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Découverte d’une nouvelle enzyme nécessaire à la formation des spermatozoïdes

Une nouvelle enzyme de méthylation de l’ADN a été découverte chez la souris. Cette enzyme protège le génome des futurs spermatozoïdes contre l’effet délétère des transposons. Cette méthylase est exprimée spécifiquement dans les cellules germinales des rongeurs. Elle méthyle spécifiquement les transposons les plus actifs  pour les inactiver.

Souris Balb/c et ses petits. © Inra, Clémence Roux
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 02/12/2016
Publié le 24/11/2016

Nécessité de contrôler l’activité des transposons

Probablement issus d’anciens virus, les transposons sont des séquences répétées et mobiles, présentes en grande quantité dans tous les génomes. Les transposons portent des gènes codant pour des enzymes (1) qui leur permettent de se multiplier et de se déplacer de façon aléatoire dans le génome, pouvant ainsi causer des mutations délétères. Il est donc particulièrement important de neutraliser l’activité des transposons, en particulier lors de certaines phases critiques du développement de l’organisme, par exemple la formation des cellules reproductrices (spermatozoïdes et ovules).

Le contrôle épigénétique des transposons

La méthylation de l’ADN est un mécanisme souple et souvent réversible (2) de contrôle de l’expression des gènes, très utilisé dans les organismes animaux comme végétaux (lire l’article). C’est en particulier l’un des deux principaux systèmes (3) mobilisés pour neutraliser l’activité des transposons. La méthylation de leurs séquences promotrices inhibent l’expression des gènes des transposons, empêchant ainsi leur multiplication et déplacement. Cette méthylation est effectuée par des enzymes particulières, appelées DNA méthyl transférases. « On pensait que l’on connaissait toutes les  DNA méthyl transférases, au nombre de quatre jusqu’à présent », explique Florian Guillou (4). « Or, nous en avons découvert une cinquième (appelée DMMT3C),  qui présente des propriétés singulières : elle est spécifique des rongeurs, exprimée uniquement dans les cellules germinales mâle, et elle cible spécifiquement  les transposons les plus récents et les plus actifs » (5).

Une nouvelle enzyme de méthylation très spécifique

Testicule et épididyme des souris contrôle (à gauche)et mutante (à droite).. © Inra
Testicule et épididyme des souris contrôle (à gauche)et mutante (à droite). © Inra

Le niveau de spécialisation de cette DNA méthyl transférase est très surprenant par rapport aux autres enzymes de ce type connues jusqu’à présent. Elle ne s’exprime que dans les cellules germinales et pendant la vie fœtale. Ensuite, elle méthyle uniquement la région promotrice des gènes des transposons les plus actifs et donc les plus dangereux. Chez la souris mutante qui n’exprime pas cette enzyme, les transposons sont massivement réactivés au cours de la spermatogénèse, ce qui conduit à un arrêt de la formation des spermatozoïdes et à la stérilité de la souris mutante. Enfin, cette enzyme est une innovation des rongeurs, elle serait apparue il y a quelques 46 millions d’années par duplication du gène d’une autre méthyl transférase (6). Ainsi, la protection du génome contre les transposons serait une force motrice dans l’évolution des enzymes de méthylation de l’ADN chez les mammifères.

Cette enzyme pose de nouvelles questions à la communauté scientifique : quels sont les mécanismes de cette spécificité ? Existe-t-il l’équivalent de cette enzyme chez les autres mammifères pour protéger leur fertilité, et chez l’Homme en particulier ? Des programmes de recherches en bio-informatique sont actuellement en cours afin de rechercher s’il existe l’équivalent de cette enzyme dans les génomes des primates,  bovins,  volailles….

Un tel concours de circonstances n’arrive qu’une seule fois dans une vie de chercheur !

Florian Guillou, qui s’intéresse au fonctionnement du testicule, explique comment cette découverte est le fruit d’un heureux hasard, mais aussi d’une dizaine d’années de travail acharné. « Tout a commencé par une collaboration avec Yann Hérault qui était directeur d’une grande animalerie du CNRS (7). Il y avait là une collection de lignées mutantes de souris obtenues par mutagénèse chimique. J'ai cherché parmi ces lignées des souris stériles qui avaient des testicules atrophiés. Ça, c’était simple ! Par contre, trouver quel gène était muté nous a pris 10 ans ! On a commencé par identifier la région du génome qui contenait la mutation avec les moyens de l’époque (8). Il y avait dans cette région plusieurs dizaines de gènes mais aucun responsable de la mutation. Par contre nous avions remarqué que le phénotype de nos souris mutantes ressemblait beaucoup au phénotype des souris mutées sur le gène de la DNA méthyl transférase 3L, d’où l’idée de rechercher du côté de la méthylation de l’ADN et de l’expression des transposons, en collaborant avec Deborah Bourc’his, spécialiste reconnue de ce domaine. En refaisant le séquençage complet des souris mutantes, nous avons découvert que la mutation était liée à l’insertion d’un transposon dans un gène annoté comme un pseudogène (9) ! En fait, nous étions face à une  erreur d’annotation du génome chez la souris. Le gène identifié code pour une nouvelle DNA méthyl transférase, que l’on a appelé DNMT3C. On a vérifié que ce gène était bien responsable de la mutation grâce au système de mutation ciblée Crispr-CAS9 (lire l’article). C’est comme cela qu’on a trouvé cette nouvelle méthylase, codée par un gène qu’on croyait inactif, et via un mutant qu’on croyait obtenu par mutagénèse chimique et qui était en fait un mutant naturel lié à un transposon ! De telles circonstances n’arrivent qu’une seule fois dans la vie d’un chercheur ! ».

 

(1) Enzymes appelées transposases.

(2) …puisque la séquence même de l’ADN n’est pas modifiée.

(3) Voir encadré 2.

(4) Chez les mammifères, Il existe deux types de méthylation : méthylation de maintenance et méthylation de novo réalisées par trois classes générales d’enzymes :

  • DNMT1 permet la maintenance des profils de méthylation au cours des divisions cellulaires en reproduisant sur le brin néosynthétisé, lors de la réplication de l’ADN, la méthylation lue sur le brin matrice.
  • DNMT2 a une fonction inconnue, identifiée par homologie de séquence avec DNMT1.
  • DNMT3 est responsable de la méthylation de novo en ajoutant des groupements méthyles sur les 2 brins d’ADN. DNMT3A est impliquée dans la méthylation des promoteurs de l'expression des gènes. DNMT3B est impliquée dans la méthylation des séquences entourant les centromères. DNMT3L catalyse l’action de la DNMT3B dans la méthylation du génome dans les cellules germinales mâles et femelles

(5) Collaboration entre l’Institut Curie (CNRS/Inserm, Deborah Bourc’his), du laboratoire Physiologie de la reproduction et des comportements (CNRS/Université de Tours/Inra, Florian Guillou) et de l’Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (CNRS/Université de Strasbourg/Inserm, Yann Hérault).

(6) DNMT3B.

(7) TAAM/CDTA à Orléans

(8) Cartographie génétique.

(9) Pseudogène : séquence possédant un cadre de lecture, mais dépourvue des sites caractéristiques des gènes exprimés.

(10) DNMT3C.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

Département(s) associé(s) :
Physiologie animale et systèmes d’élevage
Centre(s) associé(s) :
Val de Loire

Référence

Joan Barau, Aurélie Teissandier, Natasha Zamudio, Stéphanie Roy, Valérie Nalesso, Yann Hérault, Florian Guillou, Déborah Bourc’his. 2016. The DNA methyltransferase DNMT3C protects male germ cells from transposon activity. Science, 18 novembre 2016.

Transposons et reproduction

Il existe deux grands mécanismes pour inhiber l’activité des transposons :

  • la méthylation des promoteurs des gènes contenus dans les transposons, qui inhibe l’expression des enzymes nécessaires à la multiplication et au déplacement des transposons. Cette méthylation fait intervenir les méthyltransférases (DNMT1, DNMT3A, DNMT3B et DNMT3L).
  • la dégradation des transposons en petits fragments par le système PIWI RNA.

Les deux mécanismes sont successivement mobilisés lors de la formation des cellules reproductrices :

Lorsque les cellules précurseurs de spermatozoïdes et des ovules se mettent en place chez le fœtus, leurs marques épigénétiques (méthylations en particulier), sont reprogrammées, avec une phase de déméthylation de l’ADN, suivie d’une phase de reméthylation. Lors de la phase de déméthylation, les cellules sont particulièrement exposées à une activité anarchique des transposons, qui ne sont plus inhibés. Le mécanisme de dégradation des transposons permet alors de protéger le génome, via une machinerie de clivage appelée PIWI RNA. La reméthylation de l’ADN se fait ensuite grâce aux méthyltransférases (DNMT3A et 3B, avec l’aide de DNMT3L).

Si ces mécanismes de neutralisation des transposons ne sont pas efficaces, des mutations peuvent se produire dans les cellules souches, suite aux déplacements de transposons. Ces mutations, survenues au cours de la vie fœtale, auront potentiellement un effet retardé au moment de la méiose (formation des cellules haploïdes, à n chromosomes, qui donneront  les spermatozoïdes et les ovules).

Différents épis de maïs montrant la diversité génétique.. © Inra, CHATIN J. / GENOPLANTE

Les transposons dans le génome : utiles ou parasites ?

Les transposons occupent une partie importante des génomes : 40% chez l’Homme, 80% chez le maïs. En sautant aléatoirement à différents endroits du génome, ils peuvent induire des mutations délétères et il est vital pour l’organisme de les contrôler. Mais ils peuvent  aussi  être bénéfiques : c’est ainsi que la variabilité des immunoglobulines a pour origine  un transposon. La variation de la couleur des grains dans un épi de maïs a aussi pour origine l’insertion de transposons.