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Impression génétique et différenciation cellulaire

Impression génétique et différenciation cellulaire


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Il ne semble pas possible que ces deux processus puissent coexister :

1) L'empreinte génétique est le phénomène où les gènes s'expriment différemment selon le parent d'origine :

1a. Les segments d'ADN méthylés ne sont pas transcrits.

1b. Si la copie du gène provenant de maman est méthylée mais que la copie de papa ne l'est pas, alors seule la copie de papa sera exprimée (par exemple, syndrome de Prader Willi).

1c. La méthylation est préservée lors des divisions cellulaires.

1d. La méthylation est effacée lors de la gamétogenèse, lorsque les femelles effaceront les empreintes du père et ré-imprimeront selon l'empreinte maternelle avant la méiose.

Mais maintenant, je lis sur le rôle de l'épigénétique dans la différenciation cellulaire, et je découvre :

2) La différenciation cellulaire se produit avec des modèles de méthylation spécifiques à la lignée.

2a. Immédiatement après la fécondation (avant la première division cellulaire), le génome paternel subit une déméthylation.

2b. Le génome maternel subit une déméthylation au cours des premières divisions cellulaires.

2c. La différenciation cellulaire s'accompagne et peut-être même accomplie par une reméthylation progressive à la suite de ces « lingettes ».

Source pour 2) : http://labs.genetics.ucla.edu/fan/papers/HuangK_RM2010.pdf « Méthylation de l'ADN dans la différenciation cellulaire et la reprogrammation : une vue systématique émergente » Huang & Fan (2010). Régénération Méd. 5(4):531-44.

Je soupçonne qu'il n'y a pas de conflit et je me méprends simplement sur l'un, l'autre ou les deux. Sinon, comment un schéma de méthylation peut-il être effacé à la fois pendant la gamétogenèse et les premiers stades embryonnaires tout en restant héréditaire ?


Et si les régions imprimées étaient immunisées contre l'effacement ? En outre, vous pouvez confondre la méthylation de l'ADN et la méthylation des histones (?). La biochimie classique postule que les états de méthylation de l'ADN peuvent être transmis d'une cellule mère en division aux deux cellules filles car après la réplication de l'ADN, les deux chromosomes filles seront chacun hémi-méthylés, et une ADN méthylase qui trouve un site hémi-méthylé méthylera l'autre brin (comme un mécanisme d'édition corrective). La troisième chose à considérer dans votre question est que l'empreinte parentale est établie dans la lignée germinale. En termes d'effacement d'autres marques épigénétiques au cours de l'embryogenèse précoce, les seules présentes seraient celles impliquées dans la gamétogenèse. En d'autres termes, à notre connaissance, les gènes activés dans le développement musculaire ne sont jamais exprimés après la fécondation dans les cellules zygotiques qui donneront naissance aux cellules germinales primordiales, de sorte que ces marques épigénétiques spécifiques au muscle n'ont pas besoin d'être effacées dans l'embryon. Ni le sperme ni l'ovule n'ont jamais exprimé de myosine musculaire, etc.


Il existe probablement des définitions étroites et larges pour l'impression. Je suppose que l'histoire des recherches sur l'impression serait comme suit.

Initialement, les transmissions phénotypiques maternelles ou paternelles étaient reconnues et certaines de ces phénotypes semblaient parce que le gène responsable maternel ou paternel ne fonctionnait pas. Comme vous le savez, c'est clairement une impression.

Ensuite, la méthylation de l'ADN a été découverte et s'est avérée être responsable de l'inactivation des gènes d'empreinte définis ci-dessus. Cependant, la méthylation de l'ADN et la répression de l'expression par méthylation se produisent également pour d'autres gènes. Les cellules ES ont un schéma de méthylation de l'ADN distinct, ce qui peut probablement expliquer au moins partiellement le schéma d'expression génique distinct, je pense. De plus, la suppression de certains gènes suppresseurs de tumeurs par méthylation se produit au cours de la cancérogenèse. Il semble que la méthylation de l'ADN régule les expressions des gènes ainsi que l'empreinte définie ci-dessus. Je sais que les gens appellent toutes les régulations génétiques par empreinte de méthylation de l'ADN. C'est la définition large.


Contenu

Chez les organismes diploïdes (comme les humains), les cellules somatiques possèdent deux copies du génome, l'une héritée du père et l'autre de la mère. Chaque gène autosomique est donc représenté par deux copies, ou allèles, avec une copie héritée de chaque parent lors de la fécondation. L'allèle exprimé dépend de son origine parentale. Par exemple, le gène codant pour le facteur de croissance insulinomimétique 2 (IGF2/Igf2) n'est exprimé qu'à partir de l'allèle hérité du père. Bien que l'empreinte ne représente qu'une faible proportion des gènes des mammifères, ils jouent un rôle important dans l'embryogenèse, en particulier dans la formation des structures viscérales et du système nerveux. [13]

Le terme « empreinte » a été utilisé pour la première fois pour décrire les événements dans l'insecte Pseudococcus nipae. [14] Chez les pseudocoques (cochenilles) (Hemiptera, Coccoidea), le mâle et la femelle se développent à partir d'un œuf fécondé. Chez les femelles, tous les chromosomes restent euchromatiques et fonctionnels. Dans les embryons destinés à devenir des mâles, un ensemble haploïde de chromosomes devient hétérochromatinisé après la sixième division de clivage et le reste dans la plupart des tissus, les mâles sont donc fonctionnellement haploïdes. [15] [16] [17]

Cette empreinte pourrait être une caractéristique du développement des mammifères a été suggérée dans des expériences de reproduction chez des souris porteuses de translocations chromosomiques réciproques. [18] Des expériences de transplantation de noyaux chez des zygotes de souris au début des années 1980 ont confirmé que le développement normal nécessite la contribution des génomes maternel et paternel. La grande majorité des embryons de souris dérivés de la parthénogenèse (appelées parthénogénones, avec deux génomes maternels ou ovules) et de l'androgenèse (appelées androgénones, avec deux génomes paternels ou spermatozoïdes) meurent au stade ou avant le stade blastocyste/implantation. Dans les rares cas où ils se développent jusqu'aux stades post-implantation, les embryons gynogénétiques présentent un meilleur développement embryonnaire par rapport au développement placentaire, tandis que pour les androgènes, l'inverse est vrai. Néanmoins, pour ces derniers, seuls quelques-uns ont été décrits (dans un article de 1984). [19] [20] [21]

Aucun cas naturel de parthénogenèse n'existe chez les mammifères en raison de gènes imprimés. Cependant, en 2004, la manipulation expérimentale par des chercheurs japonais d'une empreinte de méthylation paternelle contrôlant la Igf2 gène a conduit à la naissance d'une souris (nommée Kaguya) avec deux ensembles maternels de chromosomes, bien qu'il ne s'agisse pas d'une véritable parthénogénone puisque des cellules de deux souris femelles différentes ont été utilisées. Les chercheurs ont réussi à utiliser un œuf d'un parent immature, réduisant ainsi l'empreinte maternelle et en le modifiant pour exprimer le gène Igf2, qui n'est normalement exprimé que par la copie paternelle du gène.

