L épigénétique : l autre face de la génétique

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1 L épigénétique : l autre face de la génétique Epigenetics: the other side of genetics Hervé Tostivint*»»L épigénome est un ensemble de marques réversibles et héritables The epigenome consists of a set of reversible and heritable marks put on DNA without any modification to its sequence.»»les marques épigénétiques se présentent principalement Common epigenetic marks are methylated bases and posttranslational modifications of histones. Depending on both their nature and localization, these marks make it possible to define distinct domains within the chromatin which are characterized by different levels of transcriptional activity. sous forme de bases méthylées et de modifications posttraductionnelles des histones. Selon leur nature et leur localisation, ces marques définissent des domaines au sein de la chromatine, caractérisés par différents niveaux d activité transcriptionnelle.»»l épigénome des cellules n est pas figé mais évolue selon leur état de différenciation et sous l effet de divers facteurs notamment liés à l environnement.»»des altérations de l épigénome peuvent expliquer diverses maladies à forte composante génétique. Highlights P o i nt s f o rt s apposées sur l ADN sans modification de sa séquence. Mots-clés : Méthylation de l ADN - Modifications des histones Chromatine - Épigénome. C onsidéré comme le siècle de la génétique, le XXe siècle s ouvre avec la redécouverte des lois de Mendel et s achève avec le séquençage du génome de nombreuses espèces, en particulier celui de l Homme. Cette prouesse, que l on pensait décisive pour percer les ultimes secrets du vivant, s est pourtant révélée décevante. La connaissance de la séquence d un génome ne suffit pas pour comprendre comment l information qu il détient est décodée et comment il permet la mise en place du phénotype. D autres instructions, qui se surimposent à celles inscrites dans la séquence de l ADN, sont requises. Elles constituent l information épigénétique (du grec epi signifiant sur ) et jouent un rôle très important dans le contrôle de l expression du génome, en particulier dans le cadre des processus de différenciation cellulaire (1). Sur le plan moléculaire, l information épigénétique se présente sous la forme de marques, qui peuvent prendre 2 formes principales : la méthylation de certaines bases de l ADN et les modifications post-traductionnelles The epigenome of a cell is not fixed but can change according to its differentiation state and in response to various factors, including environmental factors. Epigenomic alterations can often explain diseases generally viewed as genetic. Keywords: DNA methylation - Histone modifications Chromatin Epigenome. des histones. Ces marques ont une double caractéristique : d une part, elles sont réversibles, et, d autre part, elles peuvent être transmises à travers les cycles de réplication de l ADN. À noter que des travaux récents dont nous ne ferons pas état ici identifient certains ARN comme une source supplémentaire de marque épigénétique (2). Cas exemplaire de modification épigénétique : l empreinte parentale La démonstration la plus spectaculaire de l existence d informations s ajoutant à celles inscrites dans la séquence d ADN vient d expériences réalisées en 1984 chez la souris. Ces travaux ont montré que des embryons issus de l association de 2 noyaux d origine maternelle ou de 2 noyaux d origine paternelle étaient incapables d accomplir normalement la totalité de leur développement. Ainsi, les génomes * CNRS UMR 7221, Évolution des régulations endocriniennes, Muséum national d histoire naturelle, Paris. 271

