploïdie (=présence de trois lots de chromosomes au lieu de deux) qui sera à l’origine d’un
cancer de l’ovaire. La triploïdie est non compatible à la vie sauf si elle existe à l’état de mosaïque.
Le développement embryonnaire humain dépend de deux conditions :
- la présence d’un génome maternel ET d’un génome paternel
- la présence d’UN seul génome maternel et UN seul génome paternel
c. Transmission préférentielle par un parent
Exemple d’un gène soumis à empreinte de telle façon que seul le gène maternel est exprimé ; le gène
paternel est verrouillé par le phénomène d’empreinte phénomène physiologique.
Si une mutation apparaît au niveau de ce gène, elle aura une conséquence différente si elle touche le
gène porté par le chromosome maternel ou le gène porté par le chromosome paternel. En effet :
●
si
le gène maternel est muté l’individu est porteur de la mutation et il est malade.
●
si le gène paternel est muté l’individu est porteur de la mutation mais il n’est
pas malade
(individu sain).
Les mères mutées (atteintes ou saines) transmettent (une fois sur deux) la mutation et transmettent le
phénotype. Alors que les pères mutés (atteints ou sains) transmettent (une fois sur deux) la mutation
mais ne transmettent pas le phénotype.
d) Disomies uniparentales (DUP)
Définition : Une disomie uniparentale correspond à la présence chez un individu d’une paire de
chromosomes homologues issue d’un même parent.
Non expliqué par le prof en cours :
On connaît les chromosomes impliqués dans les disomies uniparentales. On n’a pas décrit de disomies
uniparentales chez certains chromosomes (représenté par des idéogrammes blancs, ex le chromosome
19) soit parce que ça n’existe pas, soit parce que les individus touchés ne sont pas viables (DUP va
entrainer des fausses couches) soit parce que ces DUP ne donnent aucune manifestation pathologique.
Mécanismes : Une disomie uniparentale nécessite deux évènements
Tout à droite, on a une méiose normale avec ses deux divisions : M1 (première division) et M2
(deuxième division).
Il existe des anomalies de disjonction chromosomique :
+ non disjonction au niveau de M1 (suivie d’une M2 normale) aboutissant à un gamète
nullosomique et un gamète hétérodisomique.
+ M1 normale suivie d’une non disjonction au niveau de M2 aboutissant à un gamète nullosomique
et un gamète isodisomique.
Il y a 3 situations :
+ Fécondation entre un gamète disomique et un gamète nullosomique. On observera une disomie
uniparentale. Il y a une complémentation gamétique. C’est une situation assez rare car elle nécessite la
survenue d’une aberration de non disjonction à la fois chez le père est chez la mère.
+ Fécondation entre un gamète disomique (en noir) et un gamète normal (en rouge) qui aboutit à la
formation d’un embryon trisomique (les trisomies ne sont pas viables sauf pour la trisomie 21). Un
phénomène de correction post-zygotique de la trisomie en disomie peut avoir lieu dans certains cas au
tout début de l’embryogénèse :
- si le chromosome rouge est enlevé au cours de cette correction, alors on se retrouve avec une
disomie uniparentale.
- si le chromosome noir est enlevé, alors on se retrouve avec un embryon normal avec un
chromosome maternel et un chromosome paternel.
+ Fécondation entre un gamète nullosomique et un gamète normal qui aboutit à la formation d’un
embryon monosomique (en dehors de la monosomie X toutes les monosomies ne sont pas viables).
Un phénomène de correction (duplication) post-zygotique de la monosomie en disomie peut avoir lieu
dans certains cas aboutissant ainsi à une disomie uniparentale.
Conséquences :
Le parent est normal (possède un chromosome maternel et un chromosome paternel) et l’enfant a une
disomie uniparentale paternelle (ses deux chromosomes sont d’origine paternelle). Il y a 3
conséquences possibles :
Légende :
Etoile = mutation
X = empreinte génomique (gène non exprimé)
Méthodes d’analyse (non expliquées)
Principe : étudier la ségrégation intrafamiliale de marqueurs polymorphes
(microsatellites)
Pour le même locus :
●
La mère est hétérozygote (possède deux marqueurs B et C)
●
Le père est homozygote (possède deux copies du marqueur A)
●
L’enfant a une disomie uniparentale et a reçu les deux marqueurs
(B et C)
correspondant au chromosome maternel. Il s’agit donc
d’une DUP maternelle.
Il y a donc une double contribution maternelle et une absence de
contribution paternelle.
