UE7_-_Guiraud_-_heredite_non_traditionnelle_-_roneo 2016_1

!
UE7 – GENETIQUE
Pr. Guiraud
!
Date : 15/02/2016
10h45-12h45
Promo : DFGSM3 Enseignant : Pascale Guiraud
Horaire :
!
Ronéiste : Aurore Lavaud
!
!
!
HÉRÉDITÉ NON TRADITIONNELLE
I.
Hérédité mitochondriale
1. Rappel sur l’origine de la mitochondrie
2. Mitochondrie et reproduction
3. Transmission du génome mitochondrial
4. Génome mitochondrial
5. Maladies mitochondriales.
Conclusion
!
II. Epigénétique
!
1. La méthylation de l’ADN et methylation/acétylation des histones.
2. Inactivation de l’X.
III. Les empreintes génomiques parentales
1. Généralités
2. Les
bases moléculaires des empreintes
3. Transmission de l’empreinte
4. Conséquence en clinique humaine
5. Délétion chromosomique
6. Duplication
7. Disomie uniparentale
8. Mutation
du centre d’empreinte
9. Disomie uniparentale (DUP)
10. Les mécanismes
Conclusion
1
!
Notes de môa: ce qu’il y a de marqué sur les diapos en noir, les ajouts à l’oral en bleu, les
trucs importants en rouge. Il y a certaines diapos que je n’ai pas réussi à intégrer dans le
ronéo. J’ai mis le titre des diapos pour que vous puissiez vous y retrouver quand même.
Bonne lecture de ce ronéo passionnant…
!
I. Hérédité mitochondriale.
!
!
Rappel: Théorie de l’endosymbiose:
La mitochondrie serait issue d’une bactérie
phagocytée par une cellule eucaryote. Elles se
seraient toutes les deux développées en symbiose.
Cela explique la présence d’ADN dans cet
organite.
2
!
!
1. Rappel sur la mitochondrie
Elle assure un certain nombre de fonctions : activité métaboliques, chaîne respiratoire pour
produire de l’ATP...
!
Les mitochondries (Mt) sont présentes dans toutes les cellules de l’organisme chez l’homme
sauf les globules rouges.
Les maladies mitochondriales (qui sont principalement des maladies d’ordre génétique) sont
des défauts survenant au niveau de la mitochondrie sur des gènes de l’ADN mitochondrial et
qui concernent surtout l’activité de la chaîne respiratoire.
Les cellules les plus affectées par les maladies sont celles des tissus et organes qui
consomment le plus d’énergie (et donc qui possèdent le plus de mitochondries): cerveau,
muscles squelettiques, cœur, foie, rein et poumons (à un degré moindre).
La symptomatologie est très variable de même que le degré de sévérité de la maladie.
!
!
2. Mitochondrie et reproduction
Les Mt ont un rôle central dans le métabolisme énergétique cellulaire, dans les mécanismes
de l’apoptose, la thermogenèse, l'homéostasie du calcium et dans différentes voies
anaboliques: synthèse de l’hème, des protéines fer-souffre, des nucléotides et des stéroïdes.
Elles possèdent leur propre génome.
Elles influencent la qualité des ovocytes et des spermatozoïdes. On sait qu’elles ont un rôle
au niveau de la fécondation et du développement embryonnaire.
!
!
!
!
3
Mitochondrie et développement embryonnaire:
Ce sont les mitochondries ovocytaires du zygote d’origine maternelle. Elles sont
redistribuées autour des 2 pronoyaux. Elles fourniront l’ATP pour les évènements
nucléaires et les premières divisions.
Après les premières divisions, on observe une activité de plus en plus accrue : augmentation
de la production d’ATP, des transcriptions mitochondriales, des modifications du nombre de
crêtes et le démarrage du métabolisme mitochondriale.
Après l’implantation, on a réplication de l’ADN mitochondrial.
!
!
3. Transmission du génome mitochondrial
La transmission du génome mitochondrial est uni-parentale, elle est d’origine maternelle →
transmission non conventionnelle. Ce sont bien les Mt de l’ovocyte qui persistent. Il y a
élimination complète des mitochondries d'origine paternelle dans l’ovocyte. Cette
dégradation se fait via des protéasomes ovocytaire (au plus tard lors de la 3ieme division
cellulaire).
➢ Mécanisme spécifique d’espèce
La destruction est médiée par l’ubiquitine. Comme le cas général des destructions assurées
par le protéasome. (Il y a ubiquitinylation dès le stade spermatocytes II en préparation de
cette destruction avec pour cible une protéine: la prohibitine.)
!
!
4. Génome mitochondrial
L’ADN mitochondrial est :
✓ un ADN circulaire double brin
✓ constitué de 2 brins codants: un lourd (H) + un léger (L)
✓ on en trouve 5 à 10 copies par Mt
✓ on a entre 1000 à 3000 Mt par cellule Sans enveloppe nucléaire
✓ sa taille est de 16,5 Kb par brin
✓ pas d’introns: ARNm géant (1 seul transcrit puis clivage)
✓ pas d’enveloppe nucléaire
!
