L’épigénétique, un nouveau domaine à explorer

Les phénotypes observés chez les animaux de rente sont déterminés par le génome, et par son fonctionnement conditionnant l’expression des gènes et orchestré par une strate d’informations dites épigénétiques [¹⁰]. Les marques épigénétiques sont d’une grande stabilité (héritabilité), mais aussi susceptibles d’être modulées, voire altérées, sous les effets de l’environnement. Une meilleure caractérisation de ces marques épigénétiques offre la possibilité d’améliorer notre compréhension de la construction des phénotypes (encadré).

ÉPIGÉNÉTIQUE ET PHÉNOTYPE

Les diverses cellules qui composent un individu possèdent le même patrimoine génétique, mais elles ne sont pas identiques car elles n’utilisent pas l’information génétique de la même façon. Elles expriment des profils de gènes dépendants du stade physiologique et du type cellulaire, par l’apposition de marques épigénétiques (^{figure 1}). Les modifications dans l’expression des gènes qui en résultent, sont transmissibles au cours des divisions cellulaires.

Dans le cadre de l’élevage bovin, les importants progrès de la sélection animale des dernières décennies ont été fondés sur la prise en considération de la génétique des animaux (génotypes) par des techniques de plus en plus performantes et mises en œuvre de plus en plus tôt (génotypage des embryons avant transfert). Cependant, pour qu’un caractère phénotypique d’intérêt pour l’éleveur (développement musculaire, production laitière, reproduction, etc.) s’exprime à partir du génotype sélectionné, les conditions environnementales adéquates doivent être réunies. Les marques épigénétiques ont la particularité d’être sensibles à long terme aux variations environnementales. Certaines marques, modifiées sous l’impulsion de changements environnementaux, sont conservées même en absence du stimulus initial et modulent à long terme l’expression des gènes.

La connaissance et la caractérisation de ces marques peuvent constituer un levier afin de contrôler au mieux le potentiel génétique des bovins hautement sélectionnés.

PROCESSUS MOLÉCULAIRES CONTRÔLANT L’EXPRESSION GÉNIQUE

Différents processus moléculaires sont répertoriés comme marques épigénétiques. Par définition, ces processus interagissent avec la molécule d’ADN et modifient l’activité transcriptionnelle des gènes sans modification de la séquence en acides nucléiques (pas de mutation) de manière stable et héritable à travers les générations cellulaires (mitose). Leurs actions perdurent au-delà du stimulus qui permet leur apposition. Parmi les plus étudiées figurent les modifications post-traductionnelles des histones, la méthylation de l’ADN, mais aussi la production de petits et longs ARN non codants ou la fixation de protéines de la famille des polycombes-trithorax. Toutes agissent de concert pour aboutir à la définition de “microdomaines” au sein du patrimoine génétique ayant une activité d’expression de gènes propre.

1. Architecture de la chromatine

Les noyaux des cellules renferment l’information génétique sous une forme extrêmement compactée, ce qui implique nécessairement une dynamique permettant une accessibilité aux gènes devant être transcrits à un stade physiologique donné. L’organisation tridimensionnelle de la chromatine et sa dynamique permettent ainsi à des gènes éloignés ou situés sur des chromosomes différents d’être cœxprimés en s’associant à la même machinerie de transcription [¹⁴, ³⁰].

2. “Code des histones”

Dans le noyau cellulaire, l’ADN est enroulé autour de structures protéiques (les nucléosomes) composées d’histones. Les histones sont les cibles de nombreuses modifications post-traductionnelles (plus d’une centaine identifiées à ce jour), très conservées à travers l’évolution. Ces modifications jouent le rôle de marques épigénétiques car elles gouvernent les interactions avec différentes classes de protéines nucléaires, partenaires et acteurs de la dynamique de l’architecture de la chromatine et du contrôle de l’expression des gènes [¹³]. L’ensemble des modifications observées dans une région de l’ADN donnée définit le “code des histones”.

