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Empreinte génomique parentale
et maladie endocrinienne
Empreinte génomique
Genomic imprinting
A. Pàldi*
Mots-clés : Empreinte génomique parentale - Expression monoallélique - Différence de méthylation - Réplication asynchrone.
Keywords: Genomic imprinting - Mono-allelic expression - Difference of
methylation - Asynchronous replication.
L’
empreinte génomique ou
parentale est un processus de
marquage épigénétique qui
permet aux cellules de l’organisme
de reconnaître l’origine paternelle
ou maternelle des allèles de certains
gènes possédant pourtant une
séquence nucléotidique identique.
Ce phénomène a été découvert au
début des années 1980 grâce à trois
types d’observation.
Les expériences de transfert de pronoyaux haploïdes entre les zygotes
fécondés ont révélé que les
embryons monoparentaux, possédant donc deux génomes d’origine
maternelle (gynogénotes ou parthénotes) ou paternelle (androgénotes),
n’étaient pas viables. La présence
simultanée du génome paternel et
du génome maternel dans le même
zygote est nécessaire pour le développement normal (1, 2). D’autre
part, les études de souris porteuses
de translocations chromosomiques
ont également permis de conclure
que les copies paternelle et maternelle de certains chromosomes (mais
pas de tous) sont nécessaires au
développement (3). Enfin, un certain
nombre de pathologies humaines et
de malformations chez les souris
sont de préférence transmises par le
père ou par la mère (4). Afin d’ex-
* École pratique des hautes études, Généthon,
Évry.
6
pliquer ces observations inattendues, une hypothèse a été avancée :
les allèles paternel et maternel de
certains gènes du génome ne s’expriment pas de façon identique au
cours du développement. Cette différence serait la conséquence d’un
marquage épigénétique différent sur
les allèles transmis par le père et par
la mère. On appelle les gènes
concernés “soumis à l’empreinte”.
Depuis la découverte du premier
gène soumis à l’empreinte chez la
souris, l’Igf2r, l’expression monoallélique en fonction de l’origine
parentale est devenue le critère
absolu d’identification des gènes
soumis à l’empreinte. Un gène est
considéré comme soumis à l’empreinte si un seul allèle est exprimé,
l’autre restant silencieux. La nature
active ou passive de l’allèle dépend
de son origine parentale. Cette définition est généralement acceptée et
utilisée. Néanmoins, nous savons
maintenant que la situation réelle
est plus complexe. L’analyse d’un
grand nombre de gènes soumis à
l’empreinte a révélé que la plupart
d’entre eux s’expriment de façon
bi-allélique au moins dans un tissu
et/ou à un stade du développement.
Il y a même des gènes qui ne s’expriment de façon mono-allélique
que dans un seul tissu, l’expression
étant bi-allélique dans tous les autres.
Nous sommes donc confrontés à
une situation paradoxale où il est
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très difficile de prouver qu’un gène
n’est pas soumis à l’empreinte. En
effet, il serait nécessaire d’analyser
l’expression allélique d’un gène
dans tous les tissus et à tous les
stades du développement, car c’est
seulement si l’expression bi-allélique est détectée partout qu’il est
possible de conclure que le gène
concerné n’est pas soumis à l’empreinte. Pour des raisons évidentes,
cette approche est impossible à réaliser. C’est probablement l’ambiguïté de la définition qui rend l’estimation du nombre de gènes
soumis à l’empreinte si difficile.
Sur la base de la rareté relative
des mutations dont le phénotype est
différent selon leur origine paternelle ou maternelle, le nombre de
gènes soumis à l’empreinte a été
estimé autour de 300. Mais des
études systématiques de l’expression allélique de 20 000 gènes chez
la souris ont suggéré que, pour plus
de 10 % d’entre eux, l’expression
d’un allèle parental est au moins
dix fois plus forte que celle de
l’autre (5).