2 portés par l ovule et par le spermatozoïde, malgré leurs séquences homologues, ne sont pas fonctionnellement équivalents. D où le concept d empreinte parentale, selon lequel les génomes parentaux portent une marque (ou empreinte) qui diffère selon leur sexe d origine et qui leur est apposée pendant la gamétogenèse. Les recherches ultérieures ont montré que le support de cette empreinte concerne une centaine de gènes, dont l expression est mono-allélique et monoparentale, et correspond à une méthylation de leur ADN qui touche spécifiquement les cytosines en contexte CpG. Cette méthylation présente plusieurs caractéristiques importantes qui rendent parfaitement compte des propriétés de l empreinte parentale : elle affecte spécifiquement celui des 2 allèles qui est réprimé, soit d origine paternelle, soit d origine maternelle ; elle peut être transmise à la faveur des cycles de réplication de l ADN ; elle est régulièrement effacée puis remise en place à chaque nouvelle génération. Méthylation de l ADN L importance de la méthylation des doublets CpG dépasse largement le cadre de l empreinte parentale, laquelle, en dépit de ses conséquences fonctionnelles, peut finalement sembler assez anecdotique au regard du faible nombre de gènes qu elle concerne. La méthy- lation joue en effet un rôle crucial dans le contrôle de l expression des gènes en général. En plus de son implication dans la mise en place de l empreinte parentale, elle intervient dans l inactivation du chromosome X chez les femelles mammifères, et maintient dans un état réprimé les séquences répétées, en particulier des transposons et des rétrovirus (3). Plusieurs enzymes capables de méthyler les cytosines de l ADN ont été identifiées (4). Sur le plan fonctionnel, ces méthyltransférases (DNMT) se répartissent en 2 groupes principaux : les méthylases de novo (DNMT3a et DNMT3b chez l homme) et les méthylases de maintenance (DNMT1), ces dernières ne pouvant agir que sur l ADN déjà méthylé et, de ce fait, n étant efficaces que pour perpétuer une méthylation préexistante (figure 1). L importance de ces enzymes est attestée par le fait que l invalidation de leur gène est systématiquement létale, le plus souvent avant la naissance. Bien qu une déméthylation active de l ADN puisse survenir en certaines circonstances, les déméthylases qui en sont responsables restent à identifier. Des travaux récents suggèrent que cette déméthylation s effectuerait par étapes et ferait apparaître différents intermédiaires correspondant à la cytosine sous forme successivement hydroxyméthylée, carboxylée puis formylée (5). Chez l homme, 70 à 80 % des doublets CpG sont méthylés. L essentiel de la méthylation se concentre dans les régions associées à l hétérochromatine, lesquelles rassemblent en majorité des séquences non ADN non méthylé CH3 Méthylation de novo C-G G-C CH3 ADN méthylé Réplication de l ADN Méthylation de maintenance ADN hémiméthylé Figure 1. Méthylation de maintenance versus méthylation de novo. La méthylation de l ADN (ronds verts) porte sur les cytosines en contexte CpG (bâtonnets verticaux). La méthylation de novo consiste en la méthylation de CpG préalablement non méthylés. Compte tenu de son caractère palindromique, la séquence CpG est alors méthylée sur les 2 brins de l ADN. Au terme de la réplication, le brin néoformé n est jamais méthylé. La méthylation de maintenance permet de reméthyler ce brin et donc de rétablir la méthylation sur les 2 brins. 272

3 L épigénétique : l autre face de la génétique codantes, mais également des gènes dont la nature dépend des types cellulaires. Les doublets CpG ne sont pas répartis de façon homogène au sein de l ADN. De manière générale, on constate une relative rareté des doublets CpG au sein du génome, sauf au niveau de certaines régions relativement limitées, appelées îlots CpG, où ils sont particulièrement abondants et s observent le plus souvent sous forme déméthylée. On considère classiquement que les régions du génome caractérisées par un faible taux de méthylation correspondent aux régions présentant une forte activité transcriptionnelle ; à l inverse, les régions caractérisées par un fort taux de méthylation correspondent aux régions transcriptionnellement inactives (3). À cet égard, il est intéressant de constater que les îlots CpG sont majoritairement situés dans le promoteur d une proportion importante de gènes humains, surtout des gènes de ménage, ou dans leur voisinage immédiat. Les modalités du rôle répressif de la méthylation sur l expression des gènes font toujours l objet de débats. La méthylation pourrait agir directement par encombrement stérique en empêchant la fixation des facteurs de transcription au niveau du promoteur des gènes, ou plus indirectement en recrutant des protéines capables