Les éléments basiques de l’épigénétique

Révolution en biologie chez les vaches laitières : l’hérédité des caractères acquis remise en cause. Entretien avec le Dr Jean-Louis Thillier, consultant scientifique européen (deuxième partie).

Lire la première partie du dossier :
Révolution en biologie chez les bêtes d’élevage :
l’hérédité des caractères acquis remise en cause.

A&E – L’ADN ne serait pas le seul mécanisme permettant l’expression des gènes. L’information génomique n’expliquerait qu’une partie de la variance phénotypique des vaches laitières sélectionnées par des programmes génétiques pourtant sophistiqués. 

Dr Jean Louis Thillier – Les bovins, comme tous les mammifères, ont des cellules diploïdes car les chromosomes qu’elles contiennent sont présents par paires (2n chromosomes) et ces paires sont dites homologues car elles possèdent les mêmes gènes. Dans ces cellules, chaque gène occupe un endroit précis sur un chromosome et est donc présent en deux exemplaires (appelé un allèle) : chaque allèle est situé sur un des deux chromosomes homologues ; ces deux allèles, qui sont deux versions du même gène, sont d’origine maternelle pour l’un, paternelle pour l’autre. Deux possibilités existent alors : a) soit les 2 allèles d’un gène sont identiques et on dit de l’individu qu’il est homozygote pour ce gène ; b) soit les 2 allèles d’un gène sont différents et on parle de caractère hétérozygote pour ce gène. Chez les bovins, certains gènes ont de nombreux allèles différents qui proviennent de mutations d’un même gène ancestral, lors des générations précédentes. Sachant qu’un gène s’exprime par la synthèse d’une protéine grâce au mécanisme de traduction de l’information génétique au niveau des ribosomes, toutes les protéines formées sont la conséquence directe de l’expression des allèles. A partir de deux allèles différents, le processus de synthèse protéique aboutit : a) soit à des protéines fonctionnellement identiques ; c’est le cas quand la nouvelle séquence synthétisée n’a pas d’impact sur la fonction de la protéine ; b) soit à des protéines fonctionnellement différentes ; c) soit à l’absence de synthèse de la protéine en cas de rencontre d’un codon stop. Ainsi, le génotype est l’identité de l’ensemble des allèles d’un individu.

Devant les problèmes rencontrés de plus en plus couramment au niveau de la santé des bovins, des travaux ont progressivement révélé qu’on avait oublié effectivement de prendre en compte l’hérédité des caractères acquis (« Les éléments basiques de l’épigénétique », agriculture et environnement, n°174, novembre 2018).

A&E – Quel est l’état actuel des connaissances sur la manière dont la nutrition, les agents pathogènes et d’autres facteurs environnementaux modifient les marques épigénétiques et entraînent des effets variables sur la production laitière.

Dr Jean Louis Thillier : Alors qu’il est maintenant bien admis que les informations génomiques ne permettent pas à elles seules de rendre compte de toutes les variations héréditaires des caractères des bovins, la partie épigénomique, qui complète l’information génomique pour déterminer les phénotypes du bétail, n’a pas reçu l’attention qu’elle méritait pour l’amélioration et la gestion des races bovines. On n’est même pas au stade d’un puzzle (au sens figuré) pour désigner la dispersion de faits scientifiques prouvés qui seraient réunis et qu’on chercherait à réunir. Citons quelques faits scientifiques qui servirons au futur puzzle.

A – les agents pathogènes modifient les marques épigénétiques et perturbent la production laitière.