Organisation du génome mitochondrial
Il y a dans ce génome 37 gènes permettant la synthèse de :
✓ 13 protéines qui codent pour des complexes de la chaîne respiratoire (NADH
déshydrogénase, cytochrome c réductase, cytochrome c oxydase, ATP synthase)
✓ 22 ARNt
✓ 2 ARN ribosomiens (12S et 16S).
4
Ci-contre, une représentation du génome Mt avec les
gènes spécifiques.
C’est un petit génome qui est parfaitement connu.
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
Ci-contre, on visualise quelques complexes de la
chaîne respiratoire.
!
!
!
!
!
!
!
!
Génome mitochondrial (2):
La réplication est indépendante du cycle cellulaire, indépendante du noyau.
Ses caractéristiques sont proches de l’ADN procaryote.
Il y a un taux de mutation élevé (x10 par rapport au génome nucléaire) car:
• ADN sans histones
• ADN à côté de la chaine respiratoire qui génère des radicaux libres (= espèces
mutagènes)
!
Il échappe à l’universalité du code génétique avec quelques variantes:
Exemples :
✓ le codon initiateur dans la Mt peut être AUA, AUU codant pour une Méthionine (au
lieu de Isoleucine) (dans le noyau, AUG = Méthionine).
✓ codon UGA est normalement un codon stop au niveau nucléaire. Dans la Mt il
correspond au Tryptophane.
✓ les codons STOP dans la Mt sont: AGA, AGG, alors que dans le noyau ils codent pour
l’Arginine.
!!
5
!
5. Maladies mitochondriales
Les maladies mitochondriales résultent de certaines de ces mutations.
C’est une hérédité d’origine maternelle avec une transmission mère-enfants, quelque soit le
sexe de l’enfant.
Il n’y a pas de transmission possible père-enfant.
C’est une hérédité cytoplasmique.
!
Au niveau de la génétique mitochondriale, on a :
✓ de nombreuses mitochondries par cellule.
✓ une division des mitochondries indépendante de la division cellulaire
✓ une réplication de l’ADNmt au cours des phases S et G2
✓ une ségrégation des mitochondries lors de la division cellulaire qui se fait au hasard
dans les cellules filles.
!
S'il y a des mutations mitochondriales, la transmission va être irrégulière, non complètement
transmise avec la division cellulaire. C’est cela qui va faire que l’expression de la pathologie
n’est pas la même chez toutes les personnes atteintes.
!
Pour ces transmissions mitochondriales, il y a deux cas possibles :
✓ Hétéroplasmie (cas le plus fréquent) : la présence de molécules mutées et normales
dans la même cellule, voire la même mitochondrie → mélange de molécules d’ADN
muté et d’ADN normal.
!
✓ Homoplasmie (très rare) : uniquement des molécules du même type (mutée ou
saine) → toutes les mitochondries ont le même ADN, c'est beaucoup plus rare et
grave.
■ L’hétéroplasmie est source d’une hétérogénéité génétique : on aura une proportion
variable d’ADN normal/pathologique suivant les cellules et suivant les mitochondries.
La maladie ne s’exprimera qu’au-delà d’un certain seuil : rapport ADN muté/ADN
normal. La valeur du rapport indiquera aussi la sévérité de la maladie, expliquant la
variabilité clinique très importante. La sévérité de la pathologie sera croissante
proportionnellement à ce rapport.
!
■ La transmission est complexe:
✓ L’hérédité cytoplasmique est maternelle. Les mères transmettent leur ADNmt à tous
leurs enfants.
✓ Les enfants ne sont cependant pas tous malades. Cela dépend de la proportion de
molécules mutées qu’ils vont récupérer.
6
!
✓ Les maladies mitochondriales touchent tous les organes plus particulièrement ceux
ayant une forte activité mitochondriale. (système nerveux→ encéphalopathie,
muscles→ dystrophies musculaire…)
✓ Au niveau des possibilités d’anomalies, sur le génome, on retrouve des délétions
hétéroplasmiques de plus ou moins grande taille (>1.5 kb), des mutations ponctuelles,
…
■ Affections: maladies Mt:
✓ Le point commun de ces affections: anomalie de la chaîne respiratoire le plus souvent.
✓ On en connaît au moins 12, dont :
• Atrophie optique de Leber
• Syndrome de Leigh
• Myopathie mitochondriale
• Encéphalomyopathie mitochondriale
✓ Les affections mitochondriales ont une pénétrance incomplète et une expressivité
variable.
✓ Pénétrance = Nombre d’individus phénotypiquement atteints
Nombre d’individus génotypiquement atteints
Conclusion
Les mitochondries ont permis de réaliser des études phylogéniques (suivie des populations)
grâce à leur ADN. On peut aussi faire des filiations, des analyses poussées dans des familles
pour obtenir des liens de parenté.
L’ADNmt est petit.
Ce qui en fait un bon outil pour des études phylogéniques (et également en médecine légale).
Les études montrent que tous les lignages d’ADNmt des populations actuelles remontent à
une femme vivant en Afrique il y a 150 000 à 200 000 ans, on l'a appelée l’''Eve
mitochondriale''
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
7
II. Epigénétique
!
Altérations qui :
✓ Ne changent pas la séquence de l’ADN.
✓ Sont transmises au cours des divisions cellulaires.
✓ Sont potentiellement réversibles.
!
