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Illustration épigénétique. © Inra

Epigénétique et élevage : des retombées dans quelques années

Outils d’épigénotypage bovin

Les chercheurs de l’Inra de Jouy-en-Josas ont développé un outil donnant accès au méthylome bovin, un effort méthodologique indispensable pour mieux appréhender les mécanismes épigénétiques gouvernant la mise en place des phénotypes dans cette espèce.

Par Pascale Mollier
Mis à jour le 10/07/2014
Publié le 22/05/2014

De même que l’on peut séquencer les génomes, c’est-à-dire déterminer leur séquence en nucléotides, on peut déterminer l’état de méthylation des séquences d’ADN. On désigne par le terme de « méthylome » l’ensemble des méthylations présente sur la séquence génomique, sachant que, parmi les quatre nucléotides de l’ADN (Adénine, Cytosine, Guanine, Thymine), seules les cytosines situées avant des guanines sont susceptibles d’être méthylées.

Intérêt de connaître les épigénomes

Les marques épigénétiques (méthylation de l’ADN et des histones) constituent un mécanisme fondamental de régulation de l’expression des gènes. Au cours du développement, elles sont à la base de la différentiation cellulaire, en contrôlant quels sont les gènes exprimés ou non dans chaque type de tissu. Durant la vie de l’organisme, ces marques épigénétiques peuvent aussi moduler l’expression des gènes en fonction de différents facteurs environnementaux : alimentation, stress, etc., permettant une adaptation des individus à leur milieu. Cette plasticité du génome pose cependant un challenge pour la recherche. Car il faut pouvoir déterminer à quel moment et dans quel tissu ces modifications surviennent. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des méthodes d’épigénotypage à haut débit. De telles méthodes ne sont pas disponibles dans le commerce pour l’espèce bovine. Les chercheurs d’une équipe de Jouy-en-Josas ont mis au point des outils (puce et dispositif d’analyse bioinformatique/statistique) permettant d’établir de manière rapide et peu coûteuse des profils de méthylation dans différentes conditions (voir exemples ci-dessous). Ils espèrent ainsi contribuer à caractériser les mécanismes épigénétiques impliqués dans diverses problématiques intéressant l’élevage.

Comparaison entre tissus bovins : rôle potentiel de la méthylation dans la synthèse du complément

Les chercheurs ont comparé le méthylome du foie avec ceux de deux autres types cellulaires : le fibroblaste et le spermatozoïde. Ils ont mis en évidence 5634 différences de méthylation entre le spermatozoïde et le foie (signatures épigénétiques associées au type cellulaire). Ces signatures épigénétiques sont enrichies de manière significative pour le groupe des gènes codant pour les protéines du système du complément, impliqué dans l’immunité. Ces gènes sont sous une forme hypométhylée dans le foie, forme favorable à leur expression et à la synthèse de protéines du complément. Le méthylome du foie reflète le rôle avéré de cet organe dans l’immunité.

Comparaison entre deux races bovines

La comparaison des méthylomes de cellules de foie entre des vaches de race Holstein et des vaches de race Japanese black met en évidence 3642 différences de méthylation entre les deux races, qui sont enrichies de manière inattendue pour des gènes impliqués dans la gestation et la mise en place du placenta. Ces signatures épigénétiques peuvent résulter de différences génétiques entre les deux races, qui ont été sélectionnées avec des objectifs de production très différents. Elles pourraient également refléter la différence de métabolisme au moment de la mise en place de la gestation (pic de lactation chez la vache Holstein associé à une forte demande métabolique).

 Effet du clonage sur les signatures épigénétiques liées à l’âge dans le foie

L’outil a également permis de mettre en évidence des signatures épigénétiques liées à l’âge : 257 régions sont différenciellement méthylées entre des bovins jeunes (stade périnatal) et des adultes. Ces régions reflètent sans doute l’adaptation métabolique du foie à une alimentation autonome puis herbivore après la naissance. De manière intéressante, ces signatures sont perturbées par le clonage, suggérant que sur un certain nombre de régions, les clones n’ont pas l’âge épigénétique attendu. Enfin, 87 signatures épigénétiques propres au clonage ont été identifiées, confirmant à l’échelle du génome l’observation que le clonage par transfert nucléaire était à l’origine de perturbations épigénétiques.

Des outils de nouvelle génération vont être développés dans le cadre de plateformes qui rassemblent plusieurs unités autour de différents projets. Le projet GenEpi vise ainsi l’étude de marqueurs épigénétiques diagnostics de l’état physiologique de l’animal et prédictifs de la réponse à un challenge dans des cellules facilement accessible, les cellules du sang (monocytes). Le projet SeQuaMol vise à caractériser des marqueurs épigénétiques de fertilité chez les taureaux, dans le cadre d’une ANR Labcom avec l’UNCEIA.

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Département(s) associé(s) :
Physiologie animale et systèmes d’élevage
Centre(s) associé(s) :
Jouy-en-Josas

Une puce dédiée aux profils de méthylation des régions régulatrices bovines

Conception d'une puce bovine ciblant les régions régulatrices potentielles de 21 416 gènes.. © Inra
Conception d'une puce bovine ciblant les régions régulatrices potentielles de 21 416 gènes. © Inra

Les régions du génome ciblées par la puce (régions régulatrices, (1)) sont découpées en une multitude de petits fragments, ou sondes, qui sont fixés sur la puce. D’autre part, l’ADN des cellules à étudier, découpé aussi en fragments, est exposé à un anticorps qui reconnait spécifiquement la méthylation de l’ADN, ce qui permet de purifier l’ADN méthylé. Celui-ci est ensuite marqué avec un colorant fluorescent vert. L’ADN de départ, qui n’a pas été purifié avec l’anticorps, est lui marqué avec un colorant fluorescent rouge. Après hybridation sur la puce, on obtient un signal résultant de la superposition des colorants rouge et vert. Plus la sonde contient de signal vert, plus l’ADN cellulaire avec lequel elle s’est hybridée est méthylé. On peut ainsi identifier les régions du génome concernées par la méthylation de l’ADN, et comparer l’état de méthylation des génomes en fonction du type cellulaire, des individus, de l’environnement, en fonction du temps, etc. La puce bovine créée peut révéler les régions régulatrices potentielles de plus de 20 000 gènes.

(1) Les régions ciblées pour constituer la puce sont les régions régulatrices putatives des gènes, qui sont fortement concernées par les méthylations dans les processus épigénétiques. Ces régions sont choisies in silico autour du site d'initiation de la transcription de chaque gène et ont donc de bonnes chances de contenir le promoteur et la région 5' non traduite du gène, qui sont impliqués dans la régulation de celui-ci. Les coordonnées chromosomiques de ces régions sont ensuite transmises à l'entreprise qui fabrique les puces. Celle-ci fait alors tourner des algorithmes pour sélectionner les meilleures sondes (spécificité dans le génome, peu de structures secondaires, taille, etc.).