1) En cas de mammite clinique
La mammite est une des maladies les plus courantes chez les vaches laitières qui est responsable du faible rendement en lait et de la mauvaise qualité du lait. De nombreux programmes ont été développés pour améliorer la résistance des bovins et réduire le nombre de mammites. Cependant, les stratégies génétiques conventionnelles basées sur la sélection phénotypique sont inefficaces en raison de leur faible héritabilité. En effet, il est maintenant prouvé que cette baisse de production laitière est, le plus souvent, le résultat de l’apposition de marques épigénétiques qui réduisent l’expression de certains gènes. De plus, la production laitière qui fait suite à une mammite est aussi affectée, car les phénomènes épigénétiques restent malheureusement en mémoire dans les chromosomes. Cette maladie induit donc des pertes économiques importantes et revêt une importance particulière pour la santé publique en raison de l’utilisation d’antibiotiques qui provoque un risque d’antibiorésistance par le biais de la consommation de lait.

Jens Vanselow¹ (2006) nous a fait découvrir que la glande mammaire est soumise à une forte régulation épigénétique.  Chez la vache, la prolactine, hormone de la lactation qui est secrétée par les cellules lactotropes de l’hypophyse, se lie aux récepteurs transmembranaires situés à l’extérieur des cellules épithéliales mammaires dans les alvéoles du pis. A l’intérieur de ces cellules, la liaison prolactine-récepteur active une enzyme kinase qui va phosphoryler les protéines STAT5. Ces dernières vont former des dimères qui vont se transporter dans le noyau des cellules épithéliales mammaires pour se lier à une zone promotrice du gène de la caséine du lait et stimuler l’expression du gène au cours de la lactation. Jens Vanselow a noté, chez des vaches en pleine lactation et sans mammite, que l’ADN de la zone promotrice est hypométhylée. Par contre, si certains quartiers du pis ont été infectés expérimentalement par une souche pathogène de Escherichia coli, il y a une reméthylation de la zone promotrice du gène de la caséine qui s’accompagne d’une interruption aiguë de la synthèse de la caséine. La reméthylation du promoteur de la caséine s’accompagne d’un remodelage de la chromatine qui l’isole du niveau élevé inchangé de la prolactine en circulation. L’infection du pis est donc une influence environnementale qui offre un potentiel de régulation épigénétique parallèlement au potentiel génétique.

Wang² (2013) a même trouvé un candidat potentiel comme marqueur moléculaire épigénétique pour la sélection contre la mammite chez les vaches laitières. Lorsque le pis d’une vache laitière est exempt d’infection, le lait contient un nombre de cellules somatiques (CCS) inférieur à 500 000/ml. Si le CCS (composé de lymphocytes, neutrophiles et macrophages) est un reflet de la santé de la glande mammaire et sert d’indice de qualité du lait dans l’industrie laitière (en cas de mammite, il augmente très fortement), Wang a trouvé qu’il n’était pas un bon marqueur pour le diagnostic précoce ou la sélection en fonction de la mammite car il n’était qu’un critère inflammatoire qui variait en fonction des stades de la lactation et de divers facteurs environnementaux. Ce chercheur a étudié l’épigénome dans les cellules du sang périphérique de vaches laitières Holstein atteintes de mammite clinique (MC) et de vaches témoins sains, en quantifiant le taux de méthylation du promoteur du gène CD4 : le CD4 est une glycoprotéine qui appartient à la superfamille des immunoglobulines qui est exprimée à la surface des lymphocytes TCD4+ et qui assiste le récepteur de ce lymphocyte pour capter les antigènes étrangers présentés par certaines cellules spécialisées. Wang a constaté que la diminution du niveau d’expression de CD4 chez les vaches MC était en rapport avec l’augmentation des niveaux de méthylation de l’ADN dans le promoteur du gène CD4. Cette corrélation négative était cohérente avec la diminution significative du nombre de cellules T CD4 + déjà observée par Rivas³ chez les vaches atteintes de mammite. Ainsi, le niveau de méthylation de l’ADN du promoteur CD4 devenait un candidat potentiel comme marqueur moléculaire épigénétique fondamental pour la sélection contre la mammite chez les vaches laitières renforçant les travaux de Nguyen⁴, puis de Liu⁵.