de condenser la chromatine (lire plus loin) et donc de perturber l accès de ces facteurs à l ADN. Certaines protéines capables de se lier spécifiquement à l ADN méthylé, telles les protéines à domaine MBD, peuvent jouer ce rôle d intermédiaire (3). Les études les plus récentes, réalisées à l échelle du génome entier et avec une résolution de plus en plus fine, montrent toutefois que la corrélation entre l état de méthylation des promoteurs et l activité transcriptionnelle ne correspond pas toujours à celle qui est attendue (4, 6). Par ailleurs, l état de méthylation des régions situées aux marges des îlots CpG, et pas seulement en leur sein, semble également jouer un rôle important sur le niveau d activité des gènes, de même que la méthylation concentrée dans le corps des gènes et donc pas seulement dans leur promoteur. Une méthylation de cytosines hors contexte CpG a également été mise en évidence, mais son importance fonctionnelle reste à évaluer. Toutes ces données montrent que beaucoup de progrès restent à accomplir pour comprendre pleinement le rôle de la méthylation de l ADN et son impact sur l activité des gènes, car la vision classique que nous en avons est certainement trop schématique. Même si les informations actuellement disponibles sont encore très fragmentaires, il est désormais bien établi que le profil de méthylation du génome est très plastique. Il varie à la fois dans l espace, selon les types cellulaires, et dans le temps, selon leur état de différenciation (7). Les travaux réalisés chez la souris montrent que le génome de l embryon subit une déméthylation presque totale juste après la fécondation, avant d être intensément reméthylé au moment de l implantation. Par la suite, chaque type cellulaire acquiert un profil de méthylation qui lui est propre. Les techniques utilisées pour l analyse de la méthylation à l échelle génomique progressent très rapidement et devraient prochainement permettre de préciser l ampleur et les conséquences fonctionnelles de ces changements. La méthylation joue certainement un rôle important dans la différenciation cellulaire, mais celui-ci doit malgré tout être nuancé car le blocage de la méthylation ne lève pas nécessairement l extinction des gènes à laquelle elle est corrélée. La méthylation ne serait donc pas un facteur déclencheur de la répression génique. Elle serait plutôt un processus qui la stabilise, après son établissement par d autres mécanismes, comme certaines modifications associées à la chromatine (lire plus loin), et qui permet ensuite de la perpétuer au cours des divisions cellulaires (7). Modifications des histones Les recherches en génétique moléculaire ont longtemps ignoré le fait que l ADN n est pas nu dans les cellules mais associé à de nombreuses protéines qui, ensemble, forment la chromatine. L existence de la chromatine induit une condensation de l ADN, mais celle-ci s avère très différente selon les régions considérées. À l échelle du noyau, la chromatine prend 2 aspects principaux aisément reconnaissables : l euchromatine, caractérisée par un taux de compactage modéré, et l hétérochromatine, caractérisée par un taux de compactage beaucoup plus fort. L euchromatine correspond aux fractions respectivement actives et inactives du génome. Le contrôle du niveau de compactage de la chromatine est donc une composante majeure des mécanismes de régulation de l expression des gènes. Les histones nucléosomiques (H2A, H2B, H3 et H4), principales protéines de la chromatine, ont toutes la particularité de pouvoir subir différentes modifications post-traductionnelles sur divers résidus bien définis, majoritairement situés à leur extrémité aminoterminale. Les plus importantes de ces modifications sont l acétylation, la méthylation, la phosphorylation et l ubiquitinylation (figure 2) [8]. La plupart des enzymes qui 273