Les embryons parthénogénétiques/gynogénétiques ont deux fois le niveau d'expression normal des gènes d'origine maternelle et manquent d'expression des gènes exprimés paternellement, alors que l'inverse est vrai pour les embryons androgénétiques. On sait maintenant qu'il existe au moins 80 gènes imprimés chez l'homme et la souris, dont beaucoup sont impliqués dans la croissance et le développement embryonnaires et placentaires. [11] [22] [23] [24] La progéniture hybride de deux espèces peut présenter une croissance inhabituelle en raison de la nouvelle combinaison de gènes imprimés. [25]

Diverses méthodes ont été utilisées pour identifier les gènes imprimés. Chez le porc, Bischoff et al. ont comparé les profils transcriptionnels à l'aide de puces à ADN pour étudier les gènes exprimés de manière différentielle entre les parthénotes (2 génomes maternels) et les fœtus témoins (1 maternel, 1 génome paternel). [26] Une étude intrigante portant sur le transcriptome des tissus cérébraux murins a révélé plus de 1300 loci de gènes imprimés (environ 10 fois plus que précédemment rapporté) par séquençage d'ARN à partir d'hybrides F1 résultant de croisements réciproques. [27] Le résultat a cependant été contesté par d'autres qui ont affirmé qu'il s'agissait d'une surestimation d'un ordre de grandeur en raison d'une analyse statistique erronée. [28] [29]

Chez le bétail domestiqué, il a été démontré que les polymorphismes d'un seul nucléotide dans les gènes imprimés influençant la croissance et le développement du fœtus sont associés à des traits de production économiquement importants chez les bovins, les moutons et les porcs. [30] [31]

Cartographie génétique des gènes imprimés Modifier

En même temps que la génération des embryons gynogénétiques et androgénétiques discutés ci-dessus, des embryons de souris étaient également générés qui ne contenaient que de petites régions dérivées d'une source paternelle ou maternelle. [32] [33] La génération d'une série de telles disomies uniparentales, qui couvrent ensemble le génome entier, a permis la création d'une carte d'empreinte. [34] Ces régions qui, lorsqu'elles sont héritées d'un seul parent, donnent un phénotype discernable contiennent un ou plusieurs gènes imprimés. Des recherches plus poussées ont montré que dans ces régions, il y avait souvent de nombreux gènes imprimés. [35] Environ 80% des gènes imprimés se trouvent dans des grappes telles que celles-ci, appelées domaines imprimés, suggérant un niveau de contrôle coordonné. [36] Plus récemment, des criblages à l'échelle du génome pour identifier les gènes imprimés ont utilisé l'expression différentielle d'ARNm provenant de fœtus témoins et de fœtus parthénogénétiques ou androgénétiques hybridés à des microarrays de profilage d'expression génique, [37] l'expression de gènes spécifiques à l'allèle à l'aide de microarrays de génotypage SNP, [38 ] séquençage du transcriptome, [39] et pipelines de prédiction in silico. [40]

Mécanismes d'impression Modifier

L'impression est un processus dynamique. Il doit être possible d'effacer et de rétablir les empreintes à chaque génération afin que les gènes qui sont imprimés chez un adulte puissent encore être exprimés dans la progéniture de cet adulte. (Par exemple, les gènes maternels qui contrôlent la production d'insuline seront imprimés chez un mâle mais seront exprimés dans n'importe quel descendant du mâle qui hérite de ces gènes.) La nature de l'empreinte doit donc être épigénétique plutôt que dépendante de la séquence d'ADN. Dans les cellules germinales, l'empreinte est effacée puis rétablie selon le sexe de l'individu, c'est-à-dire dans le sperme en développement (lors de la spermatogenèse), une empreinte paternelle est établie, tandis que dans les ovocytes en développement (oogenèse), une empreinte maternelle est établie. Ce processus d'effacement et de reprogrammation [41] est nécessaire pour que le statut d'empreinte des cellules germinales soit pertinent pour le sexe de l'individu. Chez les plantes et les mammifères, deux mécanismes majeurs sont impliqués dans l'établissement de l'empreinte, à savoir la méthylation de l'ADN et les modifications des histones.

Récemment, une nouvelle étude [42] a suggéré un nouveau mécanisme d'empreinte héréditaire chez l'homme qui serait spécifique du tissu placentaire et indépendant de la méthylation de l'ADN (le mécanisme principal et classique de l'empreinte génomique). Cela a été observé chez l'homme, mais pas chez la souris, suggérant un développement après la divergence évolutive de l'homme et de la souris,

80 Mya. Parmi les explications hypothétiques de ce nouveau phénomène, deux mécanismes possibles ont été proposés : soit une modification des histones qui confère une empreinte à une nouvelle empreinte spécifique du placenta lieux ou, alternativement, un recrutement de DNMTs vers ces loci par un facteur de transcription spécifique et inconnu qui serait exprimé au cours de la différenciation précoce des trophoblastes.

Règlement Modifier

Le regroupement de gènes imprimés au sein de clusters leur permet de partager des éléments régulateurs communs, tels que des ARN non codants et des régions à méthylation différentielle (DMR). Lorsque ces éléments régulateurs contrôlent l'empreinte d'un ou plusieurs gènes, ils sont appelés régions de contrôle d'empreinte (ICR). L'expression d'ARN non codants, tels que l'ARN Igf2r antisens (Air) sur le chromosome 17 de souris et KCNQ1OT1 sur le chromosome humain 11p15.5, se sont avérés essentiels pour l'empreinte des gènes dans leurs régions correspondantes. [43]

Les régions à méthylation différentielle sont généralement des segments d'ADN riches en nucléotides de cytosine et de guanine, les nucléotides de cytosine étant méthylés sur une copie mais pas sur l'autre. Contrairement aux attentes, la méthylation ne signifie pas nécessairement le silence, l'effet de la méthylation dépend de l'état par défaut de la région. [44]

Fonctions des gènes imprimés Modifier

Le contrôle de l'expression de gènes spécifiques par empreinte génomique est propre aux mammifères thérians (mammifères placentaires et marsupiaux) et aux plantes à fleurs. L'empreinte de chromosomes entiers a été rapportée chez les cochenilles (genre : Pseudocoque). [14] [15] [16] [17] et un moucheron des champignons (Ciara). [45] Il a également été établi que l'inactivation du chromosome X se produit de manière imprimée dans les tissus extra-embryonnaires des souris et dans tous les tissus des marsupiaux, où c'est toujours le chromosome X paternel qui est réduit au silence. [36] [46]

La majorité des gènes imprimés chez les mammifères se sont avérés jouer un rôle dans le contrôle de la croissance et du développement embryonnaires, y compris le développement du placenta. [22] [47] D'autres gènes imprimés sont impliqués dans le développement postnatal, avec des rôles affectant la succion et le métabolisme. [47] [48]

Hypothèses sur les origines de l'impression Modifier

Une hypothèse largement acceptée pour l'évolution de l'empreinte génomique est « l'hypothèse du conflit parental ». [49] Également connue sous le nom de théorie de la parenté de l'empreinte génomique, cette hypothèse affirme que l'inégalité entre les génomes parentaux due à l'empreinte est le résultat des intérêts divergents de chaque parent en termes d'aptitude évolutive de leurs gènes. [50] [51] Les gènes du père qui codent pour l'empreinte gagnent en forme physique grâce au succès de la progéniture, aux dépens de la mère. L'impératif évolutif de la mère est souvent de conserver les ressources pour sa propre survie tout en fournissant une alimentation suffisante aux portées actuelles et suivantes. En conséquence, les gènes exprimés paternellement ont tendance à favoriser la croissance alors que les gènes exprimés par la mère ont tendance à limiter la croissance. [49] À l'appui de cette hypothèse, l'empreinte génomique a été trouvée chez tous les mammifères placentaires, où la consommation de ressources de la progéniture post-fécondation au détriment de la mère est élevée bien qu'elle ait également été trouvée chez les oiseaux ovipares [52] [53] où il y a relativement peu de transfert de ressources post-fécondation et donc moins de conflits parentaux. Un petit nombre de gènes imprimés évoluent rapidement sous sélection darwinienne positive, probablement en raison d'une co-évolution antagoniste. [54] La majorité des gènes imprimés présentent des niveaux élevés de conservation de la micro-synténie et ont subi très peu de duplications dans les lignées de mammifères placentaires. [54]

Cependant, notre compréhension des mécanismes moléculaires derrière l'empreinte génomique montre que c'est le génome maternel qui contrôle une grande partie de l'empreinte de ses propres gènes et des gènes paternels dans le zygote, ce qui rend difficile d'expliquer pourquoi les gènes maternels renonceraient volontairement leur dominance à celle des gènes d'origine paternelle à la lumière de l'hypothèse du conflit. [55]

