Réseau Thématique Pluridisciplinaire "Epigénétique en Ecologie et
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RTP Epigénétique en Ecologie et Evolution (RTP3E) Réseau Thématique Pluridisciplinaire Dec. 1, 13 "Epigénétique en Ecologie et Evolution (3E)" Epigenetics in Ecology and Evolution Accroche L’objectif de ce RTP est de favoriser, par la rencontre entre les acteurs de différentes disciplines relevant de l'INEE, de l'INSHS et de l'INSB, l'étude du poids relatif de l’hérédité génétique et non-génétique dans les processus d’adaptation et d’évolution. Il s’agit en particulier d’appréhender les composantes épigénétiques (à savoir l’ensemble des modifications héritables de l'expression du génome sans modification de la séquence de l’ADN) et culturelles (à savoir la partie de la variation phénotypique qui est transmise entre générations par apprentissage social) dans ces processus et ceci dans le contexte des interactions organisme - environnement. Mots-clés Hérédité non-génétique et génétique, variabilité phénotypique, adaptation Instituts CNRS concernés Le champ thématique de ce RTP-3E est à l'intersection entre les champs des instituts INEE, INSHS et INSB du CNRS Contexte scientifique La biologie vit actuellement une mutation profonde suite à d’importants progrès des connaissances dans de nombreux domaines incluant les sciences du développement (1, 2) et du comportement (3-7), ainsi que l’épigénétique (8-11) et l’écologie évolutive sous toutes ses facettes (12-14). Ces développements ont conduit de nombreux auteurs à appeler de leurs vœux la « modernisation » de la synthèse moderne de l’évolution (2, 3, 14-17). Un point central réside dans les arguments solides soutenant l’existence d’une part non-génétique de l’hérédité. Ces arguments proviennent de domaines très divers des sciences biologiques et humaines et concernent tous les groupes taxonomiques. Les écologistes de l’évolution ont cherché à formaliser ces découvertes en termes d’hérédité, ouvrant la voie à une étude quantitative des différentes sources de variation phénotypique héritées et de leurs conséquences en termes de sélection naturelle et d’évolution (4, 7, 13, 14, 1820). Il en résulte actuellement au plan mondial un changement de paradigme qui implique qu’aujourd’hui, la vision selon laquelle l’hérédité de la variation phénotypique repose uniquement sur la transmission de la variation génétique (codée dans la séquence de l’ADN) ne suffit plus à la compréhension du processus d’évolution biologique (7, 14). Le modèle d’hérédité qui émerge incorpore non seulement une composante génétique, mais aussi toutes les formes d’hérédité non-génétique au sein d’une conception inclusive de la théorie de l’évolution. Différents termes sont utilisés par divers auteurs pour décrire cette conception élargie de l’hérédité et de l’évolution, que ce soit une théorie « inclusive » de l’évolution (13), ou bien synthèse moderne « étendue » (2, 21) ou « généralisée » (18), ou « pluraliste » (22), ou encore une synthèse moderne « modernisée » (23). Retour aux sources Pour bien comprendre ce qui est en jeu dans ce débat, il est nécessaire de revenir aux fondamentaux. Une des grandes fonctions qui différencient le vivant de l’inanimé est la reproduction. Qui dit reproduction, dit transmission d’information permettant de construire un nouvel individu. Historiquement, l’étude de l’hérédité moderne a été marquée dès les origines par le modèle Mendélien et l’approche statistique de l’hérédité, mais ce n’est que 50 ans plus tard que l’ADN a été reconnu comme un support a priori de l’information héritée conduisant à la fusion entre tous ces courants (i.e. la synthèse moderne de l'évolution). S’en est alors suivie une 1 RTP Epigénétique en Ecologie et Evolution (RTP3E) Dec. 1, 13 tendance générale à simplifier les formulations en réduisant l’hérédité à la seule transmission d’informations génétiques (au sens classique de la transmission d’allèles selon les lois de la génétique Mendélienne), même s’il était reconnu qu’il s’agissait là d’une simplification qu’il faudrait un jour dépasser. De ce fait, la vision classique actuelle, telle que véhiculée par tous nos livres de cours, est que l’information transmise est essentiellement de nature génétique à l’exception des effets