NB : Le fait que des gens par des méthodes de cytogénétique aient pu repérer chez des enfants dont le
caryotype montrait une disomie d’un chromosome (3 ou autre) qu’il venait d’un seul et même parent ;
ou qu’une disomie du 7 est forcément maternelle si présence de tel ou tel symptôme, a permis de
grandes avancées dans la compréhension de l’empreinte génomique et de son importance.
C. Chronologie
Comment l’empreinte parentale au niveau des cellules germinales change d’une génération à l’autre
en fonction du sexe de l’enfant ?
Les deux gènes A et B sont soumis à empreinte génomique. Le gène B n’est pas exprimé sur le
chromosome paternel alors qu’il est exprimé sur le chromosome maternel. Le gène A n’est pas
exprimé sur le chromosome maternel alors qu’il est exprimé sur le chromosome paternel.
Deux situations : en haut la fécondation aboutit à un garçon alors qu’en bas, la fécondation aboutit à
une fille. Ainsi au niveau des cellules somatiques, le garçon et la fille auront un chromosome paternel
avec le gène B soumis à empreinte et un chromosome maternel avec le gène A soumis à empreinte.
Au niveau des cellules précurseurs de la lignée germinale, il y a un effacement de l’empreinte
parentale héritée à partir de la 20e SD (dû à la vague de déméthylation, vu dans la première partie
du cours). Au cours du développement de la lignée germinale, il y a une réapposition d’une nouvelle
empreinte spécifique du sexe (du futur parent), dans les gamètes matures.
Dans la mesure où le petit garçon est un futur père, il va avoir au niveau de tous ses gamètes une
réapposition de l’empreinte génomique de telle façon qu’il aura le même modèle d’empreinte
génomique que celui d’un père (càd gène B non exprimé et gène A exprimé).
A l’inverse, dans la mesure où la petite fille est une future mère, elle va avoir au niveau de tous ses
gamètes une réapposition de l’empreinte génomique de telle façon qu’elle aura le même modèle
d’empreinte génomique que celui d’une mère (càd gène A non exprimé et gène B exprimé).
D. Mécanismes moléculaires de l’empreinte génomique
1. Schéma général
Durant la gamétogénèse il y a un signal épigénétique dont on ne connaît pas exactement la nature
(mécanique, chimique, hormonal, environnemental ?) qui entraîne une initiation de l’empreinte
(nommée épigénèse) par des phénomènes épigénétiques impliquant des protéines de liaison à l’ADN
et des ARN non codants.
Chez l’embryon au niveau des cellules gamétiques et somatiques, il y a un maintien de l’empreinte
qui implique la méthylation de l’ADN, la modification des histones et le remodelage de la chromatine.
2. Mécanismes Biochimiques
Le niveau de méthylation des gènes soumis à empreinte dans les cellules somatiques au moment du
développement embryonnaire reste stable. Alors qu’au niveau des gènes non soumis à empreinte (de
l’embryon et du placenta), il y a une variation du niveau de la méthylation. Ainsi au niveau des
cellules somatiques, l’empreinte génomique est un phénomène stable.
La chronologie et la dynamique de la méthylation dépend beaucoup du sexe de l’embryon :
Considérons l’embryon au stade « quelques cellules ». Toutes ses cellules sont méthylées. Au moment
où se différencient les précurseurs germinaux, ils subissent une phase de déméthylation qui a une
durée variable selon que l’embryon est un mâle ou une femelle (valable chez tous les mammifères).
A partir de 20 semaines de développement, au moment de l’expression du gène SRY et de
l’acquisition de la différenciation mâle/femelle, les gènes portés par les futurs spermatozoïdes se
reméthylent, alors que les gènes contenus dans les futurs ovocytes restent déméthylés. Les gènes des
futurs ovocytes ne se reméthyleront qu’au moment de l’ovulation.
Ainsi, le processus de méthylation/déméthylation du génome dans les cellules germinales diffère en
fonction du sexe de l’embryon.