Une autre hypothèse proposée est que certains gènes imprimés agissent de manière co-adaptative pour améliorer à la fois le développement fœtal et l'approvisionnement maternel en matière de nutrition et de soins. [9] [55] [56] Dans celui-ci, un sous-ensemble de gènes exprimés paternellement sont co-exprimés à la fois dans le placenta et dans l'hypothalamus de la mère. Cela se produirait grâce à une pression sélective de la coadaptation parent-enfant pour améliorer la survie du nourrisson. Paternellement exprimé 3 (PEG3) est un gène pour lequel cette hypothèse peut s'appliquer. [9]

D'autres ont abordé leur étude des origines de l'empreinte génomique d'un autre côté, arguant que la sélection naturelle opère sur le rôle des marques épigénétiques en tant que machinerie pour la reconnaissance des chromosomes homologues pendant la méiose, plutôt que sur leur rôle dans l'expression différentielle. [57] Cet argument est centré sur l'existence d'effets épigénétiques sur les chromosomes qui n'affectent pas directement l'expression des gènes, mais dépendent du parent d'où provient le chromosome. [58] Ce groupe de changements épigénétiques qui dépendent du parent d'origine du chromosome (y compris à la fois ceux qui affectent l'expression des gènes et ceux qui ne le font pas) sont appelés effets d'origine parentale et comprennent des phénomènes tels que l'inactivation paternelle de l'X chez les marsupiaux, distribution des chromatides chez les fougères, et même changement de type d'accouplement chez la levure. [58] Cette diversité d'organismes qui montrent des effets d'origine parentale a incité les théoriciens à placer l'origine évolutive de l'empreinte génomique avant le dernier ancêtre commun des plantes et des animaux, il y a plus d'un milliard d'années. [57]

La sélection naturelle pour l'empreinte génomique nécessite une variation génétique dans une population. Une hypothèse sur l'origine de cette variation génétique affirme que le système de défense de l'hôte responsable du silence des éléments d'ADN étrangers, tels que les gènes d'origine virale, a fait taire par erreur des gènes dont le silence s'est avéré bénéfique pour l'organisme. [59] Il semble y avoir une surreprésentation des gènes rétrotransposés, c'est-à-dire des gènes insérés dans le génome par des virus, parmi les gènes imprimés. Il a également été postulé que si le gène rétrotransposé est inséré à proximité d'un autre gène imprimé, il peut simplement acquérir cette empreinte. [60]

Malheureusement, la relation entre le phénotype et le génotype des gènes imprimés est uniquement conceptuelle. L'idée est un cadre travaillé en utilisant deux allèles sur un seul loci et héberge trois différentes classes possibles de génotypes. [61] La classe de génotypes hétérozygotes réciproques contribue à comprendre comment l'empreinte aura un impact sur la relation génotype à phénotype. Les hétérozygotes réciproques ont un équivalent génétiquement, mais ils sont phénotypiquement non équivalents. [62] Leur phénotype peut ne pas dépendre de l'équivalence du génotype. Cela peut finalement augmenter la diversité des classes génétiques, augmentant la flexibilité des gènes imprimés. [63] Cette augmentation forcera également un degré plus élevé dans les capacités de test et l'assortiment de tests pour déterminer la présence d'empreintes.

Lorsqu'un locus est identifié comme imprimé, deux classes différentes expriment des allèles différents. [61] On pense que les gènes imprimés hérités de la progéniture sont des expressions monoalléliques. Un seul locus produira entièrement son phénotype bien que deux allèles soient hérités. Cette classe de génotype est appelée empreinte parentale, ainsi que empreinte dominante. [64] Les modèles phénotypiques sont des variantes aux expressions possibles des génotypes paternels et maternels. Différents allèles hérités de différents parents hébergeront différentes qualités phénotypiques. Un allèle aura une valeur phénotypique plus grande et l'autre allèle sera réduit au silence. [61] La sous-dominance du locus est une autre possibilité d'expression phénotypique. Les phénotypes maternels et paternels auront une petite valeur plutôt que l'un hébergeant une grande valeur et faisant taire l'autre.

Des cadres statistiques et des modèles de cartographie sont utilisés pour identifier les effets d'empreinte sur les gènes et les traits complexes. Le parent d'origine allélique influence la variation du phénotype qui dérive de l'empreinte des classes de génotype. [61] Ces modèles de cartographie et d'identification des effets d'empreinte incluent l'utilisation de génotypes non ordonnés pour construire des modèles de cartographie. [63] Ces modèles montreront la génétique quantitative classique et les effets de dominance des gènes imprimés.

L'empreinte peut causer des problèmes de clonage, avec des clones ayant un ADN qui n'est pas méthylé dans les bonnes positions. Il est possible que cela soit dû à un manque de temps pour que la reprogrammation soit complètement réalisée. Lorsqu'un noyau est ajouté à un ovule lors du transfert nucléaire de cellules somatiques, l'ovule commence à se diviser en quelques minutes, par rapport aux jours ou aux mois nécessaires à la reprogrammation au cours du développement embryonnaire. Si le temps est le facteur responsable, il peut être possible de retarder la division cellulaire dans les clones, laissant le temps à une reprogrammation appropriée de se produire. [ citation requise ]

Un allèle du « callipyge » (du grec pour « belles fesses »), ou CLPG, gène chez le mouton produit de grosses fesses constituées de muscle avec très peu de graisse. Le phénotype à grosse fesse ne se produit que lorsque l'allèle est présent sur la copie du chromosome 18 hérité du père d'un mouton et est ne pas sur la copie du chromosome 18 hérité de la mère de ce mouton. [65]

La fécondation in vitro, y compris l'ICSI, est associée à un risque accru de troubles de l'empreinte, avec un odds ratio de 3,7 (intervalle de confiance à 95 % 1,4 à 9,7). [66]

Infertilité masculine Modifier

Des dérégulations épigénétiques au niveau du gène imprimé H19 dans le sperme ont été observées associées à l'infertilité masculine. [67] En effet, une perte de méthylation au niveau du gène imprimé H19 a été observée associée à l'hyperméthylation du promoteur du gène MTHFR dans des échantillons de sperme de mâles infertiles. [68]

Prader-Willi/Angelman Modifier

Les premiers troubles génétiques imprimés à être décrits chez l'homme étaient le syndrome de Prader-Willi et le syndrome d'Angelman, hérités réciproquement. Les deux syndromes sont associés à une perte de la région chromosomique 15q11-13 (bande 11 du bras long du chromosome 15). Cette région contient les gènes exprimés paternellement SNRPN et NDN et le gène exprimé maternellement UBE3A.

  • L'hérédité paternelle d'une délétion de cette région est associée au syndrome de Prader-Willi (caractérisé par une hypotonie, une obésité et un hypogonadisme).
  • L'hérédité maternelle de la même délétion est associée au syndrome d'Angelman (caractérisé par l'épilepsie, des tremblements et une expression faciale perpétuellement souriante).

DIRAS3 (NOEY2 ou ARH1) Modifier

DIRAS3 est un gène d'expression paternelle et d'empreinte maternelle situé sur le chromosome 1 chez l'homme. L'expression réduite de DIRAS3 est liée à un risque accru de cancers de l'ovaire et du sein dans 41% des cancers du sein et de l'ovaire, la protéine codée par DIRAS3 n'est pas exprimée, suggérant qu'elle fonctionne comme un gène suppresseur de tumeur. [69] Par conséquent, si la disomie uniparentale se produit et qu'une personne hérite des deux chromosomes de la mère, le gène ne sera pas exprimé et l'individu court un plus grand risque de cancer du sein et de l'ovaire.

Autre Modifier

L'« hypothèse du cerveau imprimé » soutient qu'une empreinte déséquilibrée peut être une cause d'autisme et de psychose.

