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. Des expériences de transplantation de noyaux chez des zygotes de souris au début des années 80 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’androgénèse (appelées androgénones, avec deux génomes paternels ou de spermatozoïdes) meurent au stade ou avant le blastocyste / implantation. Dans les rares cas où ils se développent jusqu’aux stades postimplantatoires, les embryons gynogénétiques montrent un meilleur développement embryonnaire par rapport au développement placentaire, tandis que pour les androgénones, l’inverse est vrai. Néanmoins, pour ces derniers, seuls quelques-uns ont été décrits (dans un article de 1984).
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 paternelle de méthylation contrôlant le gène Igf2 a conduit à la naissance d’une souris (nommée Kaguya) avec deux ensembles maternels de chromosomes, bien que ce ne soit pas une véritable parthénogénone puisque les cellules de deux femelles différentes des souris ont été utilisées. Les chercheurs ont pu réussir en utilisant 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.
Parthénogénétique / Les embryons gynogénétiques ont deux fois le niveau d’expression normal des gènes d’origine maternelle et manquent d’expression des gènes exprimés de manière paternelle, 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 embryonnaire et placentaire. Les descendants hybrides de deux espèces peuvent présenter une croissance inhabituelle en raison de la nouvelle combinaison de gènes imprimés.
Diverses méthodes ont été utilisées pour identifier les gènes imprimés. Chez les porcs, Bischoff et al. ont comparé des profils transcriptionnels utilisant des puces à ADN pour étudier les gènes différentiellement exprimés entre les parthénotes (2 génomes maternels) et les fœtus témoins (1 génome maternel, 1 génome paternel). Une étude intrigante portant sur le transcriptome des tissus cérébraux murins a révélé plus de 1300 locus de gènes imprimés (environ 10 fois plus que précédemment rapporté) par séquençage d’ARN à partir d’hybrides F1 résultant de croisements réciproques. Cependant, le résultat a été contesté par d’autres qui ont affirmé qu’il s’agissait d’une surestimation d’un ordre de grandeur due à une analyse statistique erronée.
Chez le bétail domestique, les polymorphismes mononucléotidiques dans les gènes imprimés influençant la croissance et le développement du fœtus ont associé à des caractères de production économiquement importants chez les bovins, ovins et porcins.
Cartographie génétique des gènes imprimésModifier
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. La génération d’une série de telles disomies uniparentales, qui ensemble couvrent tout le génome, a permis la création d’une carte d’empreinte. Les régions qui, lorsqu’elles sont héritées d’un seul parent aboutissent à un phénotype discernable, contiennent des gènes imprimés. Des recherches plus poussées ont montré que dans ces régions, il y avait souvent de nombreux gènes imprimés. Environ 80% des gènes imprimés se trouvent dans des grappes telles que celles-ci, appelées domaines imprimés, suggérant un niveau de contrôle coordonné. Plus récemment, des criblages à l’échelle du génome pour identifier les gènes imprimés ont utilisé l’expression différentielle des ARNm des fœtus témoins et des fœtus parthénogénétiques ou androgénétiques hybrides à des micropuces de profilage d’expression génique, l’expression génique spécifique à un allèle à l’aide de microréseaux de génotypage SNP, le séquençage du transcriptome et des pipelines de prédiction in silico .
Mécanismes d’impressionEdit
L’impression est un processus dynamique. Il doit être possible d’effacer et de rétablir les empreintes à travers 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 dans un mâle mais sera exprimée dans n’importe quelle progéniture 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 en fonction du sexe de l’individu, c’est-à-dire dans le sperme en développement (pendant la spermatogenèse), une empreinte paternelle est établie, tandis que dans les ovocytes en développement (oogenèse), une empreinte maternelle s’établit. Ce processus d’effacement et de reprogrammation est nécessaire pour que le statut de l’empreinte des cellules germinales soit pertinent pour le sexe de l’individu.Chez les plantes comme chez les mammifères, deux mécanismes majeurs interviennent dans l’établissement de l’empreinte; il s’agit de la méthylation de l’ADN et des modifications d’histones.
Récemment, une nouvelle étude a suggéré un nouveau mécanisme d’impression héréditaire chez l’homme qui serait spécifique du tissu placentaire et qui est indépendant de la méthylation de l’ADN (le mécanisme principal et classique de empreinte génomique). Cela a été observé chez l’homme, mais pas chez la souris, suggérant un développement après la divergence évolutive des humains et des souris, ~ 80 Mya. Parmi les explications hypothétiques de ce nouveau phénomène, deux mécanismes possibles ont été proposés: soit une modification d’histone qui confère une empreinte à de nouveaux locus imprimés spécifiques du placenta, soit, alternativement, un recrutement de DNMT vers ces locus par un facteur de transcription spécifique et inconnu qui être exprimés au cours de la différenciation précoce des trophoblastes.