Il existe 2 modifications principales :
✓ Acétylation et méthylation des histones
✓ Méthylation de l’ADN
concerne l'ADN mais ne touche pas les séquences de base de l’ADN.
!
1. La méthylation de l’ADN
✓ Définition: Addition d’un groupement méthyl au niveau du carbone 5 d’une cytosine dans
un dinucléotide appelé CpG. CpG veut dire qu’il y a un enchaînement de Cytosine, de
Phosphate et Guanine.
✓ Ces additions de groupements méthyl se font par l’intermédiaire d'enzymes comme les
méthyltransférases (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b…).
!
!
8
Remarques:
Il s’agit de modifications post réplicationnelles.
Il y a transmission à la descendance.
La plupart du temps, ces méthylations sont réversibles. Il existe des déméthylases, qui sous
certaines conditions, peuvent déméthyler les groupements méthyl.
Sur l’ADN, il y a des sites préférentiels de méthylation. Il faut des cytosines avec une
position particulière pour être reconnu par des méthylases pour des méthylations. Il a en effet
des cytosines qui ne seront pas sujettes à des méthylations.
Ça peut entraîner la facilitation de l'expression d'un gène ou, au contraire, empêcher
l'expression du gène suivant la localisation de ces méthylations.
!
!
■ La méthylation de l’ADN
✓ Les dinucléotides CpG sont peu fréquents dans l’ADN sauf dans les « îlots » CpG.
✓ La plus grande part des « îlots CpG » sont des zones de méthylation retrouvées dans
la région promotrice des gènes.
✓ La méthylation pourrait entraîner la répression de la transcription de l’ADN avec
deux mécanismes possibles (ci-dessous).
✓ On ne connaît pas encore tous les mécanismes consécutifs à ces zones de méthylation.
!
■ Mécanisme 1 : La région promotrice
!
!
Dans cet exemple, on a :
✓ Image du haut: des cytosines non méthylées qui permettent la fixation du facteur de
transcription au niveau de la région promotrice.
✓ Image du bas: des cytosines méthylées, ce qui va inhiber la fixation des facteurs de
transcription et donc l’absence d'expression du gène concerné.
!
!
9
■ Mécanisme 2 : l’acétylation des histones
!
Un autre mécanisme qui implique à la fois la méthylation CpG sur l’ADN et la méthylation
des histones. Sur le schéma :
✓ En haut, on a une configuration avec des histones acétylés et des groupements CpG
non méthylés.
✓ En bas, la désacétylation des histones peut entraîner une facilitation à avoir des CpG
méthylés.
!
Retenir:
Acétylation : facilite l'expression du gène
Méthylation = compaction: inhibition de l'expression du gène
↪ On a donc une relation entre l’acétylation des histones de certaines régions de l’ADN,
et la possibilité d’avoir ou non des CpG méthylés. Ça devient une régulation un tout
petit peu plus complexe.
!
■ La régulation de l’expression des gènes
Les protéines codées par un génome ne sont pas toujours présentes dans toutes les cellules.
Il y a des mécanismes activant ou inactivant l’expression de certains gènes. C’est
physiologique. Cette régulation conditionne la facilité ou pas d’un facteur de transcription à
se fixer pour la transcription des gènes.
Chaque gène est exprimé à certains moments et à certains endroits de l’organisme :
✓ Les enzymes impliquées dans les détoxification sont exprimées dans le foie, en
réponse à la présence de toxines.
✓ L’insuline est produite dans le pancréas, en réponse à la présence de sucre.
✓ Les pigments impliqués dans la vision sont exprimés dans l’œil.
Cette expression différentielle repose sur une régulation de la transcription, exercée par des
protéines spécialisées, les facteurs transcriptionnels.
Chaque facteur transcriptionnel reconnaît des régions spécifiques des chromosomes, et active
l’expression des gènes avoisinants.
10
Les facteurs transcriptionnels montrent une activité spécifique à chaque type cellulaire, et
répondent aux variations de l’environnement.
!
■ Méthylation et processus physiologique
La régulation de l’expression des gènes a un rôle important dans l’embryogénèse.
On sait que physiologiquement, 4-6 % des cytosines sont méthylées chez l’adulte.
Parmi les fonctions normales connues (en dehors de la régulation de l’expression des gènes)
on a :
✓ Inactivation des rétrotransposons
✓ Inactivation du X (chez la femme)
✓ Empreinte parentale
!
■ Méthylation et carcinogénèse
On connaît un rôle particulier de la méthylation et de certaines anomalies de la méthylation
dans la carcinogénèse.
✓ Il y a très souvent un hypométhylation globale.
✓ Certains gènes peuvent être inactivés par hyperméthylation.
Exemple : on a constaté une inactivation gènes suppresseurs de tumeurs par
hyperméthylation.
✓ La méthylation fait l’objet de nombreuses études dans les tumeurs de l’adulte. Ça peut
être une perspective thérapeutique.
!
■
!
Îlots CpG
!
Exemple :
✓ Situation normale: la région promotrice du gène non méthylée.
11
!
✓ Situation tumorale: le gène d’un des facteurs suppresseur de tumeurs subit une
méthylation.
■ Figure 1 : Aspects de la chromatine au niveau de gènes suppresseurs de tumeur, dans
les situations normale et pathologique.