Chez les insectes, l'empreinte affecte des chromosomes entiers. Chez certains insectes, l'ensemble du génome paternel est réduit au silence dans la progéniture mâle et est donc impliqué dans la détermination du sexe. L'empreinte produit des effets similaires aux mécanismes chez d'autres insectes qui éliminent les chromosomes hérités paternellement chez la progéniture mâle, y compris l'arrhénotoky. [72]

Chez les espèces placentaires, le conflit parent-progéniture peut entraîner l'évolution de stratégies, telles que l'empreinte génomique, pour que les embryons subvertissent l'approvisionnement en nutriments maternels. Malgré plusieurs tentatives pour le trouver, l'empreinte génomique n'a pas été trouvée chez l'ornithorynque, les reptiles, les oiseaux ou les poissons. L'absence d'empreinte génomique chez un reptile placentaire, le Pseudemoia entrecasteauxii, est intéressante car on pensait que l'empreinte génomique était associée à l'évolution de la viviparité et du transport des nutriments placentaires. [73]

Des études sur le bétail domestique, comme les bovins laitiers et les bovins de boucherie, ont impliqué des gènes imprimés (par exemple IGF2) dans une gamme de traits économiques, [74] [75] [30], y compris la performance laitière chez les bovins Holstein-Friesian. [76]

Un phénomène d'empreinte similaire a également été décrit chez les plantes à fleurs (angiospermes). [77] Au cours de la fécondation de l'ovule, un deuxième événement de fécondation distinct donne naissance à l'endosperme, une structure extra-embryonnaire qui nourrit l'embryon d'une manière analogue au placenta de mammifère. Contrairement à l'embryon, l'endosperme est souvent formé de la fusion de deux cellules maternelles avec un gamète mâle. Il en résulte un génome triploïde. Le rapport de 2:1 entre les génomes maternels et paternels semble être critique pour le développement des graines. Certains gènes sont exprimés à partir des deux génomes maternels tandis que d'autres sont exprimés exclusivement à partir de la seule copie paternelle. [78] Il a été suggéré que ces gènes imprimés sont responsables de l'effet de blocage triploïde dans les plantes à fleurs qui empêche l'hybridation entre les diploïdes et les autotétraploïdes. [79]


Établissement, maintien et effacement des empreintes

L'identification des premiers gènes imprimés (Igf2r, Igf2 et H19) en 1991 (Barlow et al., 1991 Bartolomei et al., 1991 DeChiara et al., 1991) a suscité des efforts initiaux pour élucider les mécanismes d'établissement, de maintien et d'effacement de l'empreinte, qui ensemble contrôlent le moment et le placement de l'empreinte génomique (Fig. . 1). La méthylation de l'ADN spécifique aux allèles des ICR a été recherchée comme le meilleur mécanisme candidat pour conférer des empreintes spécifiques aux parents après la fécondation. De plus, l'hypothèse selon laquelle des empreintes spécifiques aux parents sont imposées lorsque les génomes parentaux peuvent être distingués a incité les chercheurs à tester l'acquisition de la méthylation au cours de la gamétogenèse, lorsque les génomes maternel et paternel sont dans des compartiments séparés et peuvent être modifiés indépendamment. Il a été initialement montré que la méthylation paternelle spécifique du H19/Igf2 La RCI est acquise avant la naissance dans la prospermatogonia avant le début de la méiose dans la lignée germinale mâle (Davis et al., 2000). En revanche, la méthylation des ICR spécifiques à la mère se produit après la naissance dans les ovocytes en croissance, différents ICR étant méthylés à un moment légèrement différent au cours de la croissance des ovocytes (Lucifero et al., 2004). Dans les deux lignées germinales, la méthylation de l'ADN est établie par l'action de la de novo l'ADN méthyltransférase 3a (DNMT3A) et la protéine accessoire DNMT3L (Bourc'his et al., 2001 Hata et al., 2002 Kaneda et al., 2004 Okano et al., 1999). Bien qu'il reste mal compris comment des séquences spécifiques sont choisies pour la méthylation de l'ADN spécifique des allèles dans la lignée germinale, des travaux récents ont indiqué que la transcription par séquences ICR fournit une étape instructive clé pour les protéines de l'ADN méthyltransférase (Chotalia et al., 2009 Henckel et al. , 2012).

Établissement, maintien et effacement des empreintes génomiques au cours du développement de la souris. Les empreintes sont acquises de manière spécifique au sexe dans la lignée germinale mature (cercles vert clair) au cours du développement, les empreintes paternelles (chromosomes bleus) étant établies avant la naissance et les empreintes maternelles (chromosomes roses) étant établies après la naissance. Ces empreintes sont conservées malgré les changements globaux de la méthylation de l'ADN qui se produisent après la fécondation, qui incluent la déméthylation active du génome paternel et la déméthylation passive du génome maternel. Ces empreintes sont maintenues dans les tissus somatiques tout au long de l'âge adulte. Dans les cellules germinales primordiales (PGC, cercles vert foncé), les empreintes sont effacées (chromosomes gris) et réinitialisées pour la génération suivante.

Établissement, maintien et effacement des empreintes génomiques au cours du développement de la souris. Les empreintes sont acquises de manière spécifique au sexe dans la lignée germinale mature (cercles vert clair) au cours du développement, les empreintes paternelles (chromosomes bleus) étant établies avant la naissance et les empreintes maternelles (chromosomes roses) étant établies après la naissance. Ces empreintes sont conservées malgré les changements globaux de la méthylation de l'ADN qui se produisent après la fécondation, qui incluent la déméthylation active du génome paternel et la déméthylation passive du génome maternel. Ces empreintes sont maintenues dans les tissus somatiques tout au long de l'âge adulte. Dans les cellules germinales primordiales (PGC, cercles vert foncé), les empreintes sont effacées (chromosomes gris) et réinitialisées pour la génération suivante.

Après la fécondation, les empreintes spécifiques aux parents doivent être maintenues malgré la reprogrammation étendue du génome et la déméthylation de l'ADN qui se produisent à ce moment-là (Bartolomei et Ferguson-Smith, 2011). En plus de l'action de l'ADN méthytransférase d'entretien DNMT1, qui méthyle le brin d'ADN nouvellement synthétisé, il est probable que la reconnaissance d'un cis-séquences d'acteurs par trans-les facteurs agissants offrent une protection contre la reprogrammation post-fécondation. Par exemple, le facteur maternel PGC7 (également connu sous le nom de STELLA ou DPPA3) joue un rôle général dans le maintien de la méthylation de l'ADN dans l'embryon de souris précoce, agissant via des interactions avec l'histone 3 diméthylée, les résidus de lysine 9 (Nakamura et al., 2012). De plus, l'homologue de protéine à doigt de zinc 57 (ZFP57) semble jouer un rôle plus spécifique dans la régulation des gènes imprimés. ZFP57 des mutations ont été identifiées chez des patients diabétiques néonatals transitoires et sont associées à une méthylation défectueuse de l'ADN à plusieurs loci imprimés (Mackay et al., 2008). En ligne avec cette, Zfp57 les souris null présentent une perte d'empreinte à de nombreux loci, mais pas à tous (Li et al., 2008). Il est possible que d'autres protéines encore à identifier maintiennent également la méthylation de l'ADN au niveau des ICR dans l'embryon précoce.

Enfin, pour compléter le cycle d'empreinte, le motif somatique des empreintes biparentales est effacé dans les cellules germinales primordiales (CPG), qui sont recrutées à partir des cellules somatiques de l'embryon précoce. Bien que ce processus d'effacement soit mal compris, il semble que les empreintes soient perdues par une série d'événements actifs et passifs, y compris ceux impliquant l'action de la famille de translocation dix-onze (Tet) des méthylcytosine dioxygénases, qui catalysent l'oxydation de 5- méthylcytosine à 5-hydroxyméthylcytosine (Dawlaty et al., 2013 Hackett et al., 2013 Yamaguchi et al., 2013), ainsi que l'action de la machinerie de réparation de l'ADN (Pastor et al., 2013). De plus, la méthylation de l'ADN nouvellement répliqué par DNMT1 est réprimée dans les PGC, probablement par la répression de Uhrf1, un facteur essentiel pour le recrutement de DNMT1 à la fourche de réplication (Kagiwada et al., 2012).


Matériaux et méthodes

Les hybrides F1 ont été générés en croisant réciproquement des souches de souris C57Bl/6J et PWK/PhJ. Des tissus de glande mammaire de souris provenant de souris F1 ont été collectés à LD-15 et disséqués. Au total, cinq hybrides C57BL/6 × PWK/PhJ F1 et quatre hybrides PWK/PhJ × C57BL/6 F1 ont été échantillonnés. Toutes les procédures expérimentales et de soins et de manipulation des animaux ont été effectuées conformément aux protocoles approuvés par le comité d'éthique de l'Institut de zoologie de Kunming, CAS.

Extraction et séquençage d'ARN

L'ARN total a été extrait en utilisant le réactif TRIzol (Life Technologies). Les concentrations d'ARN et les rapports A260 nm/A280 nm ont été quantifiés avec un spectrophotomètre NanoDrop ND-1000 (Thermo Scientific). Les échantillons d'ARN ont été séquencés sur une plate-forme Illumina X-Ten en suivant les protocoles spécifiés pour la préparation des échantillons de séquençage d'ARNm.

Lire l'alignement et l'affectation

Les lectures séquencées ont fait l'objet d'un contrôle de qualité à l'aide de Trimmomatic (v0.36) ( Bolger et al., 2014). Pour améliorer la qualité de l'alignement et minimiser les biais causés par les différences de distances génétiques entre les génomes parentaux et la séquence de référence, nous avons adapté une stratégie d'analyse précédente ( Crowley et al., 2015) en alignant les lectures séquencées sur les « pseudogénomes » parentaux. Plus tard, nous avons utilisé des pylapels et des bretelles pour transférer les coordonnées de chaque résultat de cartographie vers le génome de référence mm10 et identifier l'origine parentale des lectures ( Huang et al., 2014). Les IG ont été identifiés à l'aide du script ISoLDE suivant le workflow recommandé avec les méthodes par seuil et/ou par défaut (si plus de 3 × 2 réplicats étaient disponibles). L'attribution des lectures parentales et l'identification des IG sont décrites dans le matériel supplémentaire.

Les données RNA-seq de la lignée cellulaire HC11 ont été directement mappées sur le génome de la souris (mm10) à l'aide de Hisat2 (Kim et al., 2019) avec le fichier d'annotation du gène Ensembl (version 96) après contrôle de qualité de lecture. Le pipeline featureCounts a été utilisé pour produire un tableau du nombre de lectures au niveau du gène ( Liao et al., 2014). L'analyse de l'expression différentielle a été réalisée en utilisant edgeR ( Robinson et al., 2010).

Fichier d'annotation du transcriptome

Le fichier d'annotation des gènes pour l'identification des IG a été généré en fusionnant trois sources d'annotation, à savoir l'Ensembl ( Wang et al., 2011), RefSeq ( Andergassen et al., 2017) et les transcrits nouvellement assemblés à l'aide des données RNA-seq des individus hybrides séquencés dans cette étude et les données RNA-seq d'Andergassen et al. (2017). Les détails sont décrits dans le matériel supplémentaire .

Les IG a priori ont été récupérés sur www.geneimprint.com et www.har.mrc.ac.uk/research/genomic_imprinting. Les informations sur les termes GOBP associés aux gènes codant pour les protéines ont été extraites de la base de données Ensembl BioMarts pour la GSEA.

Analyse des données scRNA-seq

Les données scRNA-seq ont été téléchargées à partir de la base de données NCBI GEO publiée par le laboratoire de Walid T. Khaled (Bach et al., 2017). Les fichiers d'entrée ont été prétraités à l'aide du package Seurat (v3.1) ( Stuart et al., 2019). La qualité des cellules était contrôlée par le nombre total de gènes, les identifiants moléculaires uniques et le pourcentage de molécules mappées sur les gènes mitochondriaux. Les cellules ont subi une réduction de dimensionnalité préliminaire (des réductions dimensionnelles linéaires et non linéaires ont été effectuées par RunPCA et RunUMAP, respectivement) pour éliminer les cellules non épithéliales à l'aide de marqueurs cellulaires correspondants (par exemple, cellules épithéliales : Epcam, Cd24a, Cd29, Krt14 et Krt18 cellules immunitaires : Cellules endothéliales Cd74, Cd72 et Cd54 : Eng, S1pr1, et Emcn et cellules péricytaires : Des et Cspg4). Les clusters qui montraient une expression élevée de différents marqueurs de lignée épithéliale (par exemple, des clusters qui exprimaient simultanément des marqueurs basaux et luminaux) ont été classés comme des clusters doublets et ont été supprimés pour réduire l'impact potentiel sur les calculs bioinformatiques (Bach et al., 2017). Enfin, les cellules MaSC, basales, myoépithéliales et luminales ont été incluses pour une analyse en aval. Les données scRNA-seq n'ont séquencé qu'une petite fraction des transcrits présents dans chaque cellule, ce qui peut entraîner une quantification peu fiable des gènes avec une expression faible ou modérée et peut ainsi entraver l'analyse en aval ( Huang et al., 2018), y compris l'analyse PCC entre les gènes. paires. Par conséquent, nous avons utilisé SAVER pour récupérer l'expression des gènes. Pour réduire la charge de calcul et la consommation de temps, nous avons ré-échantillonné 500 cellules de chaque lignée si possible. Au total, 3843 cellules ont été utilisées pour la récupération de l'expression génique et le calcul du PCC en aval.

Annotation fonctionnelle des IG à l'aide de GSEA

Les PCC entre chaque gène ont été calculés dans R en utilisant le package Hmisc. Gènes significativement corrélés (P ≤ 0,01) avec des IG spécifiques ont été classés par PCC et ont été choisis pour l'évaluation de l'enrichissement GO à l'aide du package fgsea ( Sergushichev, 2016), ce qui signifiait utiliser les PCC classés au lieu de logFC classés pour l'analyse en aval. Nous avons établi une matrice d'association entre les IG et des ensembles de gènes GOBP significatifs (P ≤ 0,01), avec 1, -1 et 0 correspondant respectivement à une corrélation positive, négative et nulle. La carte thermique de l'enrichissement en GO a été tracée à l'aide de la carte pheatmap dans R.

Chantier IGN

Les modules de co-régulation ou de co-expression des IG ont été analysés à l'aide de Monocle-3 et WGCNA, respectivement. La matrice d'expression génique récupérée par SAVER a été utilisée pour cette analyse. Pour Monocle-3, find_gene_modules ont été utilisés pour la construction de modules avec les paramètres par défaut. Pour WGCNA, le profil de co-expression a été calculé avec des paramètres appropriés (par exemple, softPower = 12, type='signed', MEDissThres = 0,7) en utilisant des stratégies de construction de réseau et de détection de module étape par étape. Les IG distribués dans chaque module ont ensuite été récupérés. La connectivité entre chaque IG a été calculée de trois manières : (i) Directement en utilisant une valeur seuil appropriée (par exemple |PCC| ˃ 0,4 et P < 0,01) (ii) Construction de la connectivité à l'aide de WGCNA et « seuil = 0,1 » pour exporter le réseau vers Cytoscape (iii) Utilisation de la coupure de rang mutuel (MR) (MR < 575). Le calcul de la MR et la construction de l'IGN sont décrits dans la Documentation complémentaire. Les connexions au sein du réseau ont été démontrées par Cytoscape. Les fonctions biologiques des sous-réseaux ont été analysées à l'aide de DAVID avec les non-IG liés correspondants dans chaque sous-réseau, respectivement. Pour chaque IG, les fonctions biologiques indiquées ont été déduites par des non-IG co-exprimés à l'aide des fonctions enrichGO et enrichKEGG dans clusterProfiler ( Yu et al., 2012).

Essai de formation de dôme

Les cellules HC11 ont été cultivées dans du milieu RPMI-1640 additionné de 10 % de sérum bovin foetal (FBS), 5 µg/ml d'insuline, 5 µg/ml de sulfate de gentamicine et 10 ng/ml de facteur de croissance épidermique (EGF). Pour le test de différenciation lactogène, les cellules de confluence HC11 ont été privées de nourriture pendant 24 h sans EGF, suivies de l'ajout de milieu DIP (1 M de dexaméthasone, 5 g/ml d'insuline et 5 g/ml de prolactine).