Afin de mieux apréhender le phénomène de l’empreinte parentale, les
recherches se sont centrées sur les
questions suivantes :
● Comment l’empreinte est-elle
posée sur les allèles de gènes sans
en changer la séquence nucléotidique ? En effet, le marquage doit
être suffisamment stable pour être
transmis au cours des divisions
mitotiques, mais il doit être réversible au cours de la méiose. Les
mécanismes moléculaires épigénétiques, comme la méthylation de
l’ADN ou les modifications des histones, sont des candidats naturels
pour jouer ce rôle.
● À quel moment les gènes concernés
acquièrent-ils leur empreinte ?
● Quel est le rôle biologique du
phénomène de l’empreinte ?
Les premiers gènes soumis à l’empreinte ont été découverts en 1991 :
il s’agissait du gène qui code pour
un facteur de croissance, l’Igf2 et,
curieusement, du gène codant pour
son récepteur, l’Igf2r (6, 7). Depuis,
une centaine de gènes ont été décrits
comme étant soumis à l’empreinte
(voir la liste des gènes et des références bibliographiques : www.mgu.
har.mrc.ac.uk/research/imprinting/
imprinting2.html).
Il y a une bonne conservation de
l’empreinte parmi les mammifères.
Si un gène est soumis à l’empreinte
chez la souris, il y a de bonnes
chances pour que son homologue
chez l’homme ou chez un autre
mammifère le soit également. La
conservation au cours de l’évolution
suggère qu’il s’agit d’une caractéristique sélectionnée.
Il est intéressant de souligner que
les protéines codées par les gènes
soumis à l’empreinte ne possèdent
pas de fonction biochimique commune (8). Elles incluent facteurs de
transcription, enzymes métaboliques, récepteurs membranaires,
hormones, protéines de l’épissage
des ARN, etc. Il y a même des
gènes qui codent pour des ARN non
codants. La fonction biologique de
l’empreinte ne peut donc pas être
attribuée à un certain type d’activité
biologique.
Malgré l’identification d’un nombre
croissant de gènes soumis à l’empreinte, seuls quelques-uns ont été
analysés en détail. En sus de l’expression mono-allélique, ces gènes
partagent un certain nombre de
caractéristiques. On trouve souvent
à leur proximité des séquences
régulatrices qui portent une méthylation de cytosines différentes sur
les allèles paternel et maternel. La
méthylation allèle-spécifique a
même été utilisée comme critère
d’identification de nouveaux gènes
soumis à l’empreinte. Les régions
possédant une méthylation différen-
tielle sur les deux allèles portent le
nom de “régions méthylées différemment” (DMR). Les DMR les
mieux caractérisées sont celles des
gènes H19, Igf2, Igf2r, Snrpn, Gnas
et Gtl2. L’importance fonctionnelle
de ces régions pour l’expression
mono-allélique a été démontrée par
de nombreuses études de mutagenèse dirigée. Néanmoins, tous les
gènes soumis à l’empreinte ne se
caractérisent pas par des régions
régulatrices différemment méthylées sur les deux allèles. D’autre
part, la même région régulatrice,
différemment méthylée sur les deux
chromosomes, peut réguler l’expression de plusieurs gènes. En fait,
les gènes soumis à l’empreinte ne
sont pas distribués de façon aléatoire dans le génome. Ils sont le plus
souvent groupés dans des régions
génomiques bien distinctes, dont la
taille varie de quelques centaines de
kilobases à 2 ou 3 mégabases. Ces
régions contiennent à la fois des
gènes d’expression paternelle et
maternelle, mais également des
gènes d’expression bi-allélique.
Toutefois, ainsi qu’il l’a été mentionné précédemment, l’expression
mono-allélique peut être limitée
dans le temps et/ou l’espace. Il est
donc impossible d’être certain que
ces gènes d’expression bi-allélique
le sont en permanence !
La caractéristique la plus importante des régions génomiques qui
contiennent des gènes soumis à
l’empreinte est leur réplication
asynchrone dans toutes les cellules
somatiques de l’organisme (9, 10).