3. Les partenaires
Parmi les 20 000 gènes codants pour une protéine, 100 gènes sont soumis à une empreinte génomique
chez l’homme. Les ICR (au nombre de 20 chez l’homme) sont des clusters de 2 à 12 gènes :

dont tous ne sont pas soumis à empreinte

il y a toujours au moins un gène qui code pour un ARN non codant (ncRNA) nécessaire
au maintien de l’empreinte pour tout le cluster

sous le contrôle d’un élément de contrôle de l’empreinte (ECE) (= petit morceau d’ADN)
a) Elément de contrôle de l’empreinte (ECE)
L’élément de contrôle de l’empreinte est inclus dans un cluster de gènes de taille ~ 1 Mb. La taille
d’un ECE est de quelques kb. L’ADN de l’élément de contrôle de l’empreinte a des marques
épigénétiques qui sont différentes du reste de l’ADN (méthylation de l’ADN et modifications des
histones spécifiques de l’allèle parental). Un ECE non méthylé (donc ACTIF) est répresseur de
l’expression de gènes positionnés en CIS. Un ECE méthylé (donc INACTIF) permet l’expression
des gènes positionnés en CIS. De plus s’il y a une délétion de l’élément de contrôle alors il y a perte
de l’empreinte des gènes dans la région.
Les mécanismes de contrôle : (peu expliqués lors du cours)
La méthylation de l’ECE intervient durant la gamétogénèse, le plus souvent sur le chromosome
maternel. La méthylation se fait par le biais d’une DNA méthyltransférase DNMT3A et son co-facteur
DNMT3L, qui reconnaît l’ECE en fonction de sa structure particulière avec :

La présence de 2 paires CpG distantes de 8-10 bases

La présence d’histones particulières
Un ECE non méthylé a un profil de méthylation et d’acétylation des histones particulier. Un ECE
méthylé a un profil épigénétique différent.
b) ARN non codants
La majorité du transcriptome (=totalité des transcrits dans un tissu) des mammifères correspond à de
l’ADN non codant. Ces derniers jouent un rôle dans la régulation de l’expression des gènes et
jouent un rôle dans l’empreinte. Ces ARN peuvent agir :

en Trans : - short interfering RNA (siRNA: 21 nt)
- microRNA (miRNA ou MIR: 22 nt)
- Piwi-interacting RNA (piRNA: 26-31 nt)
- Short nucleolar RNA (snoRNA ou snoR 60-300 nt)

en Cis : - long (macro) ncRNA (n x 105 nt)
autres actions: - maintien de l’empreinte
- interaction ARN-ARNantisens
- interaction avec protéines
- précurseurs de petits ARNnc
- interaction avec petits ARNnc
Les ARN non codants ont des caractéristiques structurales :
- peu d’introns
- peu d’épissage
- rétention nucléaire
- accumulation au site de transcription
Les ARN non codants ont également des caractéristiques fonctionnelles :
- Les ARN non codants sont indispensables à la mise en œuvre de
l’empreinte
- Ils sont répresseurs en cis de l’expression des gènes flanquants
- Ils ont une expression tissu-spécifique corrélée avec l’empreinte tissu-spécifique des gènes
qu’ils contrôlent. Exemple : l’empreinte du gène UBE3A est présente au niveau des neurones mais
absente au niveau des cellules gliales (empreinte tissu-spécifique)
Un exemple de macro ARN non codant :
les transcrits XIST et TRIX au niveau du chromosome X. En effet les femmes possèdent deux
chromosomes X dont l’un va être inactivé très tôt dans l’embryogénèse).
Avant la mise en place de l’inactivation du chromosome X : le gène XIST est responsable de
l’inactivation du chromosome X. Il code pour un ARN non codant XIST. Près de ce gène, on trouve le
gène TSIX qui code pour un ARN non codant qui se combine avec l'ARN XIST et l'empêche alors
d'avoir un rôle fonctionnel.
Lors de la mise en place de l’inactivation du chromosome X : Par un mécanisme qu'on ne connaît pas
encore, le gène TSIX est réprimé sur l'un des chromosomes X, il ne pourra donc plus fixer l'ARN
XIST. Ce dernier va donc pouvoir inhiber la transcription des gènes portés par le chromosome où il
est lui même exprimé → Chromosome X inactif.
 Ce sont les mêmes bases moléculaires que pour l’empreinte.
E. Applications en génétique médicale
1. Impact des gènes soumis à empreinte en physiologie
a. Gènes soumis à empreinte et placenta
Il y a de nombreux gènes soumis à empreinte exprimés seulement dans le placenta (on ne sait pas
encore pourquoi). Ils interviennent dans les capacités de transport nutritionnel du placenta : la
régulation de la croissance et de la structure du placenta, les systèmes de transport spécifiques et les
interactions materno-fœtales.
b. Gènes soumis à empreinte et croissance
Chez l’animal une délétion ou une surexpression de certains gènes soumis à empreinte entraîne des
modifications de la croissance (retard de croissance ou avance de la croissance).