✓ La plupart des gènes présentent, au niveau de leur promoteur et/ou de leur premier
exon, un nombre élevé de dinucléotides CpG regroupés dans des zones nommés îlots
CpG.
!
!
!
✓ Dans une situation normale, la plupart des CpG en dehors des îlots sont méthylés
(cercles noirs), tandis que les CpG des îlots ne sont pas méthylés (cercles blancs).
Dans cette région promotrice, l’acétylation des histones permet de maintenir la
chromatine dans un état « relâché », accessible aux complexes de transcription
constitués notamment de facteurs de transcription (FT), de protéines acétylants les
histones (HAT) et de co-activateurs transcriptionnels (CA).
✓ Dans une situation tumorale, les profils de méthylation sont inversés avec une
hypométhylation des CpG répartis le long du génome et dans les régions codantes,
et une hyperméthylation des îlots CpG au niveau des promoteurs. Ces CpG
méthylés sont reconnus par des protéines à domaine MBD (methyl-CpG binding
domain), responsables du recrutement, notamment, des enzymes de modifications
post-traductionnelles des histones (désacétylation (HDAC) et méthylation), des
protéines responsables de la méthylation de l’ADN (DNMT) et des co-répresseurs
transcritionnels (CR). Cette zone devient alors inaccessible aux complexes de
transcription, empêchant ainsi l’expression du gène.
■ Les intérêts de l’étude de la méthylation sont :
✓ Compréhension des mécanismes du développement tumoral
✓ Cible thérapeutique
✓ Utilisation comme marqueur pronostique et diagnostique en suivi clinique
!
3. Inactivation de l’X
!
!
!
C'est un phénomène physiologique.
1 chromosome X norma1 et 1 chromosome X ne s'exprimant
pas = c'est le mosaïcisme !
Cela donne un pelage tricolore en mosaïque ou écailles de
tortue.
!
12
■ Rappels sur X et Y
!
!
✓ X : grande taille (160 Mb), nombreux gènes (700) en majorité non impliqués dans la
différentiation sexuelle.
✓ Y : petite taille (70 Mb), peu de gènes (10), la plupart impliqués dans la
différentiation sexuelle, spermatogénèse.
✓ Femme : XX / Homme : XY
✓ Cependant pas de différence dans la quantité de produits des gènes de X (niveau égal
d’expression entre l’homme et la femme pour tous les gènes spécifiques du
chromosome X)
✓ Il existe un mécanisme de correction du dosage génique.
Ce mécanisme, particulier à la femme, permet de ne pas avoir une surexpression des gènes du
chromosome X.
Un des deux chromosomes X est inactivé, en principe de façon aléatoire, dans chaque cellule
d’un individu 46,XX LYONISATION – gènes non exprimés.
!
■ Inactivation d’un chromosome X chez la femme : phénomène de lyonisation
✓ Découvert par Mary Lyon en 1961
✓ Un seul X actif dans les cellules somatiques des femelles chez les
mammifères.
✓ Inactivation de la majeure partie d’un des deux X de la femme de façon :
• Précoce (embryon)
• Aléatoire
• Indépendante d’une cellule à l’autre
• Définitive (le même X reste inactivé dans la descendance d’une cellule où il a été
initialement inactivé)
!
Au niveau cytogénétique, le X inactivé correspond au corpuscule de Barr (compaction +++)
qu’on retrouve dans le noyau des cellules chez la femme.
!
!
!
!
13
■ Inactivation d’un chromosome X chez la femme : mécanisme principes généraux (1)
✓ elle survient très tôt (embryogénèse) : 7 à 10 jours post-fécondation.
✓ le choix de l’X se fait au hasard (peut être celui du père ou de la mère) dans chaque
cellule.
✓ cela implique un traitement différentiel de deux chromosomes homologues.
✓ on a une transmission clonale d’une cellule à l’autre (de la cellule mère à la
descendance).
✓ Cette inactivation est irréversible sauf dans les cellules germinales : lors de la
gamétogénèse chez la femme, chaque cellule reçoit un X actif.
!
!
!
!
!
!
↪ On voit le voit ici. De façon aléatoire, certaines cellules auront un X paternel inactivé.
Pour les autres, ce sera le X maternel. Et après par contre, chaque cellule va
transmettre le X inactivé à sa descendance.
↪ Au niveau des cellules embryonnaires, on peut observer le corpuscule de Barr qui
correspond à l’X inactivé et qui a une forme extrêmement compactée.
14
■ Inactivation d’un chromosome X chez la femme : mécanisme principes généraux (2)
!
On se retrouve avec :
✓ un chromosome X = euchromatine active (expression des gènes)
✓ un chromosome X = hétérochromatine facultative, chromatine très condensée,
réplication tardive, inactive (pas de transcription).
↪ C'est donc un phénomène épigénétique : modification de l’expression des gènes sans
modification de séquence nucléotidique de l'ADN.
!
■ Le centre d’inactivation du chromosome X (noté ''XIC'')
!
✓ XIC se situe sur le q13 de X.
✓ On a identifié un transcrit produit par cette zone : XIST. Il s’agit d’un transcrit
spécifique d’inactivation qui correspond à un ARN de grande taille (17 kb). Cet ARN
ne sert pas à générer une protéine. Il agit directement dans l’inactivation.