parentaux qui ont suscité un certain intérêt depuis la fin des années 1980s. Selon cette vision, seule l’information codée dans la séquence de l’ADN serait héritée sur plusieurs générations et donc soumise à sélection. Il est maintenant temps de dépasser cette vision qui a cependant permis les innombrables progrès que l’on connaît dans la compréhension de l’hérédité. Les évolutions actuelles L’hérédité génétique n’explique pas tout. En particulier, diverses approches ont, depuis maintenant au moins quatre décennies, apporté des arguments forts montrant l’existence de nombreux types d’information ne reposant pas sur une modification de la séquence de l’ADN mais qui sont pourtant clairement héritées et héritables entre générations. Les domaines scientifiques ayant apporté de tels arguments sont assez nombreux, que ce soit l’hérédité culturelle (ou héritage social incluant l'influence d'individus non parents dans les groupes sociaux avec recouvrement des générations; les premiers articles remontent à la fin des années 1970), l’hérédité écologique en relation avec le phénomène de construction de niche (domaine qui s’est fortement développé durant les deux dernières décennies), les effets parentaux (dont la fonction évolutive première est bien de transmettre des informations à la descendance de façon à les préparer aux conditions environnementales qui prévalent à ce moment là) et, plus récemment, la transmission intergénérationnelle des marques épigénétiques (i.e. des modifications héritables de l’expression de l’information génétique; domaine en explosion depuis le milieu des années 2000; pour des revues sur ces sujets, voir (3, 14, 20, 24, 25)), ainsi que l’hérédité résultant de la transmission verticale des symbiontes transmis, processus bien décrit chez les insectes, dans l’hérédité inclusive (26, 27). L’originalité de la situation actuelle est dans l’avènement de développements technologiques majeurs permettant d’aborder des questions jusque là inaccessibles. Il devient maintenant possible de distinguer l’information génétique (véhiculée dans la séquence de l’ADN) de l’information épigénétique héritable (dont une partie est véhiculée dans les patrons de méthylation de l’ADN, l’état des histones et par les ARN noncodants). De plus, la qualité des expériences faites pour étudier les processus fins d’hérédité (impliquant par exemple des adoptions croisées, ou des expériences fines de laboratoire comme l’évolution expérimentale) permet de distinguer des voies mécanistiques d’hérédité autrefois techniquement indiscernables, et d’étudier leurs interactions. De ce fait, le débat dans ce domaine s’amplifie (par exemple voir le débat sur la publication de Russell Bonduriansky « Rethinking heredity, again » dans Trends in Ecology and Evolution, 2013). Aujourd'hui, un des grands défis des sciences de l’écologie et de l’évolution n’est pas tant d’accepter l’existence d’une part non génétique à l’hérédité, mais plutôt d’étudier comment cela peut changer les dynamiques écologiques et évolutives, au point que cela devrait nous conduire à élargir notre vision de l’hérédité et de l’évolution en une vision pluridimensionnelle. Une telle reconnaissance passera par une nécessaire étape de quantification de l’importance de la composante non-génétique de l’hérédité. Les écologistes de l’évolution, en synergie avec les biomolécularistes de l’épigénomique, les biologistes du développement et ceux de la reproduction, ont une place importante à jouer dans la compréhension de ces processus. Il faut souligner ici que cela ne remet pas en cause la synthèse moderne mais l’élargit ─ ou la généralise ─, un peu comme la relativité n’a pas contredit la théorie Newtonienne mais l’a largement généralisée de façon a intégrer des situations jusqu’alors non explicables. État des lieux et atout de la communauté française Dans un article d’opinion sur les faits marquants du dernier congrès de la "European Society of Evolutionary Biology" Elisabeth Pennisi a choisi de commenter sur ce qu'elle appelle une 'evolution heresy' (28) (qui consiste à affirmer que l'hérédité ne se limite pas à sa seule composante génétique). Un point frappant de cet article d'une page, est que parmi les sept noms de chercheurs qu'elle cite, quatre sont des chercheurs appartenant à des