Epigenèse et développement des mammifères

Mots clés : épigénétique, inactivation du chromosome X, développement murin, chromatine, organisation du noyau

Consultez le rapport d'activité scientifique. (pdf 1,7Mo, mise à jour 9 février 2010)

Le développement embryonnaire précoce des mammifères femelles s'accompagne de l'inactivation transcriptionnelle de l'un de leurs deux chromosomes X, achevant ainsi la compensation de dose vis-à-vis des mâles XY. Ce processus, connu sous le nom d'inactivation du chromosome X, représente un paradigme de l'épigenèse développementale.

L'un des aspects les plus frappants de l'inactivation du chromosome X réside dans le fait qu'un chromosome entier est inactivé tandis que son homologue, présent dans le même noyau, reste actif. Un locus unique, le centre d'inactivation du chromosome X (Xic), est à l'origine de l'initiation de ce processus. Le Xic produit un ARN régulateur non-codant appelé Xist (X inactive specific transcript), qui « recouvre » le chromosome X et entraîne son inactivation. Nous souhaitons comprendre à la fois la base de la régulation mono-allélique de l'inactivation du chromosome X, la fonction du transcrit Xist et les mécanismes épigénétiques qui sous-tendent la mémoire cellulaire de l'état inactif - impliquant des protéines de la chromatine, des ARN non-codants et la méthylation de l'ADN. Comprendre l'épigenèse de l'inactivation du chromosome X permettra d'appréhender certaines situations pathologiques, telles que le cancer, qui impliquent un dérèglement des mécanismes épigénétiques contrôlant l'expression des gènes.

Pour analyser la régulation développementale ainsi que les exigences génétiques et épigénétiques de l'inactivation du chromosome X dans les différents lignages embryonnaires, notre groupe utilise une combinaison d'approches de génétique moléculaire et de biologie cellulaire sur des embryons murins et des cellules souches embryonnaires. Le rôle des facteurs chromatiniens, des ARN non-codants et de l'organisation nucléaire est étudié grâce à des techniques d'imagerie par fluorescence à plusieurs dimensions, sur cellules fixées et vivantes, ainsi que par des approches épigénomiques.

Nos études sur embryons de souris ont montré que l'inactivation du chromosome X est un processus très dynamique au cours de l'embryogenèse précoce (Fig. 1).

Fig. 1 

Chez la souris, le chromosome X paternel (Xp) porte une marque à l'origine de son inactivation préférentielle. Nos études (Okamoto et al, 2004) ont montré que cette inactivation du chromosome X soumise à empreinte parentale survient beaucoup plus tôt qu'on ne le pensait (au stade cellulaire 4-8) et qu'elle est due à une marque du locus Xic (expression soumise à empreinte parentale de Xist). Nous avons également montré que dans la masse cellulaire interne (MCI) du blastocyste, le Xp est réactivé. S'en suit l'inactivation aléatoire soit du chromosome X paternel soit du chromosome X maternel dans les cellules à l'origine de l'embryon. La réactivation du chromosome X paternel témoigne de la plasticité de l'état inactif au cours du développement précoce et souligne la capacité particulière de la MCI à reprogrammer de façon globale les marques épigénétiques dans le lignage cellulaire à l'origine l'embryon.

La base de la régulation mono-allélique de l'inactivation aléatoire du chromosome X demeure inconnue. Nous avons récemment montré que le locus qui contrôle l'initiation de l'inactivation du chromosome X (Xic) est impliqué dans des interactions physiques transitoires et dynamiques (Fig. 2).

Fig. 2 

Nous pensons que ces interactions sous-tendent un processus complexe permettant à chaque cellule de détecter le nombre de chromosomes X en son sein, et de déclencher l'inactivation du chromosome X lorsque plus de deux chromosomes X sont présents. L'appariement des Xics pourrait également expliquer la régulation mono-allélique du gène Xist. L'appariement des Xics (Fig. 3) représente l'un des premiers exemples d'interactions physiques transitoires régulées au cours du développement entre des loci homologues dans les cellules mammifères.

Fig. 3 

Le rôle de l'ARN de Xist dans l'inactivation du chromosome X reste largement incompris. Nous avons récemment obtenu de nouvelles informations sur l'un des rôles de l'ARN de Xist en montrant qu'il crée un compartiment nucléaire inactif dans lequel les gènes sont recrutés lorsqu'ils sont inactivés (Fig. 4).

Fig. 4 

Ce recrutement participe probablement au maintien de l'état inactif et renforce l'idée selon laquelle la compartimentation nucléaire joue un rôle important dans les processus épigénétiques.

La mission de notre laboratoire est de définir les mécanismes sous-jacents à l'inactivation du chromosome X au cours du développement embryonnaire et d'utiliser l'inactivation du chromosome X comme système modèle pour l'étude de l'épigenèse du cancer.

Dans ce contexte, nos objectifs actuels sont :

• Étudier la séquence des événements et leurs exigences épigénétiques lors de la mise en place de l'inactivation du chromosome X ;
• Étudier la plasticité épigénétique de l'état inactif du chromosome X au cours du développement précoce ainsi que dans les cellules somatiques saines et tumorales ;
• Définir la dynamique nucléaire du Xic et le rôle de la compartimentation nucléaire dans l'inactivation du chromosome X ;
• Étudier le rôle de l'ARN de Xist et d'autres ARN non-codants dans l'inactivation du chromosome X.

Dernière mise à jour : février 2010

Publications clés

2007

• Augui S., Filion G., Huart S., Guggiari M., Maresca M., Stewart F. & Heard E.
  Sensing X-chromosome pairs prior to X inactivation via a novel X-pairing region of the Xic
  Science, 318, 1632-1636
• Vincent-Salomon A., Ganem-Elbaz C., Manie E., Raynal V., Sastre-Garau X., Stoppa-Lyonnet D., Stern M.H. & Heard E.
  X-inactive-specific transcript RNA coating and genetic instability of the X chromosome in BRCA1 breast tumors
  Cancer Research, 67, 5134-5140

2006

• Chaumeil J., Le Baccon P.,Wutz A. & Heard E.
  A novel role for Xist RNA in the formation of a repressive nuclear compartment into which genes are recruited when silenced
  Genes & Dev., 20, 2223-2237

2005

• Okamoto I., Arnaud D., Le Baccon P., Otte A.P., Disteche C., Avner P. et Heard E.
  Imprinted inactivation of the paternal X chromosome in mice occurs de novo
  Nature, 438(7066):369-73

2004

• Okamoto I., Otte A., Allis C. D., Reinberg D. et Heard E.
  "Epigenetic dynamics of imprinted X inactivation during early mouse development"
  Science, 303, 644-649