Cet ARN est transcrit par les deux X :
✓ Pour un X : transcrit très instable, dégradation, X actif.
✓ Pour l’autre X : transcrit stabilisé qui s’accumule sur l’X (Xi)
Ensuite : l’Xi continuera à fabriquer uniquement une forme stable.
✓ Cette quantité d’ARN inactivateur serait régulée par la production possible d’une
ARN anti-sens : TSIX.
✓ TSIX inhiberait XIST quand il y a trop d’ARN inactivateur.
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
15
■ Mécanisme d’inactivation du chromosome X
!
!
!
!
!
L’inactivation se fait progressivement en partant de la région XIC. Ceci entraîne une très
forte compaction de ce X inactivé.
!
L’habillage de Xi par XIST est suivi de modifications sur Xi :
✓ Méthylation CpG des promoteurs des gènes → répression de l'expression des gènes
✓ Déacétylation/ méthylation des histones → répression
✓ Recrutement d’une histone variante (macroH2A)
✓ Réplication retardée générale du chromosome
✓ Compaction de la chromatine → pas d'expression
✓ Transformation de la chromatine en hétérochromatine
!
Pour le chromosome X actif :
✓ Forte méthylation CpG du gène XIST (répression)
✓ Acétylation des histones (activation) dans les régions nécessaires.
!
16
Un petit nombre de gènes échappent à l’inactivation :
✓ Ceux de la région pseudo-autosomique (c'est une petite région commune à X et Y)
✓ Plusieurs gènes du bras court de X
Certains de ces gènes ayant un équivalent fonctionnel sur Y, leur inactivation n’est donc pas
justifiée !
!
■
!
L’inactivation du X en pathologie
Conséquences de l’inactivation de l'X :
✓ Chaque femme constitue une mosaïque somatique (Proportion variable de cellules
où l’un ou l’autre des deux X est inactivé).
✓ Compensation de l’effet de dosage génique : Hommes : 1X activé / Femme : 1X
activé + 1X inactivé).
✓ Une femme conductrice peut avoir des symptômes d’une maladie récessive liée à
l’X, mais sous forme atténuée. Car il y a un certain nombre de cellules où c’est l’X
normal qui est inactivé et l’X pathologique reste actif (Exemple : 10 % des
conductrices de la myopathie de Duchenne ont des manifestations cliniques :
hypertrophie des mollets, faiblesse musculaire).
!
Nombreuses pathologies liées à l’X:
✓ anomalies chromosomiques de nombre et de structures: délétion, duplication,
anneaux… En général, le X anormal est inactivé.
✓ dans le cas de translocation X sur autosome, on peut avoir un problème de
perturbation sur les mécanismes d’inactivation suivant le type de translocation et la
relocalisation du fragment de l’X, en particulier la région Xic. et donc on a une
portion de X qui s'exprime alors qu'il ne devrait pas.
✓ on a beaucoup de maladies géniques liés a l’X ; ex : hémophilie, myopathie de
Duchenne, maladie de mencaisse … On va avoir certaines possibilités de femmes
conductrices exprimant certains symptômes. On sait que les conséquences cliniques
des anomalies liées à l’X chez la femme d’une façon générale peuvent dépendre :
d’inactivation aléatoire mais aussi d’anomalies de l’inactivation...
!
III. Les empreintes génomiques parentales
!
!
1. Définition
C’est là encore un phénomène d’épigénétiques.
✓ Il s’agit d’un mécanisme physiologique qui conduit à l’inactivation de l’un des deux
allèles parentaux pour certains gènes.
17
!
■
!
✓ Cela concerne une fraction du génome: certains gènes sont toujours exprimés à partir
de l’allèle paternel, alors que d’autres le sont à partir de l’allèle maternelle.
✓ Cette empreinte constitue une information dite épigénetique : modification de
l’information contenue dans l’ADN sans modifications de la séquence d’ADN.
✓ On suppose environ 200 gènes concernés dont au moins 50 qui subissent ce
phénomène.
Concept d’empreinte parentale: observations
On a mis ce concept en évidence en faisant des expériences chez les mammifères. Voici ce
que l’on observe:
!
!
!
✓ Les cas de diandrie: on a par accident le développement d’un œuf sans génome
maternel. On obtient un moles hydatiformes c-a-d un développement anarchique de
tissu embryonnaire trophoblastique avec absence quasi-totale de développement
embryonnaire.
✓ Dans le cas opposé : parthénogénèse fémimine, on a uniquement du génome maternel.
Il y a développement d’un œuf non fecondé par le spermatozoide après activation et
duplication du pronucléus femelle. Il se forme des cas de tératomes ovariens avec
développement de tissu embryonnaire différencié mais complètement désorganisé,
avec absence de développement des annexes. On sait que cela est du à un certain
nombre de gènes dont les allèles ne sont pas présents.
↪ Retenir de ces expériences: Il y a une influence du génome maternel dans le
développement embryonnaire et du génome paternel dans le développement des
annexes. Les 2 génomes sont requis pour un développement embryonnaire normal.
18
!
2. Les bases moléculaires des empreintes
Il y a un certain nombre de gènes soumis à cette empreinte:
✓ qui sont impliqués dans le contrôle de la croissance fœtale.