Les deux copies de la plupart des
régions du génome se répliquent à
peu près en même temps pendant la
phase S du cycle cellulaire. Ce
n’est pas vrai pour les régions
génomiques qui contiennent les
gènes soumis à l’empreinte, car la
région chromosomique d’origine
paternelle se réplique avant son
homologue maternel. Cette caractéristique est observée dans tous les
types cellulaires et indépendamment de l’expression des gènes de
la région. Elle concerne toutes les
séquences de la région, y compris
les séquences intergéniques et non
codantes, ou même les gènes dont
l’expression est habituellement biallélique. De plus, la réplication
asynchrone est la seule caractéristique des régions soumises à l’empreinte qui apparaît très vite après
la fécondation et disparaît dans la
lignée germinale juste avant l’entrée des cellules en méiose. En
effet, ni la méthylation des dinucléotides CpG, ni l’expression
mono-allélique ne sont une caractéristique permanente des gènes ou
des régions génomiques soumis à
l’empreinte parentale. Il n’y a que
la réplication asynchrone qui soit
observée en permanence dans les
cellules somatiques. Néanmoins,
l’importance de cette caractéristique est largement sous-estimée
dans la littérature, probablement
parce qu’il s’agit d’une différence
fonctionnelle entre deux régions
homologues. Comme pour l’expression mono-allélique, il semble
plausible qu’il s’agisse d’une
conséquence de l’empreinte plutôt
que d’une cause.
L’interprétation des autres caractéristiques des gènes soumis à l’empreinte, comme la méthylation, se
heurte à la même difficulté. S’agitil d’une cause ou d’une conséquence ? C’est dans cette optique
qu’il convient d’examiner les
mécanismes moléculaires du processus de l’empreinte. En plus de
l’existence de la méthylation différentielle des DMR, l’examen des
régions soumises à l’empreinte a
révélé des différences pour
d’autres types de modifications
épigénétiques, comme celles des
histones. Ces différences peuvent
conduire à un recrutement différentiel des protéines régulatrices
(comme la protéine CTCF) et,
ainsi, à l’établissement d’une structure chromatinienne particulière
des domaines chromosomiques
paternels et maternels et à un environnement nucléaire spécifique
à chacun d’eux (11). Toute différence structurale entre les copies
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et maladie endocrinienne
Empreinte génomique parentale
7
Empreinte génomique parentale
et maladie endocrinienne
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maternelles et paternelles des
régions soumises à l’empreinte
peut être considérée comme un
“mécanisme”, c’est-à-dire un
enchaînement d’événements moléculaires conduisant au fonctionnement différent des gènes parentaux
de la région concernée. Il est néanmoins tout à fait possible que les
différences de structure soient la
conséquence d’un fonctionnement
différent.
C’est pour surmonter cette difficulté
que beaucoup d’efforts se sont
concentrés sur l’étude de la chronologie de l’établissement de l’empreinte au cours du développement
et, plus particulièrement, dans la
lignée germinale mâle et femelle.
En effet, c’est seulement dans les
cellules germinales que les allèles
des deux parents sont présents séparément. Il est donc logique de penser que la lignée germinale est le
site “idéal” pour l’établissement de
toute différence épigénétique entre
les chromosomes parentaux et qu’il
devrait y être possible d’identifier
les premières marques de l’empreinte. Malheureusement, la grande
variabilité du processus entre les
différents gènes et régions n’a pas
permis de révéler l’étape critique de
l’établissement de l’empreinte. Au
contraire, il semble qu’il s’agisse
d’un processus continu tout au long
du développement et qu’il soit
impossible de déterminer quel type
de différence entre les homologues
parentaux est apparu avant les
autres (12).
L’autre grande question, encore
ouverte, est celle de la fonction biologique de l’empreinte parentale. La
plupart des scientifiques de ce
domaine s’accordent pour penser
que l’empreinte est propre aux
mammifères. Cet avis est basé sur le
fait qu’on peut observer la réplication parthénogénétique dans tous les
autres groupes taxonomiques, et
que la nécessité de disposer d’un
génome paternel et maternel n’est
observée que chez les mammifères.