institutions françaises. Ceci montre à l'évidence que la communauté française est en avance sur ce front de science et notre objectif dans ce RTP-3E est de rassemble, animer et stimuler cette communauté pour lui permettre de rester dans cette position de leadership. Plus généralement, il nous semble que les Instituts du CNRS INEE, INSHS et INSB ont un rôle stratégique à jouer pour stimuler la participation des chercheurs français à ce type de recherche de front des sciences. La question de la composante non-génétique de l’hérédité se situe en effet au carrefour entre plusieurs domaines des Sciences Biologiques (génétique moléculaire, quantitative et des populations, génomique, épigénétique et 2 RTP Epigénétique en Ecologie et Evolution (RTP3E) Dec. 1, 13 épigénomique, biologie du développement, écologie comportementale, sciences de l’évolution, neurosciencescognition et apprentissage, culture animale), les Sciences médicales (médecine évolutionniste), et les Sciences humaines (comportement économique, culture humaine, psychologie, cognition). Une première rencontre survenue les 3 et 4 décembre 2013 à Gif-sur-Yvette, a rassemblé 80 personnes provenant de 48 laboratoires français. Les exposés se sont naturellement divisés en trois groupes thématiques relatifs au dialogue entre génome et épigénome, à la variation épigénétique sous-jacente à la variation phénotypique dans les populations, et aux effets transgénérationnels. Enjeux Le cahier des charges de notre RTP a dans les faits déjà été clairement énoncé dans le document de synthèse prospective de l'Institut CNRS INEE produit début 2013 suite aux rencontres d'Avignon en octobre 2012. En résumé, les enjeux dans ce domaine en plein essor se déclinent en trois axes. Enjeux technologiques et expérimentaux Les enjeux technologiques concernent essentiellement l’acquisition de données génomiques, épigénomiques et phénotypiques pour un grand nombre d’individus. Ceci implique le décryptage du codage des marques épigénomiques (analyses moléculaire et traitement bioinformatique). Mais ces enjeux concernent aussi les autres composantes de l'hérédité non génétique comme par exemple l'hérédité culturelle qui, au delà de la nécessité de bien définir ce que l’on entend par là, impliquent la mise en place de protocoles expérimentaux rigoureux et exigeants, ainsi que l’élimination de toute explication de nature purement génétique (génomique et épigénomique). Ces dernières années, les technologies de séquençage haut-débit ont rendu possible l’analyse de très grands volumes d’échantillons simultanément et ceci au niveau génomique, épigénomique et transcriptomique global. Ces techniques sont devenues accessibles à des équipes ne travaillant pas nécessairement sur des espèces modèles mais sur celles ayant un intérêt écologique avéré. C'est le cas de recherches dont les thématiques sont éloignées de la génétique moléculaire pure et dont le niveau d’appréhension du vivant se situe au-delà de l’individu dans son fonctionnement propre. Cette ouverture implique le développement de deux axes complémentaires : (i) transférer les savoirs acquis sur les espèces modèles vers les espèces non modèles, tout en estimant les limites d’un tel parallèle, (ii) transférer l'ensemble des connaissances obtenues en matière d’«omiques » sur les systèmes modèles vers le monde complexe de l'écologie et ceci tant au niveau des techniques moléculaires (par exemple préparation des échantillons, extraction de la chromatine etc.) que du stockage et de l’analyse des données ainsi obtenues (pérennisation des données de séquence et outils bioinformatiques). Dans ce contexte, il est de première importance de continuer à documenter des études de cas montrant l'importance de l'hérédité non génétique afin de pouvoir répondre à des questions telles que : "De quelle manière et avec quelle ampleur les parts de l’hérédité génétique et non-génétique varient-elles selon les traits/populations/espèces?"; « Les poids relatifs de l’hérédité génétique et non-génétique varient-ils entre les populations au sein d’une même espèce ou entre espèces ? », « Quels sont les forces sélectives liées à cette variation ? ». Bien que la communauté des chercheurs explorant ces domaines partage des concepts technologiques et des questions