✓ qui sont organisés en clusters au sein de régions dites soumises à empreinte.
✓ ils subissent une régulation au niveau de ces régions qui se fait par des centres de
contrôle de l’empreinte, ces régions sont riches en ilots CpG.
✓ dans une même région, tous les gènes ne sont pas soumis à empreinte;
✓ dans une même région, tous les gènes ne sont pas exprimés du même parent:
empreinte paternelle ou maternelle.
✓ La majorité des gènes connus soumis à empreinte présente une différence de
méthylation d’ADN entre les deux allèles parentaux.
✓ La méthylation sera dite ‘’différentielle’’ au niveau de RMD (Region à Méthylation
Différentielle).
✓ Cela va permettre de contrôler expression spécifique d’un gène en fonction de
l’origine parentale.
!
Cette méthylation peut agir comme un blocage de la transcription :
✓ soit en recrutant des complexes multi protéiques au niveau du site d’initiation de
transcription,
✓ soit en modifiant l’architecture de la chromatine.
!
Ce contrôle de la transcription fait intervenir : la méthylation des promoteurs ou de séquences
régulatrices, la fixation d’éléments isolants...
!
!
3. La méthylation du promoteur
!
Dans cet exemple, un gène est soumis à l’empreinte parentale et donc c’est l'allèle paternel
qui s’exprime, car sur le chromosome maternel, la transcription est inhibée par méthylation
du promoteur.
19
4. Méthylation d’une séquence régulatrice (inhibitrice)
!
Il s’agit ici d’une activité inhibitrice de la transcription. Si cette séquence est méthylée sur le
gène paternel → on lève l’inhibition et donc on a l’expression du gène. Si l’allèle du père
doit être exprimé, il y aura alors une méthylation permettant l’expression du gène par levée
de l’inhibition. Et il y aura une absence de méthylation chez la mère permettant la répression
du gène par conservation de l’inhibition.
En gros: du côté maternel, il n’y a pas de méthylation, il n’y a donc pas d’expression de
l’allèle.
Donc ici on favorise l'expression de l'allèle paternel.
!
!
5. Fixation d’éléments isolants
!
Certains gènes ont des mécanismes plus complexes avec possibilité de fixations de protéines
isolantes.
Sur le chromosome paternel (premier dessin) : La méthylation empêche la fixation de la
protéine isolante (ici CTCF). Donc le gène 2 s’exprime, puisque la protéine isolante ne peut
pas se fixer. Pas le gène 1. En revanche, s’il y avait absence de méthylation, cela permettrait
20
la fixation de la protéine isolante, et donc une inactivation du gène 2 et l’expression du gène
1.
Même chose que le schéma 3 mais en plus simple:
!
!
!
6. Transmission de l’empreinte
✓ L’empreinte doit être reconfigurée à chaque génération pour modifier le profil de
méthylation du chromosome reçu du parent de sexe opposé. L'empreinte sera fonction du
sexe de l’embryon donc il faut absolument qu’elle soit effacée au niveau des cellules
germinales. Ce qui implique un processus en 2 étapes :
1. Dans les cellules germinales primordiales, il y a un effacement de l’empreinte
préexistante
2. Au cours de la gamétogenèse, cette empreinte va être restaurée : il va y avoir
maturation de l’empreinte par ces mécanismes de méthylation différentielle.
✓ Ces phénomènes de reconfiguration d’empreintes sont spécifiques de la lignée
germinale,. Il est indispensable que l'empreinte soit effacée et remise en place.
!
Schéma : Dans la lignée germinale, il y aura dans les gamètes, un effacement de
l’empreinte au cours de la méiose puis un rétablissement au niveau des gamètes mâles ou
femelles lors de la maturation.
!
Il existe des anomalies qui vont donner un certain nombre de maladies particulières qui
peuvent être dues soit à :
✓ La délétion d’un gène soumis à empreinte (sur un des deux chromosomes),
✓ Phénomènes d'épimutations : des altérations de la méthylation du gène. Il n’y aura
plus l’empreinte et donc il va avoir des expressions anormales.
✓ D’autres types de mutations de façon plus ponctuelles sur certains gènes soumis à
empreintes qui vont engendrer des pathologies particulières.
!
21
C’est le cas de la maladie Prader Willi ou d’Angelman, deux maladies qui correspondent à
une délétion soit du gène paternel ou maternel respectivement, dans une région du
chromosome 15 qui est 15q11-q13.
C’est le cas du syndrome de Bsckwith Wiedeman dans la région 11p15.
!
■
!
Empreinte parentale
✓ Un gène est soumis à empreinte lorsque l’expression de ce gène dépend de son
origine parentale (maternelle ou paternelle).
✓ Un gène peut être soumis à empreinte seulement dans un tissu particulier. Il y a par
exemple des gènes qui sont soumis à empreinte uniquement dans le placenta, ou à un
moment particulier, par exemple au cours du développement embryonnaire.
✓ Les gènes soumis à empreintes sont le plus souvent regroupés dans des domaines
chromatiniens contrôlés par un centre d’empreintes ou centre d’inactivation.
