L’empreinte parentale

3.5'Rôle'de'la'méthylation'de'l’ADN'dans'le'corps'des'gènes'

Les profils de méthylation à l’échelle du génome ont permis de révéler qu’une quantité importante de méthylation de l’ADN est en fait localisée dans le corps des gènes (Lister et al. 2009 ; Laurent et al. 2010).

Cette distribution est conservée à travers l’évolution et reflète probablement une fonction ancestrale de la méthylation de l’ADN (Feng et al. 2010 ; Zemach et al. 2010). La méthylation dans le corps des gènes est fréquemment retrouvée dans les gènes exprimés de façon ubiquitaire et elle est corrélée à la transcription (Ball et al. 2009). Bien que surprenantes, ces données sont cohérentes avec l’enrichissement de la marque H3K9me3 dans le corps des gènes (Vakoc et al. 2005). Une explication possible serait que la méthylation dans le corps des gènes régule l’efficacité de la machinerie d’élongation et empêche l’initiation de la transcription de promoteur interne alternatif (Maunakea et al. 2010).

Une autre fonction hypothétique de cette méthylation serait de réguler l’épissage via le recrutement du spliceosome par des MBPs. Par ailleurs, la méthylation de l’ADN pourrait permettre la modification des histones et altérer la position des nucléosomes. On sait d’ores et déjà que les marques des histones peuvent influencer l’épissage (Luco et al. 2010). Par ailleurs, des travaux supportent ces hypothèses en montrant un défaut d’épissage dans les cerveaux de souris mutantes pour MeCP2 (Young et al.

2005)

Cette découverte montre qu'il existe une asymétrie parentale et que les génomes parentaux ne sont pas fonctionnellement équivalents. Le terme d'empreinte parentale est alors suggéré. Les expériences qui suivirent permirent d’identifier les premiers gènes soumis à l’empreinte et démontrèrent que ce phénomène correspond à l’expression monoallélique d’un gène dépendant de l’origine parentale.

Il s’est avéré par la suite que la méthylation de l’ADN est un mécanisme moléculaire essentiel à la régulation de l’empreinte en déposant cette marque sur une région régulatrice, de façon différentielle entre le chromosome paternel et le chromosome maternel. La lecture de cette empreinte détermine l'expression d'un allèle, et la répression de l'autre. De nombreux efforts ont été effectués afin d’identifier des régions différentiellement méthylées entre les allèles et dix ans après la découverte des premiers gènes Igf2 et Igf2r, exprimés respectivement paternellement et maternellement, on compte aujourd’hui plus de 100 gènes soumis à l’empreinte chez la souris (www.mousebook.org) et presque autant chez l’Homme (Morison et al. 2005).

La régulation de l’expression monoallélique de ces gènes est essentielle pour le développement, la croissance fœtale, le métabolisme nutritif et le comportement chez l’adulte. Chez l’homme, de nombreuses maladies sont associées à défauts de régulation de l’empreinte tel que le syndrome de Prader-Willi, le syndrome d’Angelman et le syndrome de Silver-Russell.

La plupart des gènes soumis à l’empreinte sont regroupés dans des régions de 100 à 1000 kb. Ces régions sont riches en CpGs et sont différentiellement méthylées entre les deux chromosomes parentaux et permettent de réguler un ensemble de gènes soumis à l’empreinte, on parle alors de régions contrôlant l’empreinte (ICR : Imprinting Control Region). Il a en effet été montré que la délétion de Dnmt1 provoque la réexpression biallélique des gènes soumis à l’empreinte dans les embryons de souris (Li et al. 1993). Toutefois, d’autres facteurs et modifications épigénétiques

entrent en jeu dans les mécanismes d’empreinte comme les modifications des histones, les ARNs non codants et également le facteur CTCF.

Les mécanismes de l’empreinte nécessitent trois étapes principales : l’établissement, la maintenance et la suppression. Premièrement, l’établissement de la méthylation de l’ADN se produit dans les cellules germinales au cours de la gamétogenèse par les ADN méthyltransférases de novo DNMT3A et DNMT3B en association avec DNMT3L. En effet, l’absence de DNMT3L dans les oocytes cause une hypométhylation de l’ICR des gènes soumis à l’empreinte maternelle tels que SNRPN, Airn et PEG3 (Bourc’his et al. 2001 ; Kaneda et al. 2010). Ce défaut de méthylation induit soit une expression biallélique soit une absence d’expression démontrant le rôle critique de DNMT3L dans l’établissement de l’empreinte maternelle.

Tandis que l’invalidation chez les mâles provoque un arrêt prématuré de la spermatogenèse et ne permet donc pas l’analyse du statut de méthylation des RDMs. Deuxièmement, les marques mises en place sont transmises dans le zygote et maintenues au cours du développement et chez l’adulte. Pour cela, la méthylation des gènes soumis à l’empreinte échappe au processus de déméthylation qui a lieu dans l’embryon pré-implantatoire (Reik et al.

2001 ; Sasaki et al. 2008). Ensuite, les gènes non méthylés soumis à l’empreinte doivent faire face à la vague de méthylation de novo qui se produit après l’implantation. Bien que les mécanismes ne soient pas entièrement compris, ces gènes semblent être protégés de la méthylation par les modifications des histones H3K4me et l’acétylation (Fournier et al. 2002).

Enfin, la méthylation des gènes soumis à l’empreinte doit être effacée dans les cellules germinales primordiales (PGCs) afin de rétablir par la suite le caractère spécifique parental. La déméthylation active semble être le mécanisme privilégié via la déamination de la méthylcytosine en thymidine grâce à la déaminase AID. Les processus de réparation de l’ADN sont alors nécessaires afin de restaurer une cytosine (Popp et al. 2010). Un autre mécanisme possible impliquerait la déméthylation via la conversion de la méthylcytosine en hydroxyméthylcytosine via les protéines de la famille TET (Wu et al. 2010).

Figure 14. Dynamique de l’inactivation du chromosome X.

Les cellules ES au stade non-différencié possèdent deux chromosomes X actifs. La chromatine est dans un état permissif pour la transcription avec la méthylation de H3K36, H3K79 et l’acétylation des histones. En revanche, le recrutement des facteurs de pluripotence inhibe la transcription de l’ARN Xist. A partir du jour 2, Xist est exprimé et s’accumule autour d’un des chromosomes X. Un changement d’état chromatinien s’effectue, les marques répressives sont mises en place via notamment PRC2. L’état répressif est alors verrouillé entre le jour 4 et 8 par la mise en place de la méthylation de l’ADN qui assure le maintien de l’inactivation du chromosome X.