Qu'est-ce que l'épigénétique? Véronique Adoue INSERM U1043 Toulouse-Purpan

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1 Qu'est-ce que l'épigénétique? Véronique Adoue INSERM U1043 Toulouse-Purpan

2 L épigénétique L épigénétiqueestl étudede mécanismeshéréditairesde l expression des gènes n entraînantpas de changement de la séquence d ADN(caractère réversible). Les 2 élémentsprincipauxdu code épigénétique Méthylation de l ADN La méthylation de l ADN sur certaines bases va entrainer la répression de l activitédu gène voisin. Modification des histones Unecombinaisonde différentes protéines peuvent s attacheràla queue de protéinesappelléeshistones. Elllesvontmodifier l étatde compaction de l ADN dansles régions voisines

3 Historique o Les lois de Mendel et les chromosomes (1900) o L'ADN (Avery-1944) o L'ADN est composée de quatre types de nucléotides qui se distinguent par leur base azotée: A (adénine), T (thymine), C (cytosine) et G (guanine) (Chargaff, 1950) o La double hélice d ADN (Watson and Crick, 1953).

4 Historique o La régulation génique (Jacob et Monod, 1958): o le «messager» servant d'intermédiaire entre les gènes et leurs protéines. o le «promoteur» serait responsable du contrôle de l'expression d'un gène à la manière d'un interrupteur. o Le code génétique (Nirenberg, 1962)

5 Historique o Séquençage des gènes, puis des génomes entiers (génome humain, 2004) o Nombre total de gènes: (seulement deux fois plus que pour le ver C. elegans) o Mécanismes de plus en plus complexes orchestrant l'expression de tous ces gènes au cours de l évolution. o La moindre défaillance peut nuire à la survie de l individu. o Ce sont les différentes interactions entre protéines et ADN qui expliquent comment le même génome peut exprimer différentes fonctions dans différentes cellules

6 Du gèneàla protéine

7 Elements régulateursde l expression d un gène Mise en place de complexes régulateurs sur les promoteurs des gènes actifs Gene ki/classes/ch331/bind/olbindtransciption.html Importance des activateurs transcriptionels ou enhancer a/22.html

8 Analyse du niveau d expression d un gène dans un certain génome et àun moment donné par RNA-seq Zeng et al., Nature Immunology, 2012

9 La chromatine

10 La régulation de l expression des gènes dépend de l état de condensation de la chromatine Marks et al., 2001 Marques identifiées par ChIP-seq Association fonctionnelle H3K4me3/H3K9ac Promoteurs actifs H3K4me1 Enhancers H3K27ac Promoteurs et enhancers actifs H3K27me3/H3K9me3 Chromatine inactive

11 La compaction de la chromatine dépenddes HAT et des HDAC L ADN devientaccessible par des facteursde transcription (oùdes protéinesde liaison à l'adn en général)

12 DNase-seq

13 Analysedes intéractionproteine-adn par la technique de Chromatine-ImmunoPrécipitation (ChIP)-sequencing

14 La méthylationde l ADN Ajoutde résidus5-methylcytosine au niveaudes dinucléotidescpgpar les ADN méthyltransférases(dnmts) o Une des marque épigénétique les plus étudiées. o CpG: régionsde l ADN ouunecytosine estliéeàuneguanine. Les cytosinesdes dinucléotides dans les CpG peuvent être méthylées pour former une cytosine 5- méthyle. Au niveau des promoteurs des gènes, ceci est habituellement associé à une diminitionde l expressiondes gènes. o ÎlotsCpG(CGI): Régions> 200 bases avec au minimum 50% G + C et un ratio des fréquences de CpG observés/attendus d au moins 60% (~4-6x supérieur au génome).

15 La méthylationde l ADN où empreinte parentale o La méthylationde l'adn entraîneunemodification de l'architecturede la chromatineet doncde la compaction des nucléosomes o La méthylationde l'adn agitcommeun "patron" qui conditionnel'expressiondes gènesdanschaquecellule. o Influencéensuitepar des facteursenvironnementaux: sociaux, nutritionnels et toxicologiques. o Les effets de la sous-méthylation peuvent être observés dans le vieillissement prématuré, le cancer, les maladies cardiovasculaires, les affections hépatiques, la dépression

16 Sequençageau Bisulfite: analysede la méthylationde l ADN

17 La méthylationde l ADN et les modifications des histones: mécanismes épigénétiques majeurs de l expression des gènes Gudjonsson J and Krueger G, JID, 2012

18 Les facteursde transcription Un facteurde transcription se lie surl ADN au niveaude son site de fixation et régule l expression du gène adjacent. Duke University Website

19 Les polymorphismescommun Un SNP (Single-nucleotide polymorphism) estunevariation de la séquenced ADNau niveaud un nucléotideunique A, T, C oug qui diffèreau seindes membresd une même espèce ou sur la paire de chromosomes d un même individu. Utilisationde pucesde génotypage pour cartographierjusqu à5 millions de SNPs chez un mêmeindividu.