✓ On connaît actuellement chez l’homme plus de 50 gènes soumis à empreinte parentale
et on estime qu’il en existe probablement 5 à 10 fois plus.
✓ Il peut exister chez l’individu diploïde des pathologies liées aux empreintes parentales
qui peuvent être dues à ce que l’on appelle la disomie uniparentale (DUP). La DUP
correspond au fait que chez un individu, les deux exemplaires d’un chromosome ou
d’une portion de chromosomes sont hérités d’un seul et même parent. Cela pose
problème si sur ce chromosome ou cette portion de chromosome, s'il y a des gènes
soumis à empreintes parentales, sinon ça ne pose pas de problèmes.
!
!
7. Conséquences en clinique humaine
!
1. Délétion chromosomique
!
!
!
✓ Une délétion touchant une région chromosomique va entraîner une absence
d’expression résultant de la perte de la séquence correspondante.
✓ En fonction du chromosome délaité, la conséquence sur le phénotype peut être
variable
✓ Il se trouve que la partie délétée peut comporter des gènes à empreinte : c’est le cas
des deux pathologies PWS (Prader Willi) ou AS (Angelman). Ces syndromes peuvent
être provoqués par une délétion sur le chromosome 15q11-q13 sur le chromosome
paternel ou sur le chromosome maternel respectivement.
22
!
(elle lit le tableau)
Pour les gènes impliqués :
. Dans Angelman, le gène UBE3A qui s’exprime par le biais du chromosome maternel, et
comme dans cette région il y a des gènes soumis à empreinte : ça pose pbl.
. Dans Prader- Willi, il s’agit d’un ensemble de gènes, dont le gène SNRPN.
!
!
!
Dans la situation normale, le gène paternel SNRPN et le gène maternel UBE3A s’expriment.
Dans le PWS (Prader-Willi Syndrom), il y a une perte de l’expression du gène SNRPN.
Dans l’AS (Angelman Syndrom), il y a une perte coté maternelle de l’expression du gène
UBE3A.
!
Le phénotype dépend du degré de la perte du segment du gène. Parfois, il peut y avoir une
modulation dans l’expression de ces gènes
!
!
23
2. Duplication
!
Il peut avoir une surexpression avec la présence en 2 exemplaires du gène maternel et/ou du
gène paternel par duplication d’une même région.
!
Pour le gène UBE3A par exemple :
Si ça se produit sur le gène paternel, il n’y aura pas de problème, l’inactivation va se
manifester.
Si ça se produit sur le chromosome maternel, on aura potentiellement des troubles liés à la sur
activation du gène UBE3A qui peuvent entraîner des phénomènes types autistique/
épileptiques.
!
!
!
Il s’agit d’un schéma montrant les gènes sur le chromosome 15. Remarquez la proximité des
gènes paternels SNRPN et maternels UBE3A et leurs domaines d’expression.
!
On ne parle plus de PWS ou d’AS, car dans ces deux syndromes il s’agit d’une perte soit du
gène maternel soit du gène paternel. Dans la duplication, il n’y a pas de perte des gènes
SNRPN et UBE3A, donc on ne parle pas de PWS ou AS.
!
!
24
3. Disomie uniparentale
!
Les 2 chromosomes de la paire ont une séquence normale, mais ils sont tous les deux hérités
du même parent. Les 2 chromosomes auront la même empreinte. Le gène qui devrait
s’exprimer sur le chromosome d’empreinte opposée va rester inactif donc il est inactif sur les
deux.
!
Par exemple, une disomie uni parentale maternelle (on a deux fois le chromosome 15
d’origine maternelle), ce qui fait qu’on aura UBE3A qui s’exprime, et l’absence du gène
SNRPN ou les autres gènes soumis à l’empreinte qui s’exprime à partir du gène paternel.
!
C’est le cas sur le schéma : le chromosome paternel est absent entraînant une absence de
l’expression du gène SNRPN et une surexpression du gène maternel UBE3A. Il s’agit d’un
Prader Willi mais avec une symptomatologie associée à une surexpression de UBE3A.
!
!
4. Mutations du centre d’empreinte
!
!
✓ Le centre d’empreinte IC est la région qui contrôle cette mise en place de l’empreinte
et qui la maintient au niveau d’une région chromosomique particulière.
✓ S’il y a des mutations, il y aura une perturbation du fonctionnement et de la mise en
place entraînant un PWS et un AS.
25
!
✓ Dans certains cas, les mutations du centre d’empreinte peuvent entraîner une
impossibilité à assurer la réversion d’une empreinte paternelle en une empreinte
maternelle (ou inversement) au niveau des gamètes.
✓ D’où une transmission d’une empreinte ne correspondant pas au sexe du parent
transmetteur, et donc l’existence chez l’enfant de 2 chromosomes porteurs de la même
empreinte (paternelle ou maternelle selon les cas) alors qu’il n’y a pas de disomie
uniparentale.
✓ Il y a donc une impossibilité de transformer l’empreinte reçue du parent du sexe
opposé lors de la gamétogenèse.
Sur le schéma le chromosome transmis par le père a gardé une empreinte de type maternelle
au niveau de la région considérée qui exprime donc les gènes normalement transcrits à partir
du chromosome maternel. Il y aurait « comme un tableau de deux chromosomes maternels »
ATTENTION ! il ne s’agit pas d’une disomie. uniparentale !!! Il y a ici un PWS avec
surexpression du gène maternel.