Néanmoins, il n’y a pas de preuve
formelle que l’empreinte soit
absente chez les autres vertébrés ou
invertébrés. Au contraire, des observations suggèrent qu’un fonctionnement différentiel des deux allèles
parentaux serait présent chez la drosophile. Récemment, une étude a
démontré que, chez les oiseaux, les
régions homologues à celles soumises à l’empreinte chez les mammifères ont aussi une réplication
asynchrone.
Ainsi que mentionné précédemment, la conservation de l’empreinte au fil de l’évolution suggère
qu’il s’agit d’un phénomène sélectionné au cours de ce processus.
Mais quelle est la fonction qui procure un avantage sélectif ? En
adoptant une expression mono-allélique qui n’est rien d’autre qu’une
haploïdie fonctionnelle, les mammifères semblent renoncer à l’avantage de posséder deux copies du
même gène. N’importe quelle
mutation de l’allèle exprimé peut
être immédiatement sanctionnée
par la sélection, suggérant qu’il
pourrait exister un mécanisme compensateur de cet inconvénient ! Une
bonne douzaine d’hypothèses ont
été émises. La plupart d’entre elles
cherchent à expliquer le rôle de
l’empreinte par l’expression monoallélique des gènes concernés (1315). Le modèle théorique le plus
connu est basé sur le “conflit évolutionniste entre le père et la mère”
(16). Les deux parents n’ont pas le
même investissement dans la production de la descendance, car
seule la mère porte ses descendants
in utero. L’investissement des
femelles apparaît donc plus grand.
Selon ce modèle, cette répartition
des rôles conduit à une asymétrie
de la régulation du niveau d’expression de certains gènes à l’aide
d’un marquage épigénétique. Ce
modèle attribue comme les autres
un rôle primordial, d’une part, aux
transcrits dans le fonctionnement
des gènes et, d’autre part, aux gènes
soumis à l’empreinte dans le développement du fœtus. Ces deux
hypothèses restent à confirmer (17).
La difficulté majeure est donc de
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faire le lien entre l’expression
mono-allélique et l’avantage sélectif, ce qui représente un exercice
très difficile. D’autres hypothèses
proposent que la différence de
structure des deux homologues
pourrait jouer un rôle avantageux
indépendamment de l’expression
des gènes de la région (14, 15).
L’expression mono-allélique serait,
dans ce cas, un épiphénomène. Une
différence structurale des deux
régions chromosomiques homologues pourrait s’avérer nécessaire
pour l’interaction entre les paires
chromosomiques et faciliter le
processus de ségrégation correct
des chromosomes au cours des
divisions mitotiques. En revanche,
l’effacement de l’empreinte facilite
la recombinaison entre les homologues au cours de la méiose. Il est
intéressant de noter que les régions
soumises à l’empreinte sont caractérisées par une différence de fréquence des recombinaisons au
cours de la méiose mâle et femelle.
De plus, la réplication asynchrone
de ces régions dans les cellules
mitotiques est la seule caractéristique vraiment conservée entre
les espèces de mammifères, mais
aussi entre les mammifères et les
oiseaux (18).
Quelle que soit la véritable fonction
de l’empreinte, il est évident que
tout dysfonctionnement de ce processus a une influence sur l’expression des gènes concernés et représente une source de pathologie
héréditaire chez l’homme. En effet,
les défauts d’établissement de l’empreinte dans la lignée germinale, ou
le défaut de compensation d’une
mutation de l’allèle actif par l’allèle
inactif, conduit parfois à des maladies extrêmement graves, comme
les syndromes de Prader-Willi,
d’Angelman, de Beckwith-Wiedemann, etc. Au-delà de son intérêt
purement scientifique, la compréhension du processus de l’empreinte
parentale représente un enjeu
majeur pour l’élaboration de stratégies thérapeutiques face à ces
pathologies.
■
Références
1. McGrath J, Solter D. Completion of mouse
embryogenesis requires both the maternal and
paternal genomes. Cell 1984;37:179-83.
2. Surani M, Barton S et al. Development of
reconstituted mouse eggs suggests imprinting of
the genome during gametogenesis. Nature 1984;
308:548-50.