4 Queues d histones modifiées Me Ac P Ac Nucléosome ADN Me Figure 2. Sites de modification des histones. L ADN s enroule autour de 4 types d histones pour former les nucléosomes. L extrémité N-terminale des molécules d histone forme une extension dont les résidus peuvent subir différentes modifications telles que l acétylation (AC), la méthylation (Me) ou la phosphorylation (P). Ces modifications sont susceptibles de modifier les forces d inter action entre les histones et l ADN et donc le degré de compaction de la chromatine. en sont responsables sont aujourd hui caractérisées. Des cartes de modification des histones établies à l échelle du génome entier montrent que certaines d entre elles, en particulier l acétylation et la méthylation, sont clairement corrélées à des états différents de la chromatine, favorisant ou, au contraire, inhibant l expression des gènes (8). L acétylation des histones, qui porte exclusivement sur les lysines, se concentre essentiellement dans les régions transcriptionnellement actives du génome. En neutralisant les charges positives portées par ces résidus, l acétylation affaiblit les interactions entre les histones et l ADN qui, lui, est chargé négativement. Ainsi, elle peut induire localement des transitions de la chromatine, ce qui la rend plus permissive pour la transcription. De nombreux facteurs de transcription sont connus pour être capables de recruter les enzymes responsables de l acétylation des histones, appelées acétyltransférases (HAT). Celles-ci provoquent ainsi un relâchement local de la chromatine, qui favorise ensuite la mise en place de la machinerie d initiation de la transcription. À l inverse, certains répresseurs agissent par l intermédiaire d enzymes de désacétylation (HDAC). De manière intéressante, nombre de ces facteurs, aussi bien activateurs que répresseurs, sont des protéines vers lesquelles convergent diverses voies de signalisation, indiquant que des changements d état de la chromatine peuvent être induits par des signaux de communication intercellulaire, telles les hormones. L effet positif de l acétylation des histones sur la transcription peut également provenir de la capacité des lysines acétylées 274 à recruter directement des facteurs transcriptionnels, en particulier ceux possédant un domaine spécialisé, appelé bromodomaine (8). La méthylation des histones porte à la fois sur les arginines et les lysines, mais, contrairement à l acétylation, elle ne modifie pas leur charge globale. La méthylation des histones constitue le plus souvent une marque de répression de la chromatine. Toutefois, si l on entre dans le détail, les relations entre l état de méthylation des histones et le niveau d activité transcriptionnelle du génome sont assez complexes dans la mesure où elles dépendent à la fois de la position des résidus qui sont modifiés et de la localisation des histones qui les portent au sein du génome (par exemple, dans le corps des gènes ou au niveau de leur promoteur). L influence de la méthylation des histones sur la transcription repose essentiellement sur la capacité des résidus méthylés à interagir avec des protéines possédant un domaine particulier ou chromodomaine, qui sont ensuite capables de moduler la transcription ou l état de condensation de la chromatine (8). La protéine hétérochromatinienne (HP1), par exemple, est une cible privilégiée des marques de type H3K9 (lysine 9 de l histone H3) méthylées, caractéristiques d un état réprimé de la chromatine. La découverte de toutes ces corrélations a conduit à l hypothèse de l existence d un code histone (9). Selon cette hypothèse, chaque type de modification des histones représenterait une information reconnaissable par les protéines effectrices, capables ensuite de produire des effets spécifiques sur l état de la chromatine. Dans la mesure où différents types de modifications peuvent coexister simultanément sur les mêmes histones et s influencer ainsi mutuellement de façon soit synergique soit antagoniste, il semble aujourd hui évident que le code histone repose davantage sur la combinatoire de ces modifications que sur leur nature individuelle. Les modifications des histones présentent des similitudes évidentes avec la méthylation de l ADN et peuvent de ce fait être rangées dans la catégorie des informations épigénétiques, d autant qu elles sont également transmissibles lors de la réplication de l ADN (10). L ensemble de ces marques forme ce que l on appelle désormais l épigénome. De manière intéressante, ces 2 systèmes de marquage épigénétique ne fonctionnent pas indépendamment. Par exemple, les protéines à domaine MBD capables de reconnaître spécifiquement l ADN méthylé, exercent leur effet répresseur en recrutant des HDAC. De même, il a été montré que des DNMTs pouvaient interagir avec certaines enzymes de méthylation des histones, ce qui contribuerait à