20 Les polymorphismescommuns Catalogue des GWAS (Genome-Wide Association Studies) Recherche d association entre une caractéristique physique/maladie et un ou plusieurs SNPs

21 Exemple de données d expression=rna-seq Gènes o L intensitédu signal reflètele niveau d expression d un gène o Signal au niveau des exons RNA-seq o Différence d intensité: épissage alternatif

22 Exemple de données de RNA-seq RNA-seq Monocytes RNA-seq Cellules T RNA-seq Cellules B Expression spécifique aux monocytes

23 Exemple d un locus avec des données épigénétiques complètes Gènes RNA-seq % de CpG methylés

24 Exemple d un locus avec des données épigénétiques complètes Gènes RNA-seq % de CpG methylés ChIP-seq H3K4me1 ChIP-seq H3K4me3 ChIP-seq RNAPII

25 Liens entre les soinsreçudurant l enfance, la méthylationde l ADN et un étatdépressif/anxieuxàl âgeadulte Mauvais soins/abus durant l enfance Méthylation de locus spécifiques au niveau du cerveau(gc) Etat dépressif/anxieux à l âge adulte

26 Application de l épigénétiqueà l étude de la réponse immunitaire Thymus Réponse immunitaire CD8 Conventionnels CD4 Foxp3 Treg Régulateurs Périphérie T-bet EOMES GATA3 T-bet CTL Th2 Th1 BCl 6 TFH RoRγt Th17

27 Les lymphocytes T: Un rôle majeur dans l immunité CD8 CD4 Sécrétion de cytokines CTL Th2 Th1 TFH Th17 IL-4 Ifn-ϒ Réponse allergique Réponse antivirale

28 Les lymphocytes T: Un rôle majeur dans l immunité CD8 CD4 Mécanismes épigénétiques Sécrétion de cytokines CTL Th2 Th1 TFH Th17 IL-4 Ifn-ϒ Réponse allergique Réponse antivirale

29 Existence d une plasticité restreinte entre les «Th» Thymus CD4 Th2 Mécanismes épigénétiques Th1

30 Etude de la voie de signalisation SUV39H1-H3K9me3- HP1α impliqué dans l inhibition de la transcription o Implication dans la formation de l hétérochromatine o Régulation de certains gènes situés dans l euchromatine Suv39h1 (histone methylase) Nucléosome Histones + ADN RS Allan et al. Nature 000, 1-5 (2012) doi: /nature11173

31 Etude de la voie de signalisation SUV39H1-H3K9me3- HP1α impliqué dans l inhibition de la transcription Suv39h1 (histone methylase) H3K4me3 Nucléosome Histones + ADN RS Allan et al. Nature 000, 1-5 (2012) doi: /nature11173

32 Etude de la voie de signalisation SUV39H1-H3K9me3- HP1α impliqué dans l inhibition de la transcription Suv39h1 (histone methylase) HP1 HP1 HP1 Nucléosome Histones + ADN RS Allan et al. Nature 000, 1-5 (2012) doi: /nature11173

33 Etude de la voie de signalisation SUV39H1-H3K9me3- HP1α impliqué dans l inhibition de la transcription Suv39h1 HP1 HP1 HP1 Rôle dans la différenciation des cellules Th1 et Th2? Nucléosome Histones + ADN RS Allan et al. Nature 000, 1-5 (2012) doi: /nature11173

34 Etude de la voie de signalisation SUV39H1-H3K9me3- HP1α impliqué dans l inhibition de la transcription Souris KO Suv39h1 HP1 HP1 HP1 Rôle dans la différenciation des cellules Th1 et Th2? Nucléosome Histones + ADN RS Allan et al. Nature 000, 1-5 (2012) doi: /nature11173

35 H3K9me3 (repression) et H3K9ac (activation) marquentles promoteursdes gènesdes lignéest helper (Th) Th2 Th1 IL-4 Ifn-ϒ H3K9ac Th2 +++ Gène IL-4 H3K9me3 Th1 - Gène IL-4