3. Cattanach BM, Kirk M. Differential activity of
maternally and paternally derived chromosome
regions in mice. Nature 1985;315:496-8.
4. Johnson DR. Hairpin-tail: a case of postreductional gene action in the mouse egg. Genetics 1974;76:795-805.
5. Nikaido I, Saito C et al. Discovery of imprinted
transcripts in the mouse transcriptome using
large-scale expression profiling. Genome Res
2003;13:1402-9.
6. Barlow D, Stöger R et al. The mouse insulinlike growth factor type-2 receptor is imprinted and
closely linked to the Tme locus. Nature 1991;
349:84-7.
7. DeChiara T, Robertson E et al. Parental
imprinting of the mouse insulin-like growth factor
II gene. Cell 1991;64:849-59.
8. Paldi A. Genomic imprinting: could the chromatin structure be the driving force? Curr Top
Develop Biol 2003;53:115-38.
9. Kitsberg D, Selig S et al. Allele-specific replication timing of imprinted gene regions. Nature
1993;364:459-63.
10. Knoll J, Cheng S et al. Allele specificity
of DNA replication timing in the Angelman/
Prader-Willi syndrome imprinted chromosomal
region. Nat Genet 1994;6:41-6.
11. Kanduri C, Pant V et al. Functional interaction of CTCF with the insulator upstream
of the H19 gene is parent of origin-specific and
methylation-sensitive. Curr Biol 2000;10:
853-6.
12. El-Maarri O, Buiting K et al. Maternal
methylation imprints on human chromosome 15
are established during or after fertilization. Nat
Genet 2001;27:341-4.
13. Moore T, Haig D. Genomic imprinting in
mammalian development: a parental tug-of-war.
Trends Genet 1991;7:45-9.
14. Paldi A, Jouvenot Y. Allelic trans-sensing and
imprinting. Results Probl Cell Differ
1999;25:271-82.
15. Pardo-Manuel DVF, Casa-Esperon EDL et al.
Natural selection and the function of genome
imprinting: beyond the silenced minority. Trends
Genet 2000;16:573-9.
16. Haig D, Graham C. Genomic imprinting and
the strange case of the insulin-like growth factor
II receptor. Cell 1991;64:1045-6.
17. Hurst L, McVean G. Growth effects of uniparental disomies and the conflict theory of genomic
imprinting. Trends Genet 1997;13:436-42.
18. Dünzinger U, Nada I et al. Chicken orthologues of mammalian imprinted genes are clustered on macrochromosomes and replicate asynchronously. Trends Genet 2005;21:488-92.
Le syndrome de Prader-Willi
et maladie endocrinienne
Empreinte génomique parentale
The Prader-Willi syndrome
M. Tauber*, G. Diene*, M. Glattard*, E. Bieth**
points FORTS
▲ Le syndrome de Prader-Willi (SPW) est une maladie génétique rare (incidence de 1/26 000 naissances).
▲ C’est la principale cause d’obésité syndromique.
▲ Le diagnostic est clinique et confirmé par la génétique.
▲ Le diagnostic peut et doit être fait en période néonatale devant toute hypotonie inexpliquée.
▲ À un âge plus tardif, les enfants présentent un retard statural associé à une obésité, liés à une atteinte hypothalamique.
▲ La prise en charge multidisciplinaire associée au traitement par hormone de croissance permet un développement staturopondéral optimal.
▲ Des efforts doivent être faits pour améliorer la prise en charge psychiatrique et les troubles de l’apprentissage.
▲ C’est le modèle de la maladie liée à l’empreinte génomique parentale.
▲ Les patients adultes sont souvent perdus de vue et très mal pris en charge.
▲ Il existe un centre de référence SPW labellisé en 2004.
Mots-clés : Maladie rare - Syndrome de Prader-Willi - Empreinte génomique - Obésité.
Keywords: Rare disease - Prader-Willi syndrome - Genomic imprinting - Obesity.
Centre de référence du syndrome de Prader-Willi, * Hôpital des enfants et** Service de génétique, CHU de Toulouse.
Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition (X), n° 1, janvier/février 2006
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