3. Méthylation de l’ADN

La méthylation des cytosines de l’ADN (transfert d’un groupe méthyle [CH3] sur les CpG, chez les mammifères) est l’un des processus épigénétiques le plus analysé en raison de développements technologiques extrêmement importants liés aux possibilités de séquence du génome à haut débit [⁹]. Ainsi, il est possible de quantifier le pourcentage de méthylation à l’échelle du nucléotide, mais aussi d’en appréhender la distribution et la variation pangénomique [¹⁵]. Cependant, chez les eucaryotes, la méthylation de l’ADN affecte les cytosines de façon très variable : absente chez les nématodes et la levure, elle touche 0,5 % des cytosines chez l’abeille, 3 à 8 % d’entre elles chez les mammifères et jusqu’à 50 % chez les plantes.

DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE ET MÉMOIRE

1. Développement et qualité embryonnaire

Contribution de l’ovocyte

La maturité épigénétique (méthylation de l’ADN et acquisition de modifications d’histones) de l’ovocyte s’établit au cours du développement folliculaire dès la vie fœtale, puis à chaque cycle œstrien après la puberté, et coïncide avec l’acquisition des compétences de développement. Chez les vaches, les protocoles de synchronisation utilisés avant l’insémination artificielle stimulent la sortie d’un nombre important de follicules porteurs d’ovocytes présentant une variabilité de la maturité épigénétique, ce qui peut influencer les compétences au développement et la qualité embryonnaire. La capacité de développement des ovocytes des génisses prépubères est généralement réduite comparativement à des vaches adultes. Il a été montré que la méthylation de l’ADN présente une forte variabilité selon l’âge des femelles et le traitement de maturation in vitro des ovocytes, soulignant le lien entre la maturité épigénétique et les compétences ovocytaires [⁴].

Contribution du spermatozoïde

Le spermatozoïde est une cellule hautement différenciée avec un noyau fortement compacté ayant pour conséquences un blocage de l’activité transcriptionnelle (pas d’expression des gènes) et une protection du patrimoine génétique à transmettre à l’embryon. Cette compaction nécessite différents processus moléculaires épigénétiques (méthylation de l’ADN, modifications des histones, présence de variants d’histones, remplacement des histones par les protamines, présence de petits ARN non codants) [⁶, ¹⁹]. De très nombreux articles mentionnent l’importance de la cinétique d’apposition de toutes ces marques épigénétiques et de leur conservation dans la fertilité mâle [², ³, ¹⁶, ³⁶]. Cela souligne la contribution paternelle dans le développement de l’embryon et les possibilités de transmission d’informations à la descendance [³⁵].

Reprogrammation épigénétique de l’embryon

Après la fécondation, un effacement ou un écrasement des marques épigénétiques parentales est indispensable afin qu’une reprogrammation puisse prendre place et contribuer à l’expression des gènes embryonnaires nécessaires au développement harmonieux de l’individu (connue sous le nom d’“activation du génome embryonnaire”) [²⁵, ²⁸]. Toute altération de la mise en place des marques épigénétiques maternelles et paternelles au cours de la gamétogenèse est susceptible d’impacter cette reprogrammation et d’affecter ainsi le développement de l’embryon. Il est aussi possible que cette reprogrammation ne soit pas totale (comme il est observé chez l’embryon de lapin ou d’ovin, où la déméthylation du génome paternel n’est pas complète) et ne concerne que certaines régions génomiques [²⁶]. La préservation des marques épigénétiques de ces régions peut aussi jouer un rôle important dans le développement embryonnaire.

2. Différenciation cellulaire, processus initial de l’organogenèse et du développement fœtal

Le développement embryonnaire puis fœtal est fondé sur la mise en place progressive de types cellulaires, appelés lignages cellulaires. Au stade blastocyste, les cellules en périphérie constituent le trophectoderme issu de la première différenciation, qui donnera naissance au placenta. Alors que les cellules dites de la masse interne, pluripotentes à ce stade, se différencient en trois lignages : l’endoderme, le mésoderme et l’ectoderme, qui contribuent à la formation des tissus et des organes de l’individu. Chaque type cellulaire va acquérir au cours du développement des marques épigénétiques différentes qui vont contribuer à l’expression d’un profil de gènes lié à la fonction cellulaire. Ces marques sont conservées à travers la mitose et confèrent une véritable mémoire cellulaire. Néanmoins, au cours de la gestation, des altérations de ces marques peuvent être induites par des changements de l’environnement maternel. “Mémoire” de ces événements, ces modifications peuvent se révéler bénéfiques ou délétères à plus ou moins long terme.