Chez l’homme on a étudié l’expression génique différentielle des gènes du placenta chez les enfants
ayant un RCIU: 7 % des gènes du placenta sont soumis à empreinte (c’est bien supérieur au reste du
génome !) et 22% des gènes placentaires soumis à empreinte sont exprimés différentiellement selon
un RCIU ou pas.
c. Gènes soumis à empreinte et nutrition (non expliqué en cours)
Un exemple :
Chez la souris, des nouveaux-nés ont été soumis à un allaitement maternel anormalement prolongé et
ont déclaré une anomalie de la sécrétion d’insuline au niveau des ilots pancréatiques chez les souris
adultes. Cette altération de la sécrétion d’insuline est associée à une expression différentielle de 2
gènes soumis à empreinte dans le pancréas.
2. Impact des gènes soumis à empreinte en pathologie
Les caractéristiques de l’hérédité non mendélienne liée à l’empreinte génomique :
les sujets atteints : homme ou femme
issus de l’union d’un conjoint sain non muté avec un conjoint sain muté (mutation héritée)
ou avec un conjoint sain non muté (mutation sporadique, de novo)
la pénétrance est incomplète (maladie autosomique dominante, il suffit d’une mutation),
variable en fonction du sexe du parent transmetteur avec saut de génération (sujet normaux
transmetteurs)
pas de variabilité d’expression (contrairement aux maladies autosomiques dominantes
classiques)
le mode de transmission de la mutation se fait par les mères ET par les pères
(indépendant de l’origine parentale de l’empreinte du gène considéré) alors que le mode de
transmission de la maladie se fait par les mères OU par les pères (dépendant de l’origine
parentale de l’empreinte du gène considéré).
risque de transmission à la descendance directe :
de la mutation : ½ quel que soit le sexe du parent transmetteur
de la maladie : 0 ou ½ en fonction du sexe du parent transmetteur
Exemples de maladie :
Selon que l’anomalie est sur le gène maternel ou paternel on aura des phénotypes différents.
Chromosome 11
Beckwith-Wiedemann (BWS) : en période néonatale on observe une viscéromégalie, une
avance staturopondérale, une anomalie de la paroi abdominale et des hypoglicémies.
Silver-Russel (SR) : retard de croissance pré et post-natal, dysmorphie.
Chromosome 15
Angelman
(AS) : retard mental sévère, microcéphalie, convulsions (atteinte du gène qui
s’exprime sur le chromosome maternel).
Prader-Willi
(PWS) : retard mental modéré, retard de croissance prénatal
puis obésité
postnatale, hypotonie néonatale, dysmorphie
(atteinte d’un autre gène qui s’exprime cette fois-ci
sur le chromosome paternel).
Gène contrôlant l’empreinte : anomalie de la DNMT3A (2014)
Elle a pour rôle la mise en place de novo de la méthylation (cf début du cours) et est impliquée dans
l’établissement de l’empreinte et dans la croissance. Une mutation perte de fonction conduira à une
avance staturale.
(Les autres exemples n’ont pas été traités en cours)
Schématiquement, ces maladies se manifestent par des problèmes de croissance, de développement
des membres et de développement intellectuel.
3. Exemple de maladie épigénétique par anomalie « directe » d’une région soumis à
empreinte au niveau du chromosome 15 (région proximale) : les syndromes de Prader-Willi
et Angelman (15q11-q13)
Mot du RT : il faut comprendre les mécanismes encore une fois, savoir le nom maladies ne
sera pas exigé.
Les syndromes de Prader-Willi et les syndromes d’Angelman sont liés à des réarrangements d’une
même région chromosomique mais aux conséquences phénotypiques très différentes (en
fonction de l’origine parentale du chromosome qui porte l’anomalie). Ce sont des maladies rares
mais qui ne sont pas exceptionnelles non plus.
Dans le syndrome d’Angelman on retrouve un retard mental sévère, une démarche ataxique avec des
tremblements, des troubles de comportement, une microcéphalie et des convulsions.
(Absence ou perte de fonction du gène UBE3A porté par le chromosome 15 MATernel)
Dans le syndrome de Prader-Willi on retrouve une hypotonie néonatale, avec une difficulté de succion
néonatale, un retard mental léger (plus rare) et une hyperphagie qui se développe après l’âge de 1 an
entraînant une obésité (qui fait la gravité, la morbidité de la maladie).