Chang⁶ (2015), chez des vaches atteintes de mammite à Escherichia coli, a découvert aussi que des mécanismes épigénétiques sont impliqués dans le contrôle de la progression de la réponse inflammatoire systémique. Des endotoxines, telles que le lipopolysaccharide (LPS), libérées lors d’une infection par une bactérie à Gram négatif comme Escherichia coli, provoquent une activation excessive de la signalisation des récepteurs de type Toll (TLR). Ces derniers interviennent au cours des mécanismes de l’immunité innée en reconnaissant des motifs moléculaires (protéines, oses, acide nucléique) conservés chez de nombreux pathogènes (bactérie, virus ou parasite). L’étude de Chang a montré que la chromatine, au site des promoteurs des gènes codant pour les récepteurs de type Toll (TLR2, TLR4), du promoteur du gène de la protéine de liaison au lipopolysaccharide et du promoteur du gène de l’haptoglobine, était ouverte 24 h après l’infection et que cette ouverture était accompagnée d’une expression accrue de l’ARN messager de ces gènes à l’opposé du promoteur de la caséine αS1. Dans cette étude, la déméthylation du promoteur TLR4 indiquait que la modulation de ce facteur épigénétique pouvait offrir une nouvelle approche pour traiter les réactions systémiques indésirables induites chez les vaches atteintes de mammite à Escherichia coli.

Korkmaz⁷ (2017) a confirmé que les biomarqueurs épigénétiques de méthylation de l’immunité s’avéraient utiles pour développer des stratégies de sélection des vaches laitières moins susceptibles aux infections graves, telles que les mammites à coliformes.

2 ) En cas de mammite subclinique.
Pour Dufour⁸, Staphylococcus aureus est la bactérie responsable de la mammite subclinique qui est généralement asymptomatique, persistante, résistante aux antibiotiques et beaucoup plus élevée (25 à 65% selon les régions du monde) que celle de la mammite clinique (normalement inférieure à 5%).

Song⁹ (2016) a jeté les bases de la modification épigénétique et des études mécanistiques sur la susceptibilité à la mammite bovine en réalisant une analyse combinée du méthylome ¹⁰ et du transcriptome¹¹ de l’ADN. Les profils de méthylation de l’ADN à l’échelle du génome des lymphocytes du sang périphérique chez les vaches atteintes de mammite subclinique à Staphylococcus aureus et chez les témoins sains, en intégrant les données du méthylome et du transcriptome de l’ADN, 58 gènes méthylés différentiellement ont été partagés avec des gènes exprimés différemment. Une analyse fonctionnelle supplémentaire a révélé que trois gènes, NRG1, MSTl et NAT9, étaient fortement corrélés à la progression de la mammite subclinique de S. aureus et pourraient être utilisés comme biomarqueurs puissants pour améliorer la résistance à la mammite bovine.

B – les longs ARN non codants (lncRNA) et la production laitière

Pour Wentao Cai¹² (2018), les longs ARN non codants (lncRNA) qui ont moins 200 bases de long et qui ne possèdent pas de capacités de codage des protéines, régulent l’expression de gènes dans le génome via la modification des activités des promoteurs par le repositionnement des nucléosomes, les modifications des histones, la méthylation de l’ADN, l’activation, la collecte et le transport de protéines accessoires, enfin le silençage épigénétique. Bien que les lncRNA soient devenus une nouvelle classe de molécules régulatrices impliquées dans divers processus biologiques, leur profil d’expression et leur rôle dans la régulation de la synthèse des protéines du lait chez les bovins laitiers restaient inconnus. Dans son étude, l’auteur vient d’effectuer un transcriptome du tissu mammaire et d’identifier les IncARN provenant de vaches Holstein présentant des taux de protéines de lait extrêmement élevés et faibles pendant le pic de lactation. Son étude a cherché à identifier les IncRNA potentiellement impliqués dans la synthèse des protéines du lait, à révéler les profils d’expression des IncRNA dans les glandes mammaires et à explorer leurs rôles fonctionnels dans l’amélioration de la qualité du lait. 30 IncRNA régulent potentiellement 34 gènes affectant la synthèse des protéines du lait. IncRNA XLOC_059976 apparaît être un biomarqueur clé pour la prédiction des phénotypes de la composition des protéines du lait.

C – Il y a un effet trans-générationnel de l’allaitement maternel pendant grossesse de la vache laitière qui a une influence épigénétique sur les performances de traite postnatale des filles et aussi des petites-filles.

Gonzalez-Recio¹³ (2012) a utilisé les données d’une race de vaches laitières pour déterminer l’effet transgénérationnel épigénétique lorsque le développement de l’embryon coïncidait avec la lactation maternelle. En effet, les bovins laitiers sont conçus pendant la lactation maternelle, période pendant laquelle l’embryon et le fœtus entre en compétition pour les nutriments avec la glande mammaire, ce qui peut affecter la programmation épigénétique prénatale et prédéterminer le phénotype à l’âge adulte. En raison des exigences nutritionnelles imposées à la vache laitière par les processus simultanés d’entretien, de croissance, de lactation et / ou de développement fœtal, les besoins en énergie peuvent dépasser la quantité d’énergie ingérée à certaines périodes de l’année en particulier pour les vaches maintenues en élevage avec une supplémentation limitée en pâturages. En conséquence, la quantité et la qualité des aliments disponibles pour chaque vache peuvent varier d’un endroit à l’autre ou d’une année à l’autre. Le chercheur a montré : a) que les génisses nées de mères qui allaitaient pendant la grossesse ont produit moins de lait, et un lait métaboliquement moins efficace, que les génisses dont la vie fœtale s’est développée en l’absence de lactation maternelle ; b) que plus le rendement en lait maternel est important pendant l’embryogenèse, plus les effets néfastes des programmes prénataux sont importants, empêchant la progéniture née des vaches les plus productives d’exprimer pleinement leur potentiel génétique additif potentiel au cours de leur vie adulte. Gudex¹⁴, dans une étude concernant 46 000 vaches Jersey et 123 000 vaches Friesian Holstein dans leurs 1ière et 2ième lactations, a confirmé que l’environnement maternel prénatal chez les vaches laitières avait une influence sur les performances de traite postnatale des filles et aussi des petites-filles et que la majorité des effets maternels prénatals ne pouvaient être médiés que par des mécanismes épigénétiques.

D – Effet épigénétique de la fréquence de la traite
En 2013, Nguyen M¹⁵ et collaborateurs (INRA, UR1196, Génomique et Physiologie de la Lactation, Jouy-en-Josas) ont prouvé que la fréquence de traite induit des modulations à plus ou moins long terme de la production laitière, en régulant la synthèse et la sécrétion des produits du lait en faisant appel à des variations d’expression d’un certain nombre de gènes via une modification épigénétique de la méthylation de l’ADN. Leurs résultats montrent que la monotraite induit une méthylation ponctuelle d’une région régulatrice distale du gène CSN1 S1. Ces modifications, de nature épigénétique, expliquant les modulations de production.

E – Effet de la supplémentation en aliments des vaches laitières
Pour Li (2013)¹⁶ et (2014)¹⁷, la supplémentation en aliments riches en acides gras insaturés dans l’alimentation des vaches laitières provoque des modifications significatives de l’expression de deux histones acétyltransférases (HATl et KAT2), événements épigénétiques qui participe à la régulation de l’effet des nutriments sur la synthèse de la graisse du lait. Les vaches laitières très productives nourries avec des régimes riches en acides gras insaturés produisent un profil de miARN régulé de manière différenciée par rapport aux mêmes vaches avec des régimes témoins Ces sources de données indiquent que les marques épigénétiques répondent aux signaux nutritionnels et peuvent donc altérer les résultats phénotypiques.

De même, pour Dong¹⁸ (2014), l’administration d’un régime à haute concentration en paille de maïs aux vaches laitières entraîne une modification épigénétique de l’état de méthylation de gènes spécifiques impliqués dans la synthèse des graisses et des protéines dans les tissus mammaires des vaches laitières

A&E – Ainsi, les gains en caractères de bétail résultent de l’interaction entre les pratiques de gestion (la manière dont les animaux sont nourris, élevés et gérés), le génome et l’environnement. Les interactions entre l’épigénome et le génome façonnent la détermination d’un phénotype résultant.

Dr Jean Louis Thillier – Il est maintenant évident que les marques épigénétiques (comme la méthylation de l’ADN, les modifications d’histones et les ARN non codants) contribuent à la régulation des processus biologiques chez les animaux d’élevage, avec des effets sur la reproduction, la croissance, la santé et les caractères d’importance économique. Malheureusement, par une reconnaissance insuffisante, les activités de recherche épigénétiques sur les espèces d’animaux d’élevage ont été délaissées par rapport aux travaux approfondis sur les humains et les petits rongeurs. Élucider les déterminants épigénétiques devient donc un défi à relever rapidement afin d’améliorer encore la productivité animale. En particulier, les mutations épigénomiques, comme c’est le cas avec les mutations génomiques de l’ADN, peuvent avoir des attributs améliorants, délétères ou neutres et peuvent s’adapter et réagir à des signaux environnementaux ayant de profondes répercussions sur le développement de caractères d’intérêt pour le bétail.

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1. Jens Vanselow et al. Journal of Molecular Endocrinology (2006) 37, 463–477 
2. Wang X.S. Genet. Mol. Res. 12 (4): 6228-6239 (2013)
3. Rivas AL et al. (2007). Can. J. Vet. Res. 71: 135-144.
4. Nguyen, M et al. (2014). PLoS One 9:e111556;
5. Liu, X.ey al. (2017). Genetica 145, 387–395.
6. Chang et al. Vet J. 2015 Mar;203(3):339-41.
7. Korkmaz and Kerr BMC Genomics (2017) 18:405
8. Dufour, S. et al. J Dairy Sci 95, 1283–1300 (2012).
9. Minyan Song et al., Sci Rep. 2016 Jul 14;6:29390. doi: 10.1038/srep29390.
10. La méthylation de l’ADN intervient dans la mise en place du programme génétique au cours du développement embryonnaire. Chez les mammifères, le processus de méthylation de l’ADN est de plus influencé ensuite par des facteurs environnementaux : sociaux, nutritionnels, infectieux et toxicologiques. Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont développé une série de nouvelles méthodes pour examiner les profils de méthylation de l’ADN par Séquençage Génome entier après traitement bisulfite (BS-seq)
11. Le transcriptome est l’ensemble des ARN messagers issus de la transcription du génome : l’information génétique contenue au sein de l’ADN n’est pas utilisée directement par la cellule pour fabriquer des protéines ; la cellule utilise les ARNm qui sont des copies transitoires de l’information génétique qui porte les instructions pour former une seule protéine. L’ARN messager ne contient la copie que d’un seul des deux brins de l’ADN, celui qui est codant. Ainsi, le transcriptome d’un tissu particulier dans des conditions données permettent d’identifier les gènes actifs et de déterminer les mécanismes de régulation d’expression des gènes.
12. Wentao Cai et al. Frontiers in Genetics. July 2018, Volume 9: Article 281
13. Wentao Cai et al. Frontiers in Genetics. July 2018, Volume 9: Article 281
14. Gudex B, Johnson D, Singh K (2014) PLos ONE 9(6): e98928.
15. Nguyen M et al. Renc. Rech. Ruminants, 2013, 20
16. Li, R. et al. (2013). « Possible involvement of epigenetic modifying enzymes in the regulation of nutrient effect on bovine milk fat synthesis:’ in Proceedings of the CSAS-CMSA 2013 Joint Annual Meeting
17. Li, R. et al.  (2014). t.Anim. Sci. 92(Suppl. 2), 490
18. Dong, G. et al. (2014). PLoS ONE 9:eI07659.