5 L épigénétique : l autre face de la génétique assurer leur ciblage au niveau des régions du génome à réprimer. Ainsi, des boucles de renforcement mutuel entre méthylation de l ADN et modification des histones peuvent être mises en évidence (11). Implications médicales importantes, mais difficiles à estimer L exploration intensive du génome humain menée au cours des dernières années a montré que, dans bien des cas, des maladies à composante génétique pourtant considérée comme forte, telles que les cancers, les diabètes ou certains troubles neuropsychiatriques, ne s expliquent pas comme la simple conséquence de mutations. Ce constat a ouvert de nouvelles pistes de recherche, qui révèlent que des altérations de l épigénome, ou épimutations, pourraient aussi être impliquées. Dans les cancers, par exemple, on a pu mettre en évidence des perturbations des profils de méthylation de l ADN ou de modification des histones, qui conduisent à une répression inappropriée des gènes suppresseurs de tumeurs et/ou à une réactivation de proto-oncogènes, sans pour autant que leurs séquences nucléotidiques n en soient altérées (12). Il semble également de plus en plus évident que des changements de l environnement, notamment en début de vie comme, par exemple, une exposition à un stress, peuvent avoir un impact sur l épigénome, non seulement sur celui des individus qui les subissent mais également sur celui de leurs descendants (13). Conclusion L épigénome des cellules évolue au cours de leur différenciation, par exemple par apposition de marques nouvelles. Ces marques conduisent à une compartimentation fonctionnelle de leur génome, leur p ermettant ainsi de discriminer les régions permissives à la transcription de celles à maintenir silencieuses. La relative stabilité de ces marques est l une des causes probables du caractère généralement irréversible de la différenciation cellulaire. De nombreuses recherches visent aujourd hui à améliorer les méthodes d obtention de cellules souches à partir de cellules différenciées ou, réciproquement, de redifférenciation de ces cellules souches dans une voie particulière. Leur succès dépendra de la possibilité de remplacer les marques épigénétiques spécifiques d un état cellulaire donné par celles associées au nouvel état recherché. Ces tentatives de reprogrammation cellulaire, qui étaient réalisées jusqu à présent sur des bases largement empiriques, devraient bénéficier de la meilleure connaissance de la dynamique de l épigénome. L épigénome des cellules peut également se modifier au terme de leur différenciation sous l effet des différents facteurs internes et environnementaux auxquels elles sont exposées, aussi bien dans les conditions physio logiques que pathologiques. Un autre enjeu des recherches à venir sera de mieux comprendre comment l épigénome peut servir d interface entre ces divers facteurs et l ADN. Références 1. Bird A. Perceptions of epigenetics. Nature 2007;447: Zhou H, Hu H, Lai M. Non-coding RNAs and their epigenetic regulatory mechanisms. Biol Cell 2010;102: Suzuki MM, Bird A. DNA methylation landscapes: provoca- 5. He YF, Li BZ, Li Z et al. Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA. Science 2011;333: Pelizzola M, Ecker JR. The DNA methylome. FEBS Lett 2011; 585: tive insights from epigenomics. Nat Rev Genet 2008;9: Meissner A. Epigenetic modifications in pluripotent and 4. Chen ZX, Riggs AD. DNA methylation and demethylation 8. Bannister AJ, Kouzarides T. Regulation of chromatin by in mammals. J Biol Chem 2011;286: differentiated cells. Nat Biotechnol 2010;28: histone modifications. Cell Res 2011;21: Jenuwein T, Allis CD. Translating the histone code. Science 2001;293: Zhu B, Reinberg D. Epigenetic inheritance: uncontested? Cell Res 2011;21: Winter S, Fischle W. Epigenetic markers and their cross-talk. Essays Biochem 2010;48: Lechner M, Boshoff C, Beck S. Cancer epigenome. Adv Genet 2010;70: Szyf M. The early life environment and the epigenome. Biochim Biophys Acta 2009;1790: