Épigénétique et empreinte parentale Flashcards
Toutes les cellules de notre corps partagent exactement la même information génétique sauf quelle cellule?
lymphocytes
Une cellule embryonnaire doit donc se différencier en activant les gènes requis pour sa fonction, et en inactivant ceux qui ne lui sont pas nécessaires. Explique l’exemple de l’hépatocyte.
un hépatocyte doit pouvoir produire
a) les molécules de son cytosquelette qui lui permettent de générer les canalicules biliaires;
b) les molécules d’adhésion cellulaire requises pour interagir avec les autres hépatocytes et former des travées de cellules séparées par les sinusoïdes;
c) les enzymes nécessaires pour effectuer les fonctions métaboliques des hépatocytes;
d) les facteurs de la coagulation, etc.,
et en même temps, inactiver tous les gènes qui ne sont pas nécessaires pour la fonction hépatocytaire, etc. Ces gènes doivent être inactivés de façon permanente, afin qu’un hépatocyte ne puisse pas ultérieurement se différencier en cellule musculaire, en chondrocyte, ou autre.
Ce contrôle de la différenciation est initialement enclenché par quoi?
par des facteurs de transcription
Le contrôle de la différenciation est initialement enclenché par des facteurs de transcription qui font quoi? (2)
- activent ou inhibent les gènes développementaux
- et qui, par la suite, modifient la chromatine de façon à ce que les gènes d’une cellule (et par le fait même de ses descendantes) demeurent actifs ou inactif, et ce de façon constante jusqu’à la mort de l’individu
On dit que ces changements de la chromatine constituent un changement ____
épigénétiques
et ce sont ces modifications qui contrôlent la transcription
Comment les cancers sont-ils reliés à ces changements épigénétiques?
Dans le cancer, les mécanismes responsables de la transmission de ces modifications épigénétiques sont souvent défectueux, ce qui permet aux cellules cancéreuses d’inactiver des gènes normalement actifs (p. ex., P53), et d’activer des gènes qui devraient normalement être inactifs (p. ex., des oncogènes); ces perturbations épigénétiques permettent aux cellules cancéreuses de devenir de plus en plus agressives (1 C’est ce que l’on appelle l’évolution clonale).
Vers le début des années 1980, il est apparu que certains gènes ne suivaient pas les lois de Mendel. De quoi s’agit-il?
l’expression (la transcription) des allèles ce ces gènes était influencée par leur origine parentale. Certains gènes n’expriment que l’allèle paternel (p. ex., IGF2), d’autres que l’allèle maternel (p. ex., H19). On dit que ces gènes ont une empreinte parentale: IGF2 et H19 ont respectivement une empreinte maternelle et paternelle, puisque c’est respectivement l’allèle maternel et paternel qui sont inactivés.
(La terminologie de l’empreinte n’est pas intuitive: elle ne fait pas directement référence à l’expression mais plutôt à la méthylation de l’allèle. Une empreinte maternelle indique que l’allèle d’origine maternelle est méthylé: cet allèle méthylé n’est donc pas transcrit, d’où l’expression paternelle.)
Chez l’humain, combien de gènes ont une empreinte parentale?
Ces gènes sont impliqués dans quoi?
Chez l’humain, une centaine de gènes ont une empreinte parentale; ces gènes sont généralement impliqués dans la croissance cellulaire ou ont un effet neuropsychologique.
Les modifications épigénétiques de la chromatine contrôlent la transcription, et sont caractérisés par quatre principes fondamentaux. Quels sont-ils?
- une marque épigénétique doit altérer la chromatine, sans changer la séquence de nucléotides de l’ADN;
- une marque épigénétique doit être transmise fidèlement d’une cellule à toutes ses descendantes - cette caractéristique garantit que la différenciation est irréversible;
- ces marques doivent être effacées dans les cellules de l’embryon précoce (pendant les 4 premiers jours post-conception, soit avant le stade de blastocyste; notez que les gènes sujets à une empreinte parentale constituent une exception à cette règle);
- après le stade blastocyste (avec la différenciation des cellules de la morule en bouton embryonnaire et en trophoblaste) les cellules de l’embryon recommencent à marquer leur chromatine, selon leurs voies de différenciation.
en d’autres mots:
- Altération au niveau de la chromatine, contrôlant la transcription sans changer la séquence d’ADN
- Marque transmise d’une cellule à toutes ses descendantes
-Marque effacée dans l’embryon précoce
déméthylation globale de l’ADN de la morule
- gènes avec empreinte parentale épargnés
Marquage recommence dans les cellules du blastocyste (128 cellules)
Les marques épigénétiques peuvent se faire à quatre niveaux. Quels sont-ils?