Immunofluorescence

Les glandes mammaires à différents stades de développement ont été fixées dans du paraformaldéhyde à 4 % (PFA) et incluses dans de la paraffine. Pour l'immunofluorescence, les coupes ont été réhydratées dans de l'alcool gradué, avec récupération de l'antigène puis réalisée dans du tampon citrate de sodium 10 mM pendant 20 min. Les lames ont été bloquées pendant 2 h dans du sérum de chèvre à 10 %, puis incubées avec des anticorps primaires à 4°C pendant une nuit. Les lames ont été lavées avec une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) trois fois (5 min à chaque fois) et incubées avec des anticorps secondaires pendant 1 h à température ambiante. Les anticorps primaires utilisés étaient Sgce (1:100, Abcam) et Ube3a (1:100, Proteintech) et l'anticorps secondaire utilisé était un anti-lapin marqué à la fluorescéine (1:200, KPL).

QRT-PCR

L'ARN total a été extrait à l'aide du réactif TRIzol, puis converti en ADNc à l'aide d'un kit de réactifs PrimeScript™ RT conformément aux instructions fournies. Après cela, qRT-PCR a été réalisée sur un instrument QuantStudio 3 en utilisant SYBR Green PCR Master Mix. Les séquences d'amorces utilisées pour l'analyse qRT-PCR sont répertoriées dans le tableau supplémentaire S4.

Essai de formation de mammosphère

Les MaSC peuvent être maintenus et passés in vitro car les sphères cultivées en suspension et les comptages de mammosphères peuvent représenter une capacité d'auto-renouvellement ( Guo et al., 2012). Des cellules épithéliales de glande mammaire ont été cultivées comme indiqué précédemment ( Chakrabarti et al., 2012). Les cellules épithéliales primaires de la glande mammaire ont été transfectées avec des vecteurs puis ensemencées dans des plaques à 96 puits à fixation ultra-faible à une densité de 20 000 cellules/ml, puis incubées à 37°C pendant 2 semaines. Après cela, le nombre de mammosphères a été compté.

Test de transplantation

La suspension unicellulaire de cellules épithéliales mammaires avec Sgce knockdown a été préparé pour l'injection dans les coussinets adipeux nettoyés. Le test de transplantation a été réalisé avec différents nombres de Sgce cellules primaires mammaires knockdown remises en suspension dans 50 % de PBS et 50 % de Matrigel. La fréquence MaSC a été calculée à l'aide d'un essai de dilution limite extrême (ELDA) ( Lim et al., 2010).

Dosage ChIRP

Les informations sur les oligonucléotides formant triplex (TFO) ont été extraites du site Web LongTarget (http://lncrna.smu.edu.cn/show/download) ( Liu et al., 2017). Les séquences d'ARN en position 4–50 nt (TFO1) et 1870–1926 nt (TFO2) de H19 marqué à la biotine ont été utilisées. Ce test a été réalisé selon des protocoles précédemment publiés ( Postepska-Igielska et al., 2015) et nos recherches antérieures ( Wang et al., 2018). Dans cet essai, les noyaux cellulaires de la lignée cellulaire HC11 ont été soniqués (20 cycles, 30 s ON et 45 s OFF) et centrifugés à 10000 rpm pendant 5 min à 4°C.

Accès aux données

Les données de séquence brutes rapportées dans cet article ont été déposées dans le Genome Sequence Archive ( Wang et al., 2017a) au BIG Data Center, Beijing Institute of Genomics (BIG), Chinese Academy of Sciences, sous les numéros d'accession CRA001791 et CRA002258, qui sont accessibles au public à l'adresse http://bigd.big.ac.cn/gsa. Les numéros d'accession des autres données adoptées à partir du référentiel de données NCBI GEO et SRA sont respectivement GSE106273 et SRP067322.


Les gènes imprimés contrôlent l'allocation des ressources maternelles pendant la grossesse et l'allaitement

Cette pression sélective pour l'empreinte d'un gène a agi presque exclusivement à l'interface mère-progéniture, donnant aux gènes imprégnés un rôle unique dans l'influence de l'allocation des ressources maternelles. L'allocation des ressources maternelles dépend à la fois du conceptus et de la mère, et le rôle des gènes imprimés le reflète, l'action des gènes imprimés affectant les deux et impliquée dans la communication entre les deux. Les gènes imprimés qui agissent dans le conceptus pour moduler l'apport énergétique maternel peuvent être subdivisés en ceux agissant dans le placenta et ceux agissant dans le fœtus.

Acquisition de ressources fœtales via le placenta

La vitesse à laquelle les nutriments peuvent être fournis au fœtus en développement dépend du placenta. Le substrat principal de la croissance fœtale est le glucose. Le transfert de glucose materno-fœtal est médié par de multiples facteurs, notamment le gradient de concentration de glucose sanguin materno-fœtal, le débit sanguin et la densité du transporteur de glucose placentaire (Hay, 1991). Le transport placentaire des acides aminés vers le fœtus à partir de la circulation maternelle opère contre un gradient de concentration et est un processus dépendant de l'énergie nécessitant des protéines de transport spécialisées (Hay, 1991).

L'empreinte a été le plus largement étudiée chez l'homme et la souris. Ces organismes partagent une physiologie placentaire similaire : les deux utilisent un placenta hémochorial où le sang maternel circule à travers des espaces sinusoïdaux bordés de cellules trophoblastiques, plutôt qu'un endothélium, permettant un transfert de nutriments plus efficace (examiné dans Rai et Cross, 2014). Les populations distinctes de cellules du placenta, du trophoblaste et du mésoderme extra-embryonnaire, se différencient tôt dans l'embryogenèse, les cellules du trophoblaste envahissant la caduque utérine maternelle après la fécondation. Chez la souris, à mi-gestation, le placenta définitif est formé par intercalation du mésoderme extra-embryonnaire (qui formera le système vasculaire embryonnaire) avec des cellules trophoblastiques qui canalisent le flux sanguin maternel à travers le placenta. La partie du placenta où les circulations maternelle et fœtale sont étroitement opposées est connue sous le nom de labyrinthe chez la souris. Le trophoblaste se différencie ensuite en plusieurs types de cellules qui ont à la fois des propriétés endocriniennes et de stockage d'énergie (Rai et Cross, 2014).

L'action des gènes imprimés sur le développement placentaire et la capacité de transport des nutriments est bien établie et a fait l'objet d'un examen approfondi (Fowden et al., 2011 Monk, 2015). La plupart des gènes imprimés sont exprimés de manière monoallélique dans le placenta, et il a été démontré qu'ils contrôlent les processus de développement précoces qui établissent l'organe [par ex. Peg10 (Ono et al., 2006)]. De plus, les produits génétiques imprimés peuvent moduler la taille du labyrinthe et la surface d'échange [Igf2 (Sibley et al., 2004) et Protéine liée au facteur de croissance 10 (Grb10 Charalambous et al., 2010)] ainsi que la densité de ramification vasculaire [Aquaporine (Guo et al., 2016)]. Les gènes imprimés placentaires peuvent également influencer directement la physiologie maternelle en contrôlant la différenciation des cellules endocrines dérivées du trophoblaste (examiné dans John, 2017).