IMPACT ENVIRONNEMENTAL, TRANSMISSION GENERATIONNELLE

1. Hypothèse des origines développementales de la santé et des maladies

Au cours de la dernière décennie, de nombreuses publications scientifiques ont souligné la contribution possible de modifications épigénétiques dans l’explication de maladies complexes chez l’homme, pour lesquelles une transmission mendélienne ne pouvait être suffisante. Il s’agit en particulier de l’obésité (syndrome métabolique) et des affections cardiovasculaires. Des analyses épidémiologiques ont abouti au concept de “syndrome métabolique” et à l’hypothèse du DOHaD (Developmental Origin of Health and Disease) selon lesquels les conditions nutritionnelles durant la gestation influencent le développement [¹]. Ainsi, des conditions nutritionnelles particulières (restriction ou “régime cafétéria” riche en lipides) appliquées chez les mères pourraient induire des perturbations importantes du développement fœtal avec un retard de croissance et un petit poids de naissance, et être associées à une prédisposition aux maladies cardiovasculaires et métaboliques chez le jeune adulte. Chez l’homme, des études épidémiologiques mettent en évidence l’impact de la famine subie par les grands-parents sur le développement de maladies cardiovasculaires chez les petits-enfants [⁸, ³⁴]. Les auteurs observent des altérations des marques épigénétiques associées aux syndromes et les considèrent comme une “mémoire” de l’environnement nutritionnel.

2. Modèles animaux : impact de la nutrition maternelle

De très nombreux modèles animaux ont été mis en place afin d’identifier avec plus de précision les fenêtres d’action des perturbations chez les mères (au cours de la puberté, en périconception, en début et au cours de la gestation, etc.), d’analyser les paramètres métaboliques de la descendance et de mieux caractériser le phénotype (au cours de la gestation, en phase postnatale, au cours de la vie adulte, etc.) et de déterminer les mécanismes épigénétiques sous-jacents [⁷].

Il est désormais établi que les perturbations nutritionnelles maternelles (génération F0 ; quelle que soit la fenêtre d’application) induisent des modifications métaboliques observables dans la descendance, avec des différences de réponse entre les mâles et les femelles (génération F1 ; notion de dimorphisme sexuel dans la programmation fœtale) (^photo). Dans certains cas, des altérations épigénétiques ont aussi été identifiées au regard des organes cibles porteurs de ces modifications phénotypiques (foie, reins, etc.), preuves d’une mémoire cellulaire acquise au cours du développement fœtal et altérant la fonction de l’organe.

Chez les animaux d’élevage comme les bovins, la sousnutrition maternelle imposée au cours du premier trimestre de gestation induit une diminution de la réserve ovarienne de la descendance et des perturbations du système cardiovasculaire (élargissement du tronc aortique, augmentation de la pression sanguine), alors qu’aucune modification du poids de naissance ou de la croissance postnatale n’est notée [²¹]. De façon générale, le stress fœtal subi au cours du premier trimestre de gestation a des conséquences sur la santé postnatale.

3. Xénobiotiques, pesticides et polluants

Les traitements administrés à la femelle ou l’utilisation de certains xénobiotiques, fongicides ou pesticides pendant la période périconceptionnelle ou la gestation peuvent également altérer les marques épigénétiques. Dans la descendance femelle, ces altérations semblent impliquées dans le développement de tumeurs du tractus génital. Chez les mâles, une infertilité est observée, accompagnée de diverses malformations [¹⁸, ²⁹, ³³].

4. Épigénétique et origines des effets paternels

Plus récemment, il a aussi été observé que des modifications de la nutrition paternelle en quantité et en qualité, juste avant la mise à la reproduction, ont des conséquences sur le devenir de la descendance. Le régime hypergras paternel a une incidence sur le métabolisme de la descendance, notamment sur celui des femelles, avec une réduction notable des îlots pancréatiques, provoquant une dérégulation de l’insulinémie [²²].