- méthylation des cytosines de l’ADN
- altérations des histones
- protéines Polycomb (Pc) et Trithorax (TTX)
- structure des nucléosomes.
Quelle est la différence majeur entre la La méthylation des cytosines et les altérations des histones vs. les protéines Pc et TTX?
La méthylation des cytosines et les altérations des histones ont un impact local, alors que les protéines Pc et TTX contrôlent de longs segments d’ADN comportant plusieurs gènes.
La méthylation des cytosines à quel effet sur la transcription?
La méthylation des cytosines inhibe la transcription
Quelle enzyme peut ajouter un méthyle sur le cytosines? Sur quel carbone?
L’enzyme DNA-méthyle-transférase (DNMT) peut ajouter un méthyle (CH3) sur le 5e carbone des cytosines (m5C)
Une fois qu’une cytosine est méthylée, la machinerie mitotique s’assurera qu’elle sera transmise méthylée à toutes ses descendantes Explique les étapes requises.
- Les deux brins d’ADN méthylés sont dénaturés en ADN simple-brin (ssDNA).
- La DNA-Pol transforme chacun des brins de ssDNA en dsDNA; notez que le brin original est méthylé, et que le brin neuf ne l’est pas.
- Le DNMT est intimement lié à la machinerie de synthèse de l’ADN: dès qu’il reconnaît une cytosine méthylée sur un brin, il méthyle la cytosine sur le brin complémentaire.
Qu’est ce qui recrute le DNMT? Ce qui occasionne quoi?
Des facteurs de transcription inhibiteurs (FT-I) recrutent le DNMT, ce qui occasionne une méthylation des cytosines qui sont immédiatement suivies d’une guanine
Vrai ou faux
méthylation peut à elle seule empêcher la reconnaissance de ces gènes par d’autres facteurs de transcription, empêchant ainsi leur transcription.
Vrai.
Dans certain cas, la méthylation suffit à elle-seule
les cytosines méthylées recrutent quoi? Pour quelle raison?
un MeCP (Methyl-cytosine-binding protein)
ces grosses protéines sont plus efficaces que le groupe méthyle à lui-seul pour empêcher la liaison des gènes avec des facteurs de transcription activateurs: cette configuration de la chromatine est plus inhibitrice.
Vrai ou Faux.
Un embryon peut survivre sans MECP (i.e. le MECP n’est pas essentiel pour le développement de l’embryon)
Faux
Le MECP est essentiel pour le développement de l’embryon.
La mutation de MECP2 est généralement létale chez les fœtus masculins, et cause le syndrome de Rett chez les filles; ce syndrome est caractérisé par un développement normal jusqu’à l’âge de un an, suivi d’un profond retard mental et d’une neurodégénérescence progressifs. Le fait que la réactivation du MECP2 chez la souris adulte rétablit un phénotype relativement normal chez ces souris apporte une lueur d’espoir thérapeutique.
Ce gène est situé sur le chromosome X, et sa transmission est dominante.
Les MeCP recrutent à leur tour quelle enzyme?
l’enzyme HDAC (histone désacétylase) - ainsi, la méthylation de l’ADN contrôle l’acétylation des histones.
Décrit la structure d’un nucléosome et son lien avec l’ADN
Au niveau des nucléosomes, chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4 est présente en deux copies, formant un octamère autour duquel le double-brin d’ADN fait deux tours sur environ cent cinquante paires de bases ; les histones de la classe H1 se lient l’ADN à l’endroit où celui-ci n’est pas enroulé autour de l’octamère, contrôlant la configuration 3D de la chromatine. Ainsi, la chromatine peut être ouverte en euchromatine (chromatine transcriptionnellement active) ou compactée en hétérochromatine non-transcrite.