Gènes imprimés impliqués dans l'acquisition des ressources fœtales

L'absorption des nutriments par les tissus maternels et les taux de croissance fœtale sont des processus interconnectés (Hay, 1991). Les gènes imprimés peuvent agir directement sur les voies favorisant la croissance fœtale et, ainsi, augmenter la demande de ressources maternelles. La voie IGF est une voie majeure de promotion de la croissance fœtale et comprend deux composants clés codés par des gènes imprimés (Igf2 et Igf2r DeChiara et al., 1991 Lau et al., 1994 Wang et al., 1994). La croissance fœtale est également limitée par des gènes imprimés, y compris le Inhibiteur de kinase cycline-dépendante 1C [Cdkn1c (Tunster et al., 2011)] et Grb10 (Charalambous et al., 2003). Grb10 code une protéine adaptatrice qui agit en aval des récepteurs de la tyrosine-kinase pour inhiber la signalisation, et est un composant autorégulateur crucial de la cible mécaniste de détection des nutriments de la voie de la rapamycine (mTOR) (Hsu et al., 2011 Yu et al., 2011 ). Grb10 peut agir dans la même voie de signalisation que le promoteur de croissance fœtale Homologue de type delta 1 (Dlk1 Madon-Simon et al., 2014). Dlk1 est un gène exprimé de manière paternelle codant pour une protéine transmembranaire à passage unique qui peut être clivée pour produire une forme soluble qui circule dans le sang (Smas et al., 1997). Dlk1 les niveaux d'expression dans l'embryon sont positivement corrélés à la masse embryonnaire dans la seconde moitié de la gestation (Cleaton et al., 2016). Dlk1 la délétion provoque un retard de croissance (Cleaton et al., 2016 Moon et al., 2002) et la surexpression provoque une surcroissance indépendamment du placenta (da Rocha et al., 2009). La voie de signalisation par laquelle DLK1 agit n'a pas encore été élucidée. Cependant, la DLK1 du fœtus est sécrétée dans la circulation maternelle et agit pour modifier la réponse spécifique à la grossesse à la restriction nutritionnelle (Cleaton et al., 2016).

En résumé, les gènes imprimés dans le conceptus produisent des produits qui modifient l'allocation des ressources maternelles en : (i) modifiant la capacité de transport du placenta (ii) augmentant la demande fœtale de ressources par leur action sur le taux de croissance intrinsèque et (iii) signalant à la mère par la production d'hormones fœtales/placentaires qui modifient le métabolisme maternel.

Homéostasie énergétique et allocation des ressources pendant la grossesse

Le coût énergétique de la grossesse se répartit entre trois compartiments, à savoir l'énergie investie dans les produits de conception, l'énergie déposée sous forme de tissu adipeux chez la mère et l'énergie nécessaire au maintien de ces nouveaux tissus (Thomson et Hytten, 1961). Les humains et les rongeurs bien nourris accumulent des réserves de tissu adipeux pendant la grossesse dans la première moitié de la gestation (Herrera et Ortega-Senovilla, 2014 King, 2000). Le coût total de la grossesse est corrélé à l'adiposité avant la grossesse - les personnes ayant un indice de masse corporelle (IMC) plus élevé prennent plus de poids pendant la grossesse, à la fois la réserve de tissu adipeux et la masse conceptuelle (Prentice et Goldberg, 2000). Cela suggère que les réserves adipeuses chez la mère peuvent produire un signal au corps qui oriente le niveau d'allocation nutritionnelle après la conception (Prentice et Goldberg, 2000). La leptine et d'autres adipokines sont des candidats idéaux pour de telles molécules de signalisation.

La leptine, une cytokine sécrétée exclusivement par le tissu adipeux proportionnellement à la masse adipeuse, est un déterminant majeur impliqué dans la signalisation de l'état de la réserve énergétique aux voies centrales contrôlant l'appétit, la dépense énergétique et le comportement reproductif (van Swieten et al., 2014). L'action de la leptine sur le contrôle hypothalamique de l'homéostasie énergétique est complexe et une description détaillée dépasse le cadre de cette revue. En bref, la leptine envoie des signaux à ses récepteurs exprimés à la surface des neurones de premier ordre dans le noyau arqué de l'hypothalamus (ARH). Deux populations de neurones de l'ARH ont été bien définies : les neurones orexigènes neuropeptide Y (NPY)/Agouti-related peptide (AGRP), qui sont inhibés par la leptine, et les neurones anorexigènes à pro-opiomélanocortine (POMC), qui sont activés par leptine (revue dans van Swieten et al., 2014). Ces neurones se projettent sur des sites hypothalamiques secondaires, tels que le noyau paraventriculaire (PVN), qui contrôle le comportement alimentaire, et l'hypothalamus dorsomédial (DMH), qui régule le niveau d'activité neuronale sympathique. Une molécule de signalisation intermédiaire cruciale est le neuropeptide -melanocyte-stimulating hormone (αMSH), qui est sécrétée par les neurones POMC et agit sur les récepteurs de la mélanocortine pour médier les actions en aval de la leptine (van Swieten et al., 2014). AGRP antagonise αMSH. Simplement, un niveau élevé de leptine provenant de réserves adipeuses adéquates supprime l'appétit en désactivant les voies neuronales orexigènes et augmente la dépense énergétique en augmentant l'activité et l'activité neuronale sympathique. L'augmentation de l'activité neuronale sympathique augmente à son tour la température corporelle en activant l'expression de gènes thermogéniques dans le tissu adipeux brun et beige (van Swieten et al., 2014). De faibles réserves adipeuses entraînent une série de réponses opposées. Pris ensemble, ces mécanismes maintiennent un « point de consigne » homéostatique qui maintient le poids corporel dans une plage étroite.

Les modulations génétiques et environnementales des composants de la voie de signalisation de la leptine peuvent provoquer des altérations de la valeur de ces points de consigne, ou entraîner un échec à atteindre l'homéostasie. Par exemple, les chiots de souris exposés à un régime maternel riche en graisses pendant la période périnatale ne parviennent pas à établir une connectivité neuronale entre l'ARH et le PVN, ce qui entraîne une modification de la composition corporelle et une prédisposition aux maladies métaboliques à l'âge adulte (Vogt et al., 2014 ). Carence en leptine (ob/ob) les souris et les personnes présentant des mutations dans les composants de la voie centrale de la mélanocortine sont hyperphagiques et obèses – maintenant un point de consigne de poids corporel plus élevé en raison d'un déficit ou d'une résistance à la leptine (examiné par Farooqi et O'Rahilly, 2014).

Des études élégantes utilisant une thérapie de remplacement de la leptine chronométrée dans ob/ob des souris ont démontré que cette adipokine a un large rôle dans la reproduction (Malik et al., 2001). La signalisation de la leptine est requise pour la fertilité [en contrôlant la libération de gonadotrophine (Padilla et al., 2017)], la conception et l'implantation. De plus, la leptine est nécessaire pendant la période périnatale pour la lactation et pour les comportements maternels appropriés après la parturition (Malik et al., 2001).

La grossesse est associée à une résistance à la leptine. Les taux circulants de leptine augmentent dans le sang maternel au cours de la seconde moitié de la grossesse, cependant, l'expression des peptides orexigènes NPY et AGRP dans l'ARH reste stable. De plus, l'injection de leptine à des rates gravides ne supprime pas la prise alimentaire ni n'active les voies αMSH en aval (Ladyman et al., 2010). On pense que la résistance à la leptine en fin de grossesse est médiée par la sécrétion placentaire d'hormones, en particulier la famille de molécules de la prolactine et des lactogènes placentaires. L'injection intracérébroventriculaire de prolactine à des rats femelles imite la résistance à la leptine de la grossesse, et l'expression du récepteur de la prolactine est répandue dans les zones hypothalamiques associées à l'homéostasie énergétique (Ladyman et al., 2010). De manière cohérente, la suppression globale du récepteur de la prolactine chez la souris entraîne des modifications de l'homéostasie du glucose pendant la grossesse, cependant, la contribution de la signalisation de la leptine à ce phénotype n'a pas encore été explicitement testée (Rawn et al., 2015). Par conséquent, les interactions entre la sécrétion d'hormones placentaires et la sensibilité centrale à la leptine sont cruciales pour une réponse maternelle appropriée à la grossesse.

Une seconde adipokine, l'adiponectine, a des fonctions importantes pendant la grossesse. L'adiponectine est sécrétée par les adipocytes en fonction de leur taille et agit sur de multiples tissus, principalement pour augmenter la sensibilité à l'insuline (Stern et al., 2016). Les niveaux d'adiponectine chutent à la fois chez les rongeurs et chez les humains et restent faibles pendant la lactation (Combs et al., 2003 Howell et Powell, 2017). On pense que les faibles niveaux d'adiponectine au cours de la seconde moitié de la gestation augmentent la résistance à l'insuline maternelle, réduisant ainsi l'absorption maternelle de glucose et augmentant le gradient de concentration de glucose maternel-fœtal en faveur de l'absorption fœtale. Conformément à cela, les femmes enceintes obèses et les rongeurs résistants à l'insuline donnent naissance à de gros bébés et ont encore réduit les niveaux d'adiponectine (Howell et Powell, 2017). De plus, la supplémentation en adiponectine de souris obèses pendant la grossesse peut inverser à la fois la résistance à l'insuline maternelle et la prolifération fœtale (Aye et al., 2015).