fondamentales, elle est confrontée à une multitude de modèles biologiques, nécessitant des approches expérimentales différentes. La maîtrise et la standardisation d'un éventail de techniques expérimentales sont par conséquent cruciales. Un lien entre cette communauté et celles des chercheurs des domaines tels que la biologie moléculaire de l’épigénétique, du développement et de la reproduction, devra également être renforcé afin de faciliter les transferts de savoir et de savoir-faire. Enjeux conceptuels Sur le plan conceptuel, il nous faudra développer de nouveaux concepts en évolution pour intégrer l’hérédité non génétique et plus particulièrement l’épigénétique dans l'étude des processus en écologie et évolution. Plusieurs nouveaux concepts de ce type ont déjà été proposé, comme par exemple la notion d'hérédité inclusive intégrant toutes les composantes de l'hérédité afin de mieux estimer le véritable potentiel évolutif des populations (13, 14). De même, une définition de la culture animale permettant une analyse quantitative dans un contexte évolutif a été proposée et accompagnée de critères testables permettant d'affirmer qu'un trait est au moins en partie hérité culturellement (13, 14). De même, l'accent est mis par certains auteurs sur la nécessité de développer une conception 'information centrée' de l'écologie et de l'évolution, en travaillant non seulement sur les flux de gènes, mais plus généralement sur les flux d'information et les dynamiques informationnelles (29). Il 3 RTP Epigénétique en Ecologie et Evolution (RTP3E) Dec. 1, 13 y a fort à parier que notre communauté développera de nombreux autres concepts de ce type de façon à réaliser enfin la synthèse évolutive tant attendue. Enjeux théoriques Les plus grands défis de notre communauté sont sans aucun doute d'ordre théorique. En effet, il est fondamental d'étudier et de documenter dans le détail ce que la prise en compte de l'hérédité non génétique change dans les processus écologiques et évolutifs. Comme dit plus haut, c'est essentiellement sur ces questions que le consensus est loin d'être acquis, et il est impossible d'analyser de telles questions par de simples raisonnements verbaux. Cette modélisation devra bien entendu s'enraciner dans les concepts relevant du précédent groupe d'enjeux, mais également s’enrichir du cadre conceptuel des sciences de la société. Ces modèles devront répondre à des questions comme : "Quelles sont les conséquences de la prise en compte de l’hérédité non-génétique sur les dynamiques écologiques et évolutives?"; "Est-ce que les trajectoires de ces dynamiques et/ou la nature des équilibres prédits par les modèles d’évolution incluant l’hérédité nongénétique diffèreront fondamentalement de celles qui sont prédites par des modèles ne prenant en compte que l’hérédité génétique?" Ces considérations théoriques doivent aboutir à des hypothèses qui devront être testées expérimentalement. Plus généralement, nous anticipons aussi d’importants défis de modélisation vue la complexité introduite par l’hérédité non-génétique. Cet objectif impliquera une démarche interdisciplinaire avec les mathématiques et l’informatique. Objectifs du RTP (actions à prévoir sur 3 ans) Notre but dans ce RTP est d’identifier une communauté scientifique afin d’améliorer sa visibilité et ses propositions d’actions, d’encourager les échanges de savoirs et savoir-faire, en favorisant entre autre la rencontre régulière entre les acteurs de toutes les disciplines concernées, et enfin de créer les conditions les plus favorables possibles pour répondre aux enjeux identifiés précédemment. Le but ultime est de maintenir la communauté francophone dans une position d'avant-garde dans ce vaste domaine dont nous pouvons prédire qu'il va fortement modifier l'ensemble de la biologie dans les décennies à venir. Exemples d’actions et calendrier Année 1 - Identification de la communauté scientifique nationale concernée suite au colloque de Gif/Yvette : renforcer les liens entre biologistes moléculaires, écologistes, comportementalistes et d’une façon général avec les collègues intéressés par l’étude de la variation de traits phénotypiques, ainsi qu’avec l’UPS3201 d’Evry (programme Epigénome) et les philosophes des sciences (IHPST Paris). - Mise en place d’un site web identifiant