Quelle est la première modification des histones découverte (et par le fait même, la mieux comprise)?
L’acétylation des histones
Quand dit-on qu’une histone est hypo-acétylée? Et hyper-acétylée?
On dit qu’une histone est hypo-acétylée lorsqu’elle possède < 1 acétyle, et qu’elle est hyper-acétylée lorsqu’elle en possède > 3.
Comment l’acétylation des histones affecte-t-elle les histones?
L’acétylation des histones altère leur structure secondaire et tertiaire: plus les histones sont acétylées, et plus elles adoptent une configuration d’euchromatine, et donc, plus les gènes sur lesquels elles sont localisées sont facilement transcrits.
Il est donc logique que chez la femme, le X inactivé est _______ et ______.
hyper-méthylé et hypo-acétylé
Les différents acides aminés de chacune des différentes histones peuvent subir quelles modifications?
Chacune des histones peut être modifiée par l’addition d’un groupe méthyle, acétyle, phosphore, ribose, ubiquitine, biotine, sumo, etc.
Une cinquantaine de molécules peuvent être couplées aux acides aminés des histones, générant des dizaines de milliers de possibilités moléculaires contrôlant la transcription au niveau des histones.
Selon la molécule d’histone impliquée et l’acide aminé altéré, qu’arrive-t-il a la chromatine?
Selon la molécule d’histone impliquée et l’acide aminé altéré, ces changements peuvent soit ouvrir ou compacter la chromatine, pour activer ou inhiber sa transcription.
Qu’est ce que le code d’histones?
Les modifications des histones contrôlent la transcription, et constituent le “code d’histones”; les mécanismes par lesquels les histones modifiées sont transmises d’une cellule à ses descendantes sont peu compris. Le contrôle de la transcription par le code d’histones est très complexe et constitue un domaine de recherche très actif.
Qu’est ce que sont Pc et TTX?
Polycomb et Trithorax
Pc et TTX sont deux grandes familles de protéines
Comment Pc et TTX affectent-ils la chromatine?
TTX active la transcription sur de longs segments d’ADN, alors que Pc l’inactive, contrôlant ainsi l’expression de plusieurs gènes contigus.
Les Pcs et les TTXs sont généralement recrutés par des histones spécifiquement modifiées (code d’histone); de même, les Pcs et les TTXs peuvent modifier le code des histones.
Quel est le rôle de la topoïsomérase?
La façon dont l’ADN est enroulé autour des histones joue un rôle primordial dans la transcription: les topoïsomérases peuvent faire glisser l’ADN sur les histones, afin d’exposer ou de cacher les promoteurs.
Comment diffère l’ADN des spermatozoïdes?
L’ADN des spermatozoïdes est enroulé autour de protamines, et non d’histones - les protamines permettent une compaction plus dense de l’ADN mais cet ADN ne peut pas être transcrit. Après la fécondation de l’ovocyte, l’ADN paternel se défait des protamines pour s’associer aux histones. Cette association doit être parfaite afin d’assurer que les gènes requis puissent être accessibles; les mécanismes qui contrôlent cette association sont incompris, mais ils constituent un des miracles de la vie - des erreurs à ce niveau sont vraisemblablement fatales.
Explique comment l’ARN double-brin (dsRNA - double stranded RNA) peut affecter la transcription.
L’ARN double-brin (dsRNA - double stranded RNA) peut inhiber la transcription des gènes, puisqu’il se lie à la séquence d’ADN complémentaire où il recrute l’enzyme Met1 qui méthyle les CG adjacents. Il a été démontré que les siRNAs, les lncRNAs (long non-coding RNAs) jouent un rôle primordial dans le contrôle épigénétique de l’embryogenèse, de la différenciation cellulaire, de la transcription et de la carcinogenèse; nous ne faisons que commencer à explorer ce fascinant chapitre de la physiologie et de la pathophysiologie.