Des expériences utilisant des modèles de suppression et de surexpression chez la souris ont démontré que les gènes imprimés jouent un rôle important dans l'homéostasie énergétique, ce qui entraîne une modification des niveaux d'adiposité, de production d'adipokine et de sensibilité à l'état d'équilibre. Cependant, bon nombre de ces altérations phénotypiques n'ont pas encore été testées directement pour leur contribution à l'issue de la grossesse, et les niveaux d'adipokine pendant la grossesse n'ont été mesurés que pour très peu de manipulations génétiques imprimées (les données disponibles pour les modèles murins publiés à ce jour sont résumées dans le tableau 2).

Murine models of imprinted gene regulation with details of energy homeostasis and maternal reproductive phenotypes and adipokine levels


Questions to answer & to ponder:

  • How might asymmetries be generated in the zygote?
  • How could two cells that express the same set of transcription factors, express different genes?
  • In terms of transcription factors and chromatin packing, why is it difficult to reverse differentiation?
  • Why might the organism want to reduce the number of stem cells it contains?
  • Based on your understanding of the control of gene expression, outline the steps required to reprogram a nucleus so that it might be able to support embryonic development.
  • What is necessary for cells to become different from one another - for example how do muscle cells and skin cells come to be different from one another?
  • What are the main ethical objections to human cloning? What if the clone were designed to lack a brain, and destined to be used for "spare parts"?

EPIGENETIC REGULATION AND MAMMALIAN GENOMIC IMPRINTING

Epigenetic mechanisms are heritable modifications to DNA and chromatin that do not involve changes in the DNA sequence itself but which can modulate gene expression and genome function [20, 21]. At the molecular level, epigenetic regulation involves chemical modifications to DNA such as methylation and hydroxymethylation, and to the histone proteins around which the DNA is wrapped, including acetylation, methylation, phosphorylation, and ubiquitylation and noncoding RNA (ncRNAs) action. It is becoming apparent that epigenetic modifications to developmental genes are very important cell-intrinsic programs that can interact with transcription factors and environmental cues to modulate cell maintenance and differentiation [22]. Indeed, epigenetic mechanisms seem to provide means for coordinately activating and repressing arrays of genes at specific steps in a differentiation pathway [23, 24].

During mammalian development, the vast majority of genes are expressed or repressed from both alleles. However, there are a small number of genes known as imprinted genes that are expressed monoallelically from either the maternally or paternally inherited chromosome [25]. Approximately 150 imprinted genes have been described in mammals (for a complete list, see http://www.mousebook.org/mousebook-catalogs/imprinting-resource) and are generally organised in clusters, although examples of singleton imprinted genes do exist [26, 27]. These clusters typically contain at least one ncRNA and both maternally and paternally expressed imprinted genes. An imprinting cluster is usually under the control of a DNA element called the imprinting control region (ICR), which consists of a differentially DNA-methylated region (DMR) on the two parental chromosomes (Fig. 2a). Thus, ICRs can be divided into those which are methylated on the paternally-inherited copy and those with maternally-inherited methylation. Imprints are usually established in the germline [28] and the deletion of a germline-derived ICR results in a loss of imprinting of multiple genes in the cluster [25] (Fig. 2b).

Imprinted genes are located in clusters that are under the control of the imprinting control region (ICR). (a) Mammalian somatic cells contain a maternally-inherited chromosome (pink) and a paternally-inherited chromosome (blue). Imprinted genes are located in clusters and can be expressed in the maternally-inherited chromosome and repressed from the paternally-inherited chromosome (green box A), or expressed in the paternally-inherited chromosomes and repressed from the maternally inherited chromosome (red box B). Imprinting in the cluster is regulated by a DNA element called the imprinting control region (ICR) that has differentially-methylated regions (DMRs) on the two parental chromosomes. (b) Mutations in the ICR can modify imprinting, thus affecting several genes in the cluster and resulting in a switch in the expression patterns with the paternally-inherited chromosome, thereby acquiring an epigenotype typical in the maternally-inherited chromosome, or vice versa.

There are also somatic or secondary DMRs that acquire their DMR status after fertilization. Somatic DMRs directly depend on the presence of a germline DMR [28]. Mapping experiments and germline DMR deletion experiments in mice demonstrate that the primary ICRs are essential to establish monoallelic expression and the secondary somatic DMRs play important roles in maintaining imprints [29–31].

It is well established that these parental-specific marks are assigned in the germline. At this time, both genomes are in distinct compartments and the modifications can be performed according to the sex of the transmitting gametes. During embryogenesis, the primordial germ cells (PGCs), which will give rise to the gametes, have the methylation patterns characteristic of somatic cells. However, in the genital ridges the imprints are erased during gamete formation to allow for re-establishment of new parental-specific marks (Fig. 3). After demethylation and differentiation of the PGCs, methylation is established at the ICRs in an allele-specific manner depending on whether the developing gamete is in the male or female germline. This occurs by a de novo methylation process catalysed by the DNMT3a DNA methyltransferase. DNMT3L is a regulatory co-factor of DNMT3a and is also required [32]. Maternal germline DMRs are found in gene promoters, whereas paternal germline DMRs are found in intergenic regions [28]. In male and female germ cells, DNA re-methylation occurs at different times of development. Paternal-specific methylation occurs prenatally in prospermatogonia before meiosis in the germline [33]. In contrast, maternal-specific ICR methylation takes place postnatally in growing oocytes [34]. We now know that many differentially-methylated regions are established in the germline. However, unlike imprints, they are not sustained after fertilisation [35]. Following fertilisation, a rapid, extensive reprogramming of the parentally-inherited genomes occurs and most DNA methylation is lost. However, the parental-specific imprint must be maintained during this period of dynamic epigenetic change and a memory of parental origin is propagated into daughter cells during somatic cell division (Fig. 3). Critical factors such as the Kruppel-like zinc finger protein ZFP57 protect imprints during the post-fertilisation epigenetic reprogramming period [36]. Somatic heritability is conferred by the DNMT1 DNA methyltransferase. DNMT1 acts with a maintenance function that recognizes newly replicated hemi-methylated DNA and places methylation on the newly replicated strand [37]. Indeed, DNMT1 and ZFP57 are repressed in PGCs, allowing new imprints to be established during gamete formation [38].

Establishment and maintenance of imprints during development. DNA methylation is erased in PGCs in the genital ridge. However, imprints are maintained in somatic cells throughout the organism’s lifetime. Imprints are acquired in a sex-specific manner in the germline: maternally and paternally-methylated ICRs gain DNA methylation in oocytes and sperm respectively for transmission to the next generation. Following fertilisation, the parental-specific imprints are maintained in the developing organism despite genome-wide reprogramming elsewhere. ZFP57 protects imprints during the post-fertilization epigenetic reprogramming period. DNMT3a and DNMT3L catalyse the de novo methylation process and DNMT1 participates in maintaining imprints in somatic tissues.


Teaching Resources & Other Classroom Activities

We believe that understanding the core concepts of epigenetic regulation discussed above is a critical learning objective for students, and below we discuss specific teaching strategies to achieve this. Most of the concepts covered in this review can be used to design a curriculum specific to epigenetics, as a unit in a college biology or human genetics course. This epigenetics unit will be most useful to students who have basic knowledge of chromatin structure and regulation of gene expression from introductory biology courses. Pedagogical tools such as in-class activities are excellent in helping students unpack some of the more challenging concepts in epigenetics. Several examples are provided here and can be scaled down in complexity for lower-division or introductory college courses. Finally, we believe that this review can also aid secondary biology teachers in designing an epigenetic unit and integrating it into their current curriculum.


Voir la vidéo: MOOC côté cours: La différenciation dune cellule souche (Décembre 2022).