!
✓ L’intérêt de connaitre le mécanisme permet d’orienter le conseil génétique, par
exemple pour le risque de récidive, en sachant l’origine de l’anomalie. Si l’anomalie
est accidentelle (délétion, duplication et DUP), le risque de récidive est faible. Mais si
l’anomalie est fonction du caryotype des parents, il s’agit d’une anomalie familiale,
donc le risque est plus élevé.
✓ Les mutations du centre d’empreinte entraînent un risque de récidive pouvant
aller jusqu’à 50%.
✓ D’où l’importance des explorations génétiques pour assurer un conseil génétique le
plus fiable possible.
!
!
9. Disomie uniparentale (DUP)
!
✓ La DUP est la présence chez un individu diploïde à 46 chromosomes, de deux
chromosomes homologues hérités d’un même parent.
✓ Les conséquences sont très variables mais la DUP va essentiellement impacter les
chromosomes qui renferment les gènes soumis à empreinte parentale, mais n’a pas
d’effet sur la fonction des gènes :
• Celui qui provient du père n’est pas actif : soumis à l’empreinte paternelle
• Celui qui provient de la mère n’est pas actif : soumis à l’empreinte maternelle
✓ Régulation épi génétique : méthylation de l’ADN
!
Les conséquences dépendent de l’origine parentale et du contrôle des gènes.
!
!
26
■ Disomie biparentale
!
!
Le cas normal est la disomie biparentale. La descendance hérite d'une copie de chromosome de
chacun des deux parents avec différentes combinaisons possibles.
!
!
!
!
!
27
!
Les causes qui expliquent ces différentes possibilités, sont des corrections de certaines
anomalies qui peuvent se produirent dans les cellules au cours de la fécondation, s’il y a une
mise en jeu de gamètes anormales. Il y aura différents cas :
✓ La complémentation gamétique va aboutir à une disomie uniparentale du fait
d’une absence d’emblée d’une paire de chromosomes homologues chez l’un des deux
gamètes. Lors de la fécondation, deux gamètes anormaux fusionnent. Ce sont des
combinaisons d’anomalies, ces phénomènes sont relativement rares. Mais peuvent
être viables.
✓ La correction d’une trisomie consiste en un mécanisme qui intervient au cours du
développement du zygote et des divisions cellulaires. Il peut y avoir une n o n disjonction anormale mais qui in fine corrige l’anomalie initiale aboutissant à soit une
disomie uniparentale soit à une disomie biparentale.
✓ La correction d’une monosomie consiste en un mécanisme qui intervient au cours
des mitoses entraînant une duplication du génome avec une anomalie de disjonction
qui corrige l’anomalie initiale aboutissant à une isodisomie uniparentale.
✓ La recombinaison mitotique entraîne une isodisomie uniparentale partielle.
!
!
■ Il y a deux types de disomie uniparentale :
✓ Isodisomie : présence de 2 copies du même chromosome provenant à l'origine de l'un
des 2 parents
✓ Hétérodisomie : les 2 chromosomes originaires du même parent sont différents
!
La mise en évidence de la DUP repose sur les techniques de biologie moléculaire avec des
marqueurs de polymorphisme de type microsatellites, pour essayer de tracer l’origine des
chromosomes. Double contribution de l’un des parents et non contribution de l’autre parent
au génotype.
28
10. Les mécanismes
1. La complémentation gamétique
!
Il y a une fécondation d’un gamète disomique à 24 chromosomes pour une paire
chromosomique donnée avec un gamète nullosomique à 22 chromosomes pour la même
paire chromosomique. Cela donne une disomie uniparentale.
2. La duplication d’une monosomie
!
Il s’agit d’une correction d’une monosomie. Il y a d’abord une fécondation d’un gamète
monosomique normal à 23 chromosomes pour une paire chromosomique donnée, avec un
gamète nullosomique pour la paire considérée, entraînant la formation d’un zygote
monosomique non viable. La duplication du chromosome présent en 1 seul exemplaire assure
la survie du zygote en instaurant une DUP qui sera toujours dans ce cas une isodisomie.
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
29
3. La correction de trisomie
!
!
Il y a fécondation d’un gamète disomique à 24 chromosomes pour une paire
chromosomique donnée, avec un gamète monosomique à 23 chromosomes pour la paire
considérée, entraînant la formation d’un zygote trisomique.
La correction d’un des éléments de la trisomie, par non disjonction mitotique ou par retard
de migration à l’anaphase, restaure la disomie.
Si la correction se fait au hasard, dans 1/3 des cas c’est le chromosome issu du gamète
monosomique normal qui est intéressé et il en résulte alors une disomie uniparentale.
!
Conclusion
!
Dans ces phénomènes de duplication il y a une dérégulation du mécanisme d’empreinte de
gènes spécifiques ou de régions du génome.
!!
!
✓
✓
✓
✓
Syndrome de Prader Willi (25- 30% des cas de PWS)
Syndrome d’Angelman
(10%)
Silver Russel (7% des cas. 2 copies du chromosome 7 maternel)
Beckwith-Wiedmann (gène IGF2) en 11p15
30