La cascade dsRNA / Met1 est un véritable mécanisme épigénétique: la méthylation des CG est transmise de la cellule marquée à toutes ses descendantes, sans requérir la présence subséquente de dsRNA – cette méthylation inhibe la transcription des gènes et constitue un contrôle pré-transcriptionnel. Ce mécanisme contraste avec les autres modes de contrôle de la transcription via les ARN qui modulent la transcription via la machinerie de traduction (le contrôle post-transcriptionnel).
Explique en quoi toutes ces modifications épigénétiques constituent une double-assurance.
Vous remarquerez que la méthylation des cytosines peut altérer le code d’histones, que les histones modifiées peuvent recruter le DNMT pour méthyler les cytosines, que les modifications d’histones peuvent recruter des Pcs ou des TTXs, et que certaines Pcs et TTXs peuvent modifier les histones - on peut entrer dans le cycle d’inhibition de la transcription par plusieurs mécanismes (méthylation des cytosines, désacétylation des histones et autres changements du code d’histones, recrutement de Pc et dsRNA), mais quel que soit le point d’entrée, on active tous les autres mécanismes:
FT-1 -> DNMT -> m5C -> MeCP -> dsRNA -> HSAC ->FT-1 -> … en boucle
Il s’agit d’une double-assurance: lorsqu’il est décidé d’inactiver un gène, ce gène est irrémédiablement inactivé dans cette cellule et dans toutes ses descendantes afin de s’assurer que la cellule ne puisse jamais se dé-différencier.
ARN et le contrôle post-transcriptionnel de la traduction du mRNA en protéine
En 2006, Andrew Fire et Craig Mello ont reçu le Prix Nobel pour leurs travaux sur les ncRNA (ARN non codants), et sur l’inhibition de la transcription des gènes par les ARN-inhibiteurs de petite taille (les micro-RNAs ou miRNA - qui sont produits physiologiquement par la cellule, et les siRNA - short inhibitory RNA, introduits artificiellement par les investigateurs pour moduler l’expression génique). On sait maintenant que les siRNA, miRNAs, Piwi-interacting-RNAs (piRNA), long non- coding RNAs (lncRNAs) et circular-RNAs (circRNAs) ont un rôle crucial dans le contrôle épigénétique de la transcription pendant l’embryogenèse, la différenciation et la carcinogenèse. Plus de 2500 miRNA sont connus, dont plus de 150 qui modulent l’expression de l’anti-oncogène P53 - les ARN-i (ARN-inhibiteurs) sont impliqués dans essentiellement toutes les cascades développementales de l’embryogenèse normale, et leur rôle dans le cancer est donc du plus grand intérêt.
Est-ce que le concept de junk DNA est juste?
Non
Le concept de “junk DNA” doit être revu sous un œil nouveau: environ 80% du génome humain est transcrit en ARN, qui pourrait possiblement moduler la transcription, alors que seulement 3% de notre génome est traduit en protéines. Ce n’est donc que tout récemment que nous avons commencé à comprendre l’impact physiologique qu’ont les ncRNAs, et leur impact physiopathologique.
Comment les siRNA sont-ils générés?
Les siRNA peuvent être générés par plusieurs mécanismes différents.
- L’ADN peut générer un ARN complémentaire à lui-même, formant une ou plusieurs « épingle(s) à cheveux » de dsRNA
- De même, lorsque les deux brins d’un même segment d’ADN sont transcrits, ils sont complémentaires et leur liaison forme un dsRNA.
Qu’arrive-t-il aux dsRNA dans le cytoplasme?
Dans le cytoplasme, les dsRNA sont reconnus par l’enzyme Dicer
Que fait Dicer aus ds RNA?
Dicer les coupe en courts segments de dsRNA de 18-25 nt: les siRNA (short inhibitory RNA)
Qu’arrive-t-il ensuite aux siRNA libérés par Dicer?
Ces segments sont ensuite transférés à RISC, formant le complexe RISC-ssRNA (ARN simple-brin)
Que fait le complexe par la suite?
Le complexe RISC-ssRNA (ARN simple-brin) reconnaît une séquence d’ARN complémentaire, il la clive; cette destruction de l’ARNm empêche donc la traduction de cet ARNm en protéine - il s’agit donc d’un contrôle post-transcriptionnel.
Le génome humain pourrait générer plus de _____ miRNA différents, qui moduleraient les ARNm et la synthèse de milliers de gènes, voire de tout le génome.
Le génome humain pourrait générer plus de 50 000 miRNA différents, qui moduleraient les ARNm et la synthèse de milliers de gènes, voire de tout le génome.
Résumé:
Le dsRNA peut inhiber la production de protéines via Dicer / RISC
Dicer reconnaît l’ARNds, et le clive en petits segments d’ARN (les siRNA - short inhibitory RNA, d’une longueur d’environ 22 nucléotides). Ce segment est dénaturé en ARNss, et incorporé dans le complexe RISC pour former une endonucléase qui se lie aux segments d’ARNm complémentaires et les détruit
De rares familles ayant une prédisposition à des tumeurs inusitées ont une mutation de Dicer. Une mutation de Dicer est associée à quoi?
une mutation de Dicer est associée au blastomes pulmonaires primitifs (une tumeur pulmonaire pédiatrique très rare caractérisée par une prolifération de cellules blastiques indifférenciées) et à plusieurs autres cancers.
Qu’est ce que la voie piRNA?
La voie piRNA (PIWI RNAi) est une autre façon d’inhiber la transcription en détruisant l’ARNm ciblé. Cette voie n’est pas matière à examen.
Que sont les lncRNAs?
Combien les humains en expriment-ils?
Par définition, les lncRNAs sont plus longs que 200 nt et n’ont que peu ou pas de potentiel de traduction en protéines; les humains expriment plus de 50 000 lncRNAs
Les lncRNAs agissent par quel mécanisme?
Leurs mécanismes d’action demeurent incompris. Ils peuvent moduler le code d’histones et la chromatine.
Donnent deux exemples de lncRNAs et leurs rôles.
H19 et XIST sont deux lncRNA, et ils modulent respectivement IGF2 et l’inactivation du X
Les lncRNAs peuvent se lier à quoi?
Les lncRNAs se lient à des mRNA; cette liaison peut soit augmenter la demi-vie de ces mRNA (leur permettant de produire plus de protéines par transcrit de mRNA), soit activer leur dégradation (ce qui constitue une forme d’inhibition post-transcriptionnelle).
Les lncRNA ont un rôle primordial dans le développement embryonnaire et l’organogenèse. Explique.
Il est intéressant de noter que lors de l’évolution des espèces, la complexité des organes augmente proportionnellement avec l’augmentation du nombre et de la variabilité différents lncRNAs retrouvés dans ces organes: il semble que les lncRNAs permettent de générer une plus grande diversité de cellules et une plus grande complexité de tissus pendant l’embryogenèse.
(Il est intéressant de noter que pour les > 56 000 lncRNA retrouvés chez l’humain, nous ne possédons qu’environ 20 000 gènes. Nous avons donc presque 3 fois plus de lncRNA que de gènes, ce qui suggère que l’impact des lncRNAs est d’une extrême complexité)
Explique les action des miRNAs ESCC et Let-7
Les actions opposées des miRNAs ESCC et Let-7 dans l’état cellule souche / différenciée:
Dans les cellules souches embryonnaires de souris (cellules ES, ou Embryonal Stem Cell), le miRNA ESCC et le facteur souche sont fortement exprimés. La perte de l’état souche est caractérisée par l’augmentation de l’expression du miRNA Let-7 qui inhibe les facteurs souche.
Let-7 et ESCC font partie de deux familles
de miRNAs qui ont des effets qui s’opposent dans le contrôle de l’équilibre entre l’état souche et la différenciation: l’expression de ESCC active les cascades qui déterminent l’état souche, alors que Let-7 les inhibe, provoquant la différenciation des cellules souches. Les cellules humaines différenciées peuvent être reprogrammées en cellules
souches en introduisant des miRNAs de type “facteurs souches”
(Exemple pour illustrer la « puissance » des miRNA. Le fait qu’ils contrôlent l’état souche a évidemment un impact en oncologie)
