Épigénétique
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Le terme épigénetique définit les modifications transmissibles et réversibles de l'expression des gènes ne s'accompagnant pas de changements des séquences nucléotidiques. Les changements peuvent se produire spontanément, en réponse à l'environnement, à la présence d'un allèle particulier, même si celui-ci n'est plus présent dans les descendants.
Ce type de régulation peut cibler l'ADN, l'ARN ou les protéines et agir au niveau du noyau ou du cytoplasme. Les modifications épigénetiques constituent l'un des fondements de la diversité biologique.
L'épigénetique se propose d'étudier les effets qui sont hérités d'une cellule à sa descendante lors de l'embryogenèse, de la régénération ou du remplacement des cellules, des tumeurs, des cultures de cellules ou de la réplication d'organismes unicellulaires.
Depuis quelques temps, on observe un intérêt croissant sur le fait que certains caractères épigénetiques hérités pouvaient être transmis lors de la réplication de cellules (méiose) voire subsister d'une génération à l'autre pour des organismes multicellulaires.
Les phénomènes épigénetiques constituent un programme qui déciderait quels gènes activer ou, a contrario, inhiber. L’environnement influence ces signaux épigénetiques qui peuvent ainsi subir de petits changements. Ces épimutations sont plus fréquentes que les mutations classiques de l’ADN.
Les phénomènes épigénetiques couvrent les paramutations [en], bookmarking [en], imprinting [en], gene silencing [en], X chromosome inactivation [en], position effect [en], reprogramming [en], transvection [en], effet maternel [en] (l'effet paternel est plus rare car le sperme est un vecteur moins important de matériel non nucléotidiques), de l'évolution des cancers, de plusieurs effets de la tératogenèse, de la régulation des modification d'histone et de l'hétérochromatine ainsi que des limitations de la parthénogenèse ou du clonage.
Sommaire |
[modifier] L'épigénome
L’épigénome est l'état épigénétique de la cellule. A l'image des cellules embryonnaires qui peuvent avoir plusieurs fonctions finales, un unique génome peut être modifié de multiples manières pour donner un épigénome. Il est actuellement conjecturé qu'un code épigénétique existe dans chaque cellules eucaryotes. A l'extrême, ce code épigénétique représente le type et la position de chaque molécule de la cellule.
[modifier] Processus de transmission épigénétique
Plusieurs processus de transmission épigénetique peuvent jouer un rôle dans ce qu'on appelle quelques fois la mémoire de la cellule.
[modifier] Transcription d'ARN et de protéines
Ce mécanisme est en quelque sorte une autoactivation du gène. En effet, après transcription du gène en ARN et/ou en protéine finale, on observe un entretien de l'activation de ce même gène ou d'autres afférents. Par exemple, Hnf4 et MyoD augmentent leur propre transcription. Même si le stimulus à l'origine de l'activation d'un gène est absent, les cellules filles peuvent hériter de cette activation chez la cellule mère. Le plus souvent l'activation d'un gène se produit par transduction mais il est possible que l'ARN se transmette aux autres cellules par simple diffusion.
[modifier] Système de transmission structurelle
La transmission structurelle est un mécanisme encore très mystérieux. Il implique la transmission entre cellules (voire entre cellules de générations différentes) de structures particulières (par exemple de protéines). Ces structures modifiées semblent jouer le rôle de "patron" pour l'organisation structurelle de génération suivante. Ce mécanisme de transmission a été mis en évidence dans les organismes unicellulaires cilié comme la tetrahymena ou la paramécie. En effet, pour des cellules semblables au niveau génétique, on peu observer des différences dans l'organisation des cils de surface. Cette organisation est transmissible à la génération suivante. On soupçonne une telle transmission d'être possible pour les organismes multicellulaires.
[modifier] Les modifications de la chromatine
Puisque le phénotype d'une cellule ou d'un individu est affecté par l'expression de ses gènes, les états issus de ces transcriptions peuvent donner lieux à des traces épigénétiques. Une des manières dont l'expression d'un gène peut être régulée est l'état de la chromatine. Celle-ci peut être dite "ouverte" permettant ainsi l'accès à la machinerie transcriptionnelle et l'expression génique ou "fermée", empêchant l'expression d'un gène. L'état de la chromatine est dicté par les modifications post-traductionnelles des protéines liées à l'ADN: les histones. La méthylation de ces protéines au niveau de résidus lysines entraîne une fermeture de la chromatine. Au contraire, l'acétylation également de lysines entraîne une ouverture de la chromatine permettant ainsi la transcription. Certaines régions du génome sont constitutivement dans un état chromatinien fermé (hétérochromatine). C'est le cas des centromères et des télomères. Aucune transcription n'a lieu dans l'hétérochromatine (effet de position). Les gènes sont au contraire situés dans la chromatine active (euchromatine) pour permettre leur expression. Puisque l'ADN n'est pas entièrement entouré de nucléosomes au cours de la réplication, les histones modifiés (méthylées ou acétylées) restantes sont supposées guider les modifications des nouvelles histones après la formation des nucléosomes. On peut noter cependant que les modifications d'histones ne sont pas toutes transmises d'une génération à l'autre.
