Conflit parental, immunité et grossesse (Lyon, 9/3/2018 ... · Les gènes soumis à empreinte dans la fonction placentaire Mécanismes de lempreinte parentale: un cas particulier

LE PARADOXE DE LA GESTATION CHEZ

LES MAMMIFÈRES EUTHÉRIENS

Conflit parental, immunité et grossesse (Lyon, 9/3/2018)

PLAN DU COURS

Les gènes soumis à empreinte – pourquoi? Démonstration de leur présence chez les mammifères (Solter et

Surani)

Apparition dans l’évolution des vertébrés

Les gènes soumis à empreinte dans la fonction placentaire

Mécanismes de l’empreinte parentale: un cas particulier de régulation épigénétique Définitions

Mécanismes

Liens avec l’évolution biologique

Le paradoxe immunologique de la gestation Bases théoriques

Fausses couches à répétition et prééclampsie

UNE ILLUSTRATION DE LA NON-ÉQUIVALENCE DES

GÉNOMES PATERNELS ET MATERNELS

3

LES EXPÉRIENCES DE SURANI: NON

ÉQUIVALENCE DES GÉNOMES

4

IDEM CHEZ L’HUMAIN

(Wake et al., 1978)

5

APPARITION DE L’EMPREINTE CHEZ LES

MAMMIFÈRES PLACENTAIRES

6 (Renfree et al, Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013)

PAS DE GÈNES SOUMIS À EMPREINTE CHEZ LES

OVIPARES

(Proudhon et Bourc’his, 2010)

(Proudhon et Bourc’his, 2010)

APPARITION DES GÈNES SOUMIS À EMPREINTE

CHEZ LES MAMMIFÈRES

LES GENES SOUMIS A EMPREINTE DANS

LE PLACENTA

LE PARADIGME H19/IGF2

LE RÔLE DES GÈNES SOUMIS À EMPREINTE DANS

LE CONFLIT MATERNO-PARENTAL

Constancia, Nature 2004 12

Constancia, Nature 2004

LE RÔLE DES GÈNES SOUMIS À EMPREINTE

DANS LE CONFLIT MATERNO-PARENTAL

13

MÉCANISMES DE L’EMPREINTE: LA

MACHINERIE ÉPIGÉNÉTIQUE

UNE DÉFINITION DE JBS HALDANE

« Dear Professor, I

cannot believe that in

only a few million years,

we have passed from

one-cell organisms to

complex beings as we

are. »

A lady (name not

remembered by history)

« Dear Madam, you did it

yourself in nine months! »

UN PEU DE TEXTE…

Epigenetics : heritable changes in gene expression or cellular phenotype caused by mechanisms other than changes in the underlying DNA sequence

These changes may remain through cell divisions for the remainder of the cell's life and may also last for multiple generations. However, there is no change in the underlying DNA sequence of the organism; instead, non-genetic factors cause the organism's genes to behave (or "express themselves") differently.

One example of epigenetic changes is the process of cellular differentiation. Totipotent stem cells become the various pluripotent cell lines which in turn become fully differentiated cells.

Trans-mitotic or Trans-meiotic?

The case of imprinted genes

DU CODE AU MESSAGE

Information Message Action

DNA ARNm Protéine

ARN de structure

LES TYPES CELLULAIRES ET L’ÉPIGÉNÉTIQUE

Hépatocyte Neurone

WADDINGTON (1905-1975) SUGGÈRE QUE LES

PHÉNOTYPES S’ÉTABLISSENT AU COURS DU

DÉVELOPPEMENT PAR UN POSITIONNEMENT DES

CELLULES DANS UN PAYSAGE ÉPIGÉNÉTIQUE.

S Yamanaka Nature 460, 49-52 (2009)

LE CONTEXTE DE L’ÉPIGÉNÉTIQUE

Gènes

Codant pour des protéines (20-30000)

Acteurs de l’épigénétique Méthylation de l’ADN

Modifications des histones

ARNs non-codant

•Phosphorylations

•Acétylations

•Méthylations

•Sumoylations

•Glycosylations

•Ubiquitinations

Modifications post-

traductionnelles

Transcription

ARNs non-codant (~30000?)

Au cours du développement, plus de 200

types cellulaires apparaissent

DES MARQUES ÉPIGÉNÉTIQUES QUI

TRAVERSENT PLUSIEURS GÉNÉRATIONS

EFFETS DE CONTAMINANTS

ALIMENTAIRES SUR LA GAMÉTOGENÈSE

Anway, 2005, Science

HISTOLOGIE TESTICULAIRE

EFFETS TRANSGÉNÉRATIONNELS

L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL SUR L’EXPRESSION DES GÈNES

PAR LES ALTÉRATIONS ÉPIGÉNÉTIQUE

(Jirtle, Skinner, 2007)

L’ÉPIGÉNÉTIQUE EST ELLE UN MODE

D’ÉVOLUTION LAMARCKIEN?

LE « VRAI » APPORT DE L’ÉPIGÉNÉTIQUE À

L’ÉVOLUTION DU VIVANT

Adaptation à la température 25-35 °C Adaptation à la température 25-35 °C

Cyprinodon salinus salinus

A1 A2 A3 A4 A5 AA

Adaptation à la température 25-35 °C Adaptation à la température 25-35 °C

A2 A3 AA

Adaptation à la température 25-35 °C Adaptation à la température 25-35 °C

A3 AA

Adaptation à la température 25-35 °C

AA

Mort de l’espèce

An

né

e f

roid

e

An

né

e t

ièd

e

An

né

e c

ha

ud

e

An

né

e f

roid

e

DES ESPÈCES ÉPIGÉNÉTIQUES?

DEUX PHÉNOTYPES: UNE SÉQUENCE

GÉNÉTIQUE DANS LE GÈNE LCYC

LES MACHINERIES MOLÉCULAIRES À LA

BASE DE L’ÉPIGÉNÉTIQUE

DNA methylation, Histone

methylation/acetylation and other post-

translational modifications, miRNA

expression control gene expression

LES ACTEURS MOLÉCULAIRES DE

L’ÉPIGÉNÉTIQUE DNA methylation

DNA methyltransferases

Maintenance: DNMT1

De novo methylation: DNMT3A,

DNMT3B

Regulatory: DNMT3L

Acting on RNA targets: DNMT2

Demethylases:

TET1, TET2, TET3

Gadd45

Targets: CpG islands

Stability

Correlation with gene expression ?

Histone code

>70 post-translational

modifications on N-ter

amino-acids of H3 and

H4

A complex code

H3K4Me3 open

H3K27Me3 closed

H3/H4 Acet open

Numerous enzymes

involved

HAT

HDAC

Swi-Snf

P300/CEBP

LSD1

Documented

modifications by cellular

processes/stresses

MiRNA synthesis and

regulation

Targeting hundred of

genes

Powerful identification

tools now available

Quantification eaasy by

qRT-PCR

Biological targets can be

identified

Molecular mechanisms at

least partially elucidated

Drosha

Dicer

RISC complex

Argonaute proteins

LA MÉTHYLATION DE L’ADN SUR LES CYTOSINES

MÉTHYLATION DE L’ADN ET DÉVELOPPEMENT

MÉTHYLATION DE L’ADN ET TRANSCRIPTION ?

UN NOUVEAU PARADIGME

P Exons

P Exons P Exons

P Exons P Exons

TOUJOURS TOUT FAUX

Gene name N of corr N of significant

corr

Best Pearson corr

(p-value) Promoter Gene body

APAF1 2 0 --- --- ---

BCL2 1 1 0.451 (0.002) --- 1 (+)

CASP3 2 0 --- --- ---

CD247 12 12 -0.595 (<0.0001) --- 12 (-)

CD28 2 2 -0.495 (0.0005) 2 (+) ---

CD3D 4 1 -0.500 (0.0004) --- 1 (-)

CD3E 2 2 -0.546 (<0.0001) --- 2 (-)

CD3G 3 1 -0.335 (0.02) 1 (-) ---

FCER1G 3 0 --- --- ---

HLA-A 3 0 --- --- ---

HLA-B 2 0 --- --- ---

HLA-C 2 0 --- --- ---

HLA-DMA 3 1 0.382 (0.009) --- 1 (+)

HLA-DMB 9 7 0.464 (0.001) --- 7 (+)

HLA-DOB 2 1 0.307 (0.04) 1 (-) ---

HLA-DQB1 12 7 0.656 (<0.0001) 1 (+) 4 (+), 2 (-)

HLA-DRB1 17 11 0.898 (<0.0001) 1 (-) 6 (+), 4 (-)

HLA-E 7 0 --- --- ---

IFNGR2 3 0 --- --- ---

IKBKB 1 0 --- --- ---

IL1B 1 1 -0.291 (0.05) --- 1 (-)

IL1RAP 1 0 --- --- ---

INS 1 0 --- --- ---

IRF1 1 0 --- --- ---

LTA 13 10 -0.377 (0.01) 1 (+) 9 (-)

MAP2K3 2 0 --- --- ---

MAP3K14 1 0 --- --- ---

MAP3K5 3 0 --- --- ---

MAPK14 1 0 --- --- ---

MAPK9 1 0 --- --- ---

NFKBIA 1 0 --- --- ---

NGFR 2 1 -0.360 (0.01) 1 (-)

SOCS2 1 1 0.503 (0.0004) 1 (+)

STAT1 4 2 -0.418 (0.004) 1 (-)

TNFRSF1B 1 1 -0.305 (0.04) 1 (-)

(Fraga, 2005)

MISE EN ÉVIDENCE DES MODIFICATIONS

ÉPIGÉNÉTIQUES AU COURS DE LA VIE ET DES

EXPOSITIONS DE L’INDIVIDU

ET LE CODE DES HISTONES?

CODE DES HISTONES ET TRANSCRIPTION

ALIMENTATION ET ÉPIGÉNÉTIQUE: ORIGINE DES

RÉSIDUS MÉTHYLÉS

• Plantes feuillues

(épinards, asperges,

laitue)

• Pois, lentilles, haricots

• Jaune d’œuf

• Levure de boulanger

• Céréales de petit

déjeuner

• Foie

• Rognons

EPIGÉNÉTIQUE ET MICROARN

(Udali et al, 2012)

3

Long Noncoding RNAs in Cardiac Development and Pathophysiology. Schonrock, Nicole; Harvey, Richard; Mattick, John Circulation Research. 111(10):1349-1362, October 26, 2012. DOI : 10.1161/CIRCRESAHA.112.268953

Figure 2 . Overview of the current landscape of non coding RNAs (ncRNAs). A, ncRNAs can be superficially divided into 2 classes based on their size, long (>200 nt) and short (B, Characteristics of 4 long ncRNA classes. Enhancer RNAs (eRNAs) derived from bidirectional transcription of enhancer domains marked by histone 3 lysine 4 monomethylation (H3K4me1) are 5' capped but generally are not polyadenylated. Long intergenic ncRNAs (lincRNAs) are generated from independent promoters, characterized by the presence of histone 3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3), distal to and not overlapping any protein-coding gene. In contrast, natural antisense transcripts (NATs) arise from independent transcription of the opposite DNA strand and may be intronic, intragenic, or bidirectional to protein-coding genes, and may share some sequence complementarity with their sense transcript. Despite having a 5' cap, 3' untranslated region (UTR)-derived RNAs (uaRNAs) are unlikely to be independently transcribed and may be a cleavage product of a longer messenger RNA (mRNA) precursor.

LA COMPLEXITÉ DES ARN NON CODANTS VA AU-

DELÀ DES MICRORNA

EN RÉSUMÉ…

Méthylation de l’ADN

A quel endroit?

Qui le fait?

Le code des histones

Ce sont des modifications post-traductionnelles

A des positions particulières (plutôt près de la queue N-terminale

Souvent des méthylations et des acétylations

Les ARN non codants

Comment l’organisme maternel peut-il, chez les

mammifères vivipares, accepter pendant des

semaines, des mois, voire plus d’une année, un

organisme pour moitié d’origine paternelle, comme

une véritable greffe ?

P Medawar 1953

IMMUNITÉ ET PLACENTATION

LES LIMITES DE LA TOLERANCE IMMUNITAIRE

QUELLES SONT LES CAUSES DE

L’ACCOUCHEMENT?

(Marcellin et al J Immunol, 2017)

QUELLES SONT LES CAUSES DE

L’ACCOUCHEMENT?

(Marcellin et al J Immunol, 2017)

UN ÉQUILIBRE FRAGILE

Défauts immunologiques = placentation

déficientes

Flux utéro-placentaire anormal

RCIU

Prééclampsie

LA PRÉÉCLAMPSIE: UNE MALADIE

GESTATIONNELLE HUMAINE MAJEURE

• Preeclampsia:

3% to 8% of pregnancies

A major cause of materno-foetal morbidity and mortality

Only cure: the placenta and foetus delivery

Risk factors

Primiparity

Chronic hypertension

Diabetes

Obesity

preeclampsia is a multifactorial disease

Specifically human

CE QUE L’ON SAIT

Clinical definition (from the 20th week of amenorrhea):

hypertension (>140:90; >160:110 for severe cases)

proteinuria (>300 mg/day)

Physiopathology :

Early defect : abnormal placentation

Shallow invasion hypoperfusion

• How does the placental defect lead to a systemic maternal syndrome ?

Normal Preeclampsia

(Redman, Sargent, 2005)

LES CAUSES ET LES OUTILS

DU DÉFAUT IMUNITAIRE À L’ANOMALIE DE

PLACENTATION, VERS LA DYSFONCTION ENDOTHÉLIALE

GÉNÉRALISÉE

POURQUOI (COMMENT) LA PRÉECLAMPSIE

EXISTE-T-ELLE?

Un paradoxe biologique

Une maladie grave: pays en voie de développement, Europe avant la médecine moderne

Une maladie pouvant tuer les femmes quand elles vont donner la vie

Une maladie fréquente

Un avantage sélectif?

Modélisation:

Une pathologie de la première gestation

La gravité diminue avec les grossesses consécutives s’il n’y a pas de changement de partenaire

Hypothèses: Une probabilité d’avoir des allèles à risque

Une probabilité de décéder si la pathologie se déclare

Ce qui change les fréquences alléliques à la génération suivante

Education par

les mères Education

par les

pères

Education par les mères

Education par les

pères

Encéphalisation

Corrélation conceptualisée entre

accouplement et gestation

notion de filiation paternelle qui

apparait dans l’évolution

LES ALLÈLES A RISQUE DISPARAISSENT FAUTE DE

COMBATTANTS

0

5

10

15

20

25

G1

G9

G17

G25

G33

G41

G49

G57

G65

G73

G81

G89

G97

G10

5

G11

3

G12

1

G12

9

G13

7

G14

5

G15

3

G16

1

G16

9

G17

7

G18

5

G19

3

G20

1

G20

9

G21

7

G22

5

G23

3

G24

1

G24

9

G25

7

G26

5

G27

3

0

2

4

6

8

10

12

G1

G1

3

G2

5

G3

7

G4

9

G6

1

G7

3

G8

5

G9

7

G1

09

G1

21

G1

33

G1

45

G1

57

G1

69

G1

81

G1

93

G2

05

G2

17

G2

29

G2

41

G2

53

G2

65

G2

77

G2

89

G3

01

G3

13

G3

25

G3

37

G3

49

G3

61

G3

73

G3

85

G3

97

G4

09

G4

21

G4

33

Case1: p(PE) = 0.1; p(mat Death) = 0.2

Case2: p(PE) = 0.05; p(mat Death) = 0.05

T1/2 35 generations

T1/2 212 generations

T1/2 117 generations

After 450 generationsThe defective allele disappear in ~10% of the

cases

Figure 1 (Chelbi et al.)

‘monogamie’

‘promiscuité’

CONCLUSION ET QUESTIONS

Les allèles ‘à risque’ entraînent une disparition

de leurs porteurs

Leur fréquence diminue puis disparaît

Quid de nos proches cousins?

UN INVESTISSEMENT PATERNEL DIFFÉRENT

?

UN ÉQUILIBRE À TROUVER

Fitness

Complete endogamyIncreased consanguinity

Decreases Fitness

Complete exogamyIncreased risk of PEDecreases Fitness

Figure 2 (Chelbi et al.)Des gènes répondent-ils à ce modèle?

CONCLUSIONS ET QUESTIONS

Estimation du rapport coût/bénéfice

Evolution à venir de la viviparité?

Les mêmes mécanismes sont ils à l’œuvre

dans les autres groupes vivipares du monde

vivant

Les plantes supérieures

Des vertébrés dispersés dans l’arbre évolutif

empreinte parentale?