les équipes intéressées, avec une information précise des domaines d’intérêt et d’une liste de diffusion pour échanger des news sur des projets, papiers, qui regroupent la communauté. - Organisation de workshops d’environ 30 personnes (milieu année1) sur les thématiques « dialogue entre génome et épigénome », « variations épigénétiques dans les populations », « plan d’actions pluridisciplinaires autour d’un modèle biologique commun » et « effets transgénérationnels» dans le but de réaliser un état des lieux des savoirs, et savoir-faire sous la forme d’une carte nationale des compétences au sein des laboratoires ou plates-formes; et surtout d’identifier les besoins, défis et propositions concrètes de la communauté afin d’en informer les tutelles et d’organiser des propositions d’actions collectives. - Sensibiliser un plus grand nombre de chercheurs des domaines de l’écologie et de l’évolution à l’épigénétique par exemple via l’organisation de symposiums à la prochaine réunion du « Petit Pois Déridé » qui aura lieu à Orsay en Août 2014, ou au prochain congrès joint entre la Société Française d’Ecologie et la British Ecological Society en décembre 2014 à Lille. - Appels d’offre pour aider à la mobilité des étudiants entre laboratoire. - prise de contact avec le bureau du réseau d’excellence « Epigénome » (http://epigenome.eu/fr/4,27,0) afin de privilégier les interactions. A ce propos, le symposium d’une journée « Lamarck, Landmarks and Landscapes: Frontiers in Epigenetics » co-organisé par Rob Martiensen en février 2014 pourrait être une première occasion. 4 RTP Epigénétique en Ecologie et Evolution (RTP3E) Années 2 et 3 Dec. 1, 13 - Mise en réseau des compétences et organisation d’ateliers thématiques pluridisciplinaires répondant aux enjeux technologiques, conceptuels et théoriques. Exemples : « analyses haut débit, outils bioinformatiques, et statistiques, interprétation des données» ; « flux d'information et dynamiques informationnelles » ; « nouveaux concepts théoriques de l'hérédité non génétique dans les processus écologiques et évolutifs ». - Mise en place d’un module transverse relatif à l’épigénétique entre plusieurs écoles doctorales ; organisation d’une école d’été ou d’une école thématique. - Réponse concertée de la communauté à des appels d’offre nationaux. - Soutien à la mise en place d’outils d’analyse haut débit (pipe-line en libre accès, site web dédié etc). - Colloque international (cibler la communauté européenne mais pas exclusivement). - Appels d’offre pour aider à la mobilité des étudiants entre laboratoire. Année 3 - Réunion nationale de la communauté du RTP-3E: bilan et perspectives. - Appels d’offre pour aider à la mobilité des étudiants entre laboratoire. - Cahier de prospective CNRS-INEE pour projeter la communauté dans les enjeux du futur. - Volume spécial revue de rang A. Fonctionnement Le fonctionnement du RTP est géré par un bureau dont les membres sont : Dominique Joly (CNRS Gif-sur-Yvette, coordinatrice), Christoph Grunau (Université Perpignan, responsable scientifique), Pierre Capy (Université Paris sud), Etienne Danchin (CNRS Toulouse III), Anthony Herrel (CNRS Brunoy), Cristina Vieira (Université Lyon 1), Fabrice Roux (CNRS Toulouse), Clémentine Vitte (CNRS Le Moulon). Le bureau du RTP-3E est aidé dans son fonctionnement par un conseil scientifique constitué des membres du bureau ainsi que des collègues affiliés à différents organismes et laboratoires de recherche reflétant l’intérêt transversal et national du RTP-3E: Anne Charmantier (CNRS, Montpellier) Pierre Capy (Université Paris sud) Vincent Castric (CNRS, Université Lille I) Etienne Danchin (CNRS Toulouse III) Christoph Grunau (Université Perpignan) Anthony Herrel (CNRS Brunoy) Dominique Joly (CNRS Gif-sur-Yvette), Lluis Quintana-Murci (Institut Pasteur Paris) Stéphane Maury (INRA Orléans) Francesca Merlin (CNRS, Paris) Eric Meyer (ENS Paris) Marie Mirouze (IRD, Montpellier) Guillaume Mitta (Université Perpignan) Fabrice Roux (CNRS Toulouse) Maud Tenaillon (CNRS Le Moulon) Cristina Vieira (Université Lyon 1) Clémentine Vitte (CNRS Le Moulon) 5 RTP Epigénétique en Ecologie et Evolution (RTP3E) Références citées 1. S. B. Caroll, Cell 134, 25 (2008). 2. M. Pigliucci, G. B. 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