36 Les sourisdéficientespour SUV39H1 présententuneaugmentation de la plasticitédes cellules T H 2 sous les conditions de différenciationt H 1 ainsiqu unratio des modifications de H3K9 altéréau niveaudes promoteursdes gènest H 1 CD4 IL-4 Th2 Mécanismes épigénétiques? Th1 voie de signalisation SUV39H1-H3K9me3-HP1α Ifn-ϒ

37 La déficienceen SUV39H1 altèrela stabilitét H 2 in vivo et réduit l inflammation allergique au niveau des poumons. IgGspécifiquede la réponse Th1 Induction d un asthmeallergique(réponseth2 spécifique) dans les souris KO SUV39H1

38 Applications en clinique La 5-aza-2 -désoxycytidine (5-Aza-CdR) -inhibiteurde la méthylation de l ADN - permet la ré-expression des gènes suppresseursde tumeur. Efficace contre certaines maladies hématologiques et est utilisé dansle traitementdu syndrome myélodysplasiquedepuis2006. Les inhibiteurs des déacétylases des histones (HDACi) ont égalementmontréuneactivitéantinéoplasique. De récentes recherches ont montré que la combinaison d agents ciblantàla foisla méthylationde l ADN et la déacétylationdes histones produit une réactivation synergique des gènes suppresseurs de tumeur.

39 Conclusion 2 marques épigénétiquesmajeuresàcaractèreréversible: modification des histones et méthylation de l ADN Rôlecrucial dansla régulationde l expressiondes gèneset implication dans de nombreux processus physiologiques Nouvellescaractéristiquesencore àdécouvrir: Le rôle fonctionel de toutes les modifications post-traductionelles des histones ne sont pas connues Les techniques d étudede la méthylationde l ADN sonten constante évolution Perspectives intéressantesdansle développementde nouveaux traitements

40 Merci pour votreattention!

41 Exemplesd étudesépigénétiques eqtls(expression-quantitative trait loci) Puce d expression Puce de génotypage RNA-seq gene mqtls(méthylation-quantitative trait loci)

42 SNPs en linkage desequilibrium(ld): comment les discriminer? Ehlers et al. BMC Medical Genetics 2008

43 Untilisationdes donnéesépigénétiquepour identifier le SNP causal RNA-seq mirna-seq % of methylated CpG ChIP-seq H3K4me1 ChIP-seq H3K4me3 ChIP-seq RNAPII

44 Integration des donnéesépigénétiques Exemple: RegulomeDB annotation Boyle et al, Genome Res., 2012

45 Utilisationdes donnéesépigénétique pour discréminerles SNPs en forte LD: exempledes GWAS Scale chr3: NFKBIZ 100 kb hg19 101,600, ,650, ,700, ,750, ,800, ,850,000 NHGRI Catalog of Published Genome-Wide Association Studies rs rs rs Basic Gene Annotation Set from ENCODE/GENCODE Version 14 RP11-221J22.1 Y_RNA ZPLD1 eqtl Chromatine active

46

47 Exemplede visualisationde données de ChIP-seq

48 Cartographieet analysede la dinamiquedes états chromatinien dans 9 tissus humains Ernst et al, Nature, 2011

49 Types d analysedes données

50 Interactions ADN-Protein in vivo par digital genomic footprinting Hesselberth et al, Nat Methods, 2009

51 Exemple d épigenome complet Forward RNA-seqMNC Reverse Forward RNA-seqTC RNA-seqBC Reverse Forward Reverse Small-RNA MNC Small-RNA TC % MethMNC % MethTC % MethBC H3K4me3 MNC H3K27ac MNC H3K4me1 MNC

52 La compaction de la chromatine dépend des HAT et des HDAC Shelley L. Berger et al, Nature, 2000

53 Exemplesde matrices pour sites de fixation d un facteurde transcription Novichkov et al., Nucleic Acids Res., 2010

54 Strand-specific RNA-seqis important for overlapping exons and then assign regulatory elements RNA-seq Forward Reverse DHS % Meth ChIP-seq H3K4me3 L ensemble de ces données épigénétiques convergent vers l activation de la région promotrice du gène HYI

55 HP1αparticipeàl inhibitiondes gènest H 1 dansles cellules T H 2 de façonsuv39h1 dépendante. IL-4 GATA3 Th2 Ifn-ϒ T-bet Th1 Diminution de HP1α sur le promoteurde Ifnget T-bet dansles sourisko Suv39h1/2 Souris KO HP1α H3K9me 3 HP1 Souris KO HP1γ