(Absence ou perte de fonction des gènes 15q11-q13 portés par le chromosome 15PATernel)
Il existe un ECE dans cette région qui est séparé en deux clusters de gènes : une partie contrôle un
gène d’origine maternelle (et s’il est endommagé on a un Angelman), une autre partie un peu plus loin
(qui une fois endommagé donne un Prader-Willi).
Mécanismes :
a) le gène UBE3A (impliqué dans l’ubiquitination) d’origine maternelle dont la mutation donne
le Syndrome d’Angelman est soumis à une empreinte par le même mécanisme que
l’inactivation du chromosome X.
On a deux gènes : un gène UBE3A et un gène antisens (sur l’autre brin d’ADN) codant un ncRNA
antisens qui va inhiber le RNA UBE3A.
C’est ce qui se passe lorsque la transcription se fait sur les deux brins : cas du chromosome paternel.
Sur le chromosome maternel la transcription d’UBE3A se fait sur un seul brin : on a donc expression
du gène et production de la protéine.
b) On observe des mutations ponctuelles, des délétions ou insertion au niveau d’un gène soumis
à empreinte ou au niveau de l’élément de contrôle de l’empreinte (ECE) :
Exemples de mécanismes qui peuvent contribuer à la mise en place du syndrome d’Angelman (qui
correspond à une non contribution maternelle) : délétion maternelle, mutation du gène maternel,
disomie uniparentale paternelle ou une mutation du centre d’empreinte maternel.
Abréviations :
RCIU : retard de croissance intra-utérin
Mot du RT : un des cours les plus longs depuis le début de l’année mais très intéressant ! Il fait appel
à nos connaissances à la fois de P1 (biochimie) et P2 (génétique moléculaire et médicale). Attention
les maladies et leur sémiologie ne sont pas à connaître pour l’examen : elles illustrent les différents
mécanismes épigénétiques qui sont eux à comprendre. Bon courage à tous et aimez-vous les uns les
autres ! Quelques contrepèteries :
Taisez-vous en bas !
C’est ici qu’on pendit le fuselage de l’aviatrice.
Les laborieuses populations du Cap.
FICHE RECAPITULATIVE
Points clés à retenir
1. L’épigénétique est définie par l’ensemble des processus biologiques à l’origine de
modifications chromosomiques sans altération de la séquence de l’ADN.
2. Les principaux processus épigénétiques sont la méthylation/déméthylation de l’ADN, la
méthylation/déméthylation et acétylation/désacétylation des histones, la compaction/relaxation
de la chromatine
3. La chromatine compactée est caractérisée par la méthylation de l’ADN, la désacétylation des
histones, la méthylation de certaines histones et la liaison de protéines
« chaperonnes d’histone».
4. L’empreinte génomique est définie par l’expression (synthèse d’ARN et/ou de protéine)
monoallèlique d’un gène biallélique, déterminée par l’origine parentale, maternelle ou
paternelle, des chromosomes homologues portant ce gène. Elle est initiée et maintenue par des
mécanismes épigénétiques.
5. Les caractéristiques de l’empreinte génomique sont 1/ la restriction à certaines régions du
génome, 2/ l’initiation et le maintien résultant de modifications épigénétiques, 3/ l’héritabilité
transgénérationnelle, 4/ la stabilité durant la vie de l’individu 5/ la réversibilité
transgénérationnelle
6. L’empreinte génomique est contrôlée par une région d’ADN, nommée élément de contrôle de
l’empreinte (ECE), agissant de concert avec des macroARN non codants.
7. La méthylation de l’ECE gouverne sa capacité d’activer ou de réprimer en Cis l’expression
des gènes soumis à empreinte
8. L’inactivation d’un X chez la femme fait intervenir des processus épigénétiques similaires à
ceux qui interviennent dans l’empreinte génomique
9. Durant le développement embryofoetal, le génome paternel est principalement impliqué dans
le développement des annexes extra-embryonnaires, alors que le génome maternel est
principalement impliqué dans le développement de l’embryon/fœtus
10. Les gènes soumis à empreinte interviennent principalement dans 1/ les fonctions placentaires,
2/ la croissance staturopondérale, 3/ le développement cognitif.
11. De nombreuses pathologies humaines résultent d’anomalies (réarrangements, mutations)
affectant des gènes soumis à empreinte ou des génes contrôlant les phénomènes d’empreinte.
Elles se manifestent le plus souvent par 1/ des anomalies du développement intellectuel, 2/ des
anomalies de croissance, 3/ des malformations