5. Effets multigénérationnels ou transgénérationnels

Parmi les questions fréquemment posées figurent les suivantes : « Qu’en est-il des effets générationnels ? » « Peut-on parler d’effets transgénérationnels, c’est-à-dire passant la barrière de la méiose (barrière de la reproduction) ? »

Les marques épigénétiques sont héritables au cours de la mitose : elles sont conservées de la cellule mère aux cellules filles. À la suite de modifications environnementales subies par l’individu F0, des altérations épigénétiques peuvent altérer l’organogenèse du fœtus (F1) et être enregistrées ^{(figure 2)}. Elles induisent alors une susceptibilité, une prédisposition aux maladies et/ou une sensibilité différente en réponse aux challenges. In utero, la gamétogenèse peut aussi être affectée et les gamètes seront alors porteuses d’informations épigénétiques qui ne se révéleront qu’au moment où l’individu entrera dans sa phase de reproduction : soit par une diminution de la fertilité, soit par la transmission d’altérations métaboliques à la descendance (F2). Ces effets sont dits multigénérationnels. À partir de conséquences observées en F3, il est admis de parler d’effets transgénérationnels. Ces derniers sont bien décrits chez les plantes [³⁸]. Ils restent peu documentés, voire controversés, chez les animaux [¹¹, ¹⁷, ³⁷].

Les perturbations nutritionnelles maternelles pourraient induire des altérations épigénétiques qui ont été identifiées dans la descendance au niveau des organes cibles (foie, reins, etc.), preuves d’une mémoire cellulaire acquise au cours du développement fœtal et altérant la fonction de l’organe.

UN EXEMPLE PERTINENT POUR L’ÉLEVAGE : LA PRODUCTION LAITIÈRE

1. Différenciation et développement de la glande mammaire

La différenciation des cellules épithéliales mammaires responsables de la production des constituants du lait, leur organisation et la mise en place de leur fonctionnalité sont des étapes progressives et cruciales pour une production performante du lait. Le développement de la glande mammaire démarre dès la vie fœtale et se poursuit au cours de divers cycles de gestation, de lactation et d’involution. Des marques épigénétiques se mettent alors en place et d’autres s’effacent dans les divers types cellulaires qui composent ce tissu [²⁷]. Ainsi, une corrélation est rapportée entre l’expression des gènes des protéines du lait et la méthylation de régions spécifiques au cours de la lactation uniquement dans le tissu mammaire [²⁰]. Par exemple, une région en amont du gène de la caséine α-S1, codant pour une protéine majeure du lait, est hypométhylée au cours du développement de la glande mammaire et de la lactation, et se reméthyle lors de l’involution ou à la suite d’une mammite [³¹].

2. Impact de l’environnement

La production laitière est globalement affectée par l’environnement de l’animal. La mise en place des marques épigénétiques spécifiquement mammaires peut être modifiée par les techniques d’élevage.

La monotraite et l’inflammation lors de mammites ont des effets à long terme sur le développement mammaire et la lactation, qui sont dus à des altérations des profils de méthylation de l’ADN autour de régions régulatrices de l’expression des gènes [²³, ³²]. La nutrition, et en particulier la suralimentation des génisses, impacte de façon notable la production laitière [²⁴].

Chez les vaches laitières, les premières phases de développement embryonnaire coïncident avec la lactation, période avec une forte demande énergétique associée à une mobilisation des réserves. Les vaches conçues en l’absence de lactation maternelle produisent plus de lait que leurs sœurs qui l’ont été pendant la lactation [⁵]. La production laitière, liée à un bilan énergétique négatif, aurait ainsi des conséquences de type épigénétique sur le développement embryonnaire, conduisant à une prédisposition à diverses perturbations métaboliques révélées plus tardivement.

L’environnement au cours du développement mammaire, de la vie fœtale à la gestation puis pendant la lactation, peut donc influencer la production de lait chez des animaux hautement sélectionnés et altérer les performances attendues. Comprendre les altérations épigénétiques expliquant, au niveau moléculaire, comment les facteurs environnementaux influencent la lactation peut fournir les clés pour l’obtention des performances attendues en fonction du potentiel génétique sélectionné.

Conclusion

Ainsi, la description de l’épigénome des tissus en lien avec les caractères d’intérêt zootechnique (fertilité, production laitière ou développement musculaire) pourrait fournir des variables explicatives supplémentaires à incorporer aux modèles de prédiction du phénotype [⁵]. Des études intégrant des données haut débit de phénotypage, de génotypage et d’épigénotypage sont désormais accessibles [¹²]. L’objectif est de déterminer les signatures épigénétiques liées à divers facteurs environnementaux et pouvant être prises en compte dans un schéma de sélection afin d’obtenir des animaux au phénotype de plus en plus robuste en fonction du système d’élevage et exprimant pleinement leur potentiel génétique.

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