[modifier] Modification chimique de l'ADN
L'expression d'un gène peut également être guidé par une modification chimique de l'ADN: la méthylation de cytosine en 5-methylcytosine dans les dimères CG de l'ADN. Le nombre et la façon dont sont méthylées ces bases influencent souvent l'expression des gènes composés de ces bases : une faible méthylation se traduit le plus souvent par une forte expression du gène alors qu'un haut niveau de méthylation inactive le gène. Cependant il existe des exemples ou une forte méthylation n'a pas de répercussions sur le niveau d'expression. La méthylation de l'ADN est l'acteur majeur de la mise en place de l'empreinte parentale, mécanisme par lequel l'expression d'un gène va dépendre de l'origine parentale. Par exemple, dans le cas d'un gène à expression maternel, l'allèle paternel est méthylé et entièrement éteint alors que l'allèle maternel est non-méthylé et entièrement exprimé. L'empreinte parentale dépend également des modifications de la chromatine. La méthylation de l'ADN est souvent observée dans les gènes répétés et pourrait être un mécanisme naturel pour l'inactivation des gènes inutiles. Les méthylations de l'ADN peuvent soit être héritées soit créées ou modifiées en réponse à un facteur environnemental. Dans ce dernier cas, la modification créée par l'environnement sera transmise aux descendants au même titre qu'une marque héritée.
[modifier] Prions
Les maladies infectieuses ne sont pas habituellement décrites comme des régulateurs épigénétiques, mais l'infection et la transmission verticale de virus comme l'HIV fonctionnent de manière identique. De plus, certains prions ont montré des effets bénéfiques et, comme ils décrivent la nature adaptative des protéines, ils ont été décris comme des mécanismes de transmission épigénétique.
[modifier] Codage épigénétique et évolution
L'épigénétique est une réminiscence de l'héritage de caractères acquis chers à Lamarck (ou encore des spéculations de Darwin sur le pangénétisme). Mais contrairement à ces anciennes théories, l'épigénétique admet la prééminence de la sélection naturelle et de l'altération aléatoire du génome.
[modifier] Effet épigénétique possible sur l'être humain
Sans avoir identifié les porteurs de ces modifications transmissibles des études sur l'Homme (étude du poids des nouveaux-nés lors de la famine aux Pays-Bas en 1947, ainsi que chez leurs descendants), les drosophiles (larves soumises à des températures élevées) ont montré l'influence de l'environnement sur la diversité du vivant.
Une étude faite sur une population dont étaient référencés tous les individus ainsi que leur alimentation en fonction des récoltes à montré qu'une grand-mère ayant vécu une famine transmet cette information à sa descendance et par conséquent modifie le code génétique de son petit fils, qui peut développer des maladies alors qu'il n'a jamais connu de famine. De même les femmes enceintes durant les événements du 11 septembre 2001 ont montré que l'enfant possédait un taux de cortisol plus élevé.
Ce phénomène impliquerait que certaines maladies ne sont pas dues à une variation de la séquence d’ADN mais peut-être à des épimutations. Les mécanismes épigénétiques constitueraient de nouvelles cibles pour la mise au point de médicaments spécifiques. En attendant cette confirmation, nous pouvons déjà reconsidérer notre hérédité et défendre l’idée que nous ne sommes pas que le pur produit de nos gènes.
[modifier] Rappels historiques
Certains biologistes ont pensé dans le passé que le modèle génétique, postulant une équivalence unique entre le phénotype et le génotype, ne pouvait expliquer la différentiation cellulaire. Ils développèrent alors une théorie dans laquelle chaque cellule indifférentiée passait par un état critique qui serait responsable de son développement futur et qui n'étant pas lié à ses gènes, était qualifié d'épigénétique.
De la même manière le psychologue Erik Erikson développa une théorie épigénétique du développement humain traitant des crises psycho-sociales vécues par l'individu, servant ainsi à décrire différentes étapes développementales entrecoupées par ces crises. Selon Erikson, même si ces crises ont le plus souvent une origine génétique, la manière dont elles se vivent ne peut être epxliqué par la génétique et donc, en écho à la théorie en biologie, sont qualifiées d'épigénétiques.
On attribue souvent la paternité du épigénétique au biologiste C.H. Waddington quand il le définit en 1942 comme une branche de la biologie qui étudie les implications entre les gènes et leurs produits donnant naissance au phénotype d'un individu. Néanmoins le terme épigénétique est employé depuis le début du dix huitième siècle (voir aussi Pierre Louis Maupertuis).