RegulationEdit
Le regroupement des gènes imprimés au sein des clusters leur permet de partager des éléments régulateurs communs, tels que les ARN non codants et les régions méthylées différentiellement (DMR) . Lorsque ces éléments régulateurs contrôlent l’impression d’un ou plusieurs gènes, ils sont appelés régions de contrôle d’impression (ICR). L’expression d’ARN non codants, comme l’ARN antisens Igf2r (Air) sur le chromosome 17 de souris et KCNQ1OT1 sur le chromosome humain 11p15.5, s’est avérée essentielle pour l’empreinte des gènes dans leurs régions correspondantes.
Les régions méthylées différentiellement sont généralement des segments d’ADN riches en nucléotides cytosine et guanine, les nucléotides cytosine méthylés sur une copie mais pas sur l’autre. Contrairement aux attentes, la méthylation ne signifie pas nécessairement la mise au silence; au contraire, l’effet de la méthylation dépend de l’état par défaut de la région.
Fonctions des gènes imprimésEdit
Le contrôle de l’expression de gènes spécifiques par empreinte génomique est unique aux mammifères thériens (placentaires mammifères et marsupiaux) et les plantes à fleurs. Des empreintes de chromosomes entiers ont été signalées chez des cochenilles (Genre: Pseudococcus). et un moucheron champignon (Sciara). Il a également été établi que l’inactivation du chromosome X se produit de manière imprimée dans les tissus extra-embryonnaires des souris et tous les tissus des marsupiaux, où c’est toujours le chromosome X paternel qui est réduit au silence.
Le 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. D’autres gènes imprimés sont impliqués dans le développement post-natal, avec des rôles affectant la succion et le métabolisme.
Hypothèses sur les origines de l’empreinte Modifier
Une hypothèse largement acceptée pour l’évolution de l’empreinte génomique est la « hypothèse de conflit parental ». Également connue sous le nom de théorie de la parenté de l’empreinte génomique, cette hypothèse stipule que l’inégalité entre les génomes parentaux due à l’empreinte est le résultat des intérêts divergents de chaque parent en termes de capacité évolutive de leurs gènes. Les gènes du père qui codent pour l’impression acquièrent une meilleure aptitude grâce au succès de la progéniture, au détriment de la mère. L’impératif évolutif de la mère est souvent de conserver les ressources nécessaires à sa propre survie tout en fournissant une alimentation suffisante aux portées actuelles et ultérieures. . En conséquence, les gènes exprimés de manière paternelle ont tendance à favoriser la croissance, tandis que les gènes exprimés par la mère ont tendance à limiter la croissance. À l’appui de cette hypothèse, une empreinte génomique a été trouvée chez tous les mammifères placentaires, où la consommation de ressources de la progéniture post-fécondation aux dépens de la mère est élevée; bien qu’il ait également été trouvé chez les oiseaux ovipares où il y a relativement peu de transfert de ressources après fertilisation 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. La majorité des gènes imprimés affichent des niveaux élevés de conservation de la micro-synténie et ont subi très peu de duplications dans les lignées de mammifères placentaires.
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 d’origine paternelle dans le zygote, ce qui rend difficile d’expliquer pourquoi les gènes maternels abandonneraient volontiers leur domination à celle des gènes d’origine paternelle à la lumière de l’hypothèse du conflit.
Une autre hypothèse proposée est que certains gènes imprimés agissent de manière coadaptée pour améliorer à la fois le développement fœtal et l’approvisionnement maternel en matière de nutrition et de soins. Dans ce document, 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. Expression paternelle 3 (PEG3) est un gène pour laquelle cette hypothèse peut s’appliquer.
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 mécanisme de reconnaissance des chromosomes homologues pendant la méiose, plutôt que sur leur rôle dans expression différentielle. Cet argument se concentre sur l’existence d’effets épigénétiques sur les chromosomes qui n’affectent pas directement l’expression génique, mais dépendent de quel parent le chromosome est originaire. Ce groupe de changements épigénétiques qui dépendent du parent d’origine du chromosome (y compris ceux qui affectent l’expression génique 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, la chromatide parentale non aléatoire distribution dans les fougères, et même changement de type d’accouplement chez la levure. Cette diversité d’organismes qui présentent 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.
La sélection naturelle pour l’empreinte génomique nécessite une variation génétique dans une population. Une hypothèse sur l’origine de cette variation génétique stipule que le système de défense de l’hôte responsable de la désactivation des éléments d’ADN étrangers, tels que les gènes d’origine virale, a été réduit au silence par erreur les gènes dont le silence s’est avéré bénéfique pour l’organisme. Il semble y avoir une surreprésentation des gènes rétrotransposés, c’est-à-dire des gènes qui sont insérés dans le génome par des virus, parmi les gènes imprimés. Il a également été postulé que si le gène rétrotransposé est inséré près d’un autre gène imprimé, il peut simplement acquérir cette empreinte.