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Les transgènes ont un statut différent des gènes endogènes dans la cellule

L’équipe d’Hervé Vaucheret a montré pour la première fois que le système épigénétique, en particulier les histones, différencie les transgènes des gènes endogènes. Cette reconnaissance peut expliquer le déclenchement des mécanismes d’extinction qui empêche l’expression de certains transgènes.

Trois questions à Hervé Vaucheret, directeur de recherches à l’Inra de Versailles-Grignon.

Visualisation in vivo de la chromatine d'une cellule embryonnaire de lapin.. © Inra, ADENOT Pierre
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 28/05/2013
Publié le 02/05/2013

Quel est l’objectif de ce travail ?

Hervé Vaucheret : Nous nous posons depuis plus de vingt ans une question fondamentale : que se passe-t-il dans une cellule lorsqu’un ADN s’insère dans le génome ? Nous étudions cette question à travers le modèle des transgènes, mais elle se pose aussi physiologiquement chaque fois qu’un transposon (1) « saute » ou qu’un virus s’intègre dans le génome de son hôte. Dans certains cas, la cellule utilise des mécanismes d’extinction qui empêchent les séquences introduites  de s’exprimer (voir encadré 1, NDLR). Cependant, lors des expériences de transgénèse, il est presque toujours possible de trouver un transformant qui échappe à cette extinction, et qui exprime le transgène de façon stable. Ces phénomènes d’extinction ne sont donc pas considérés comme un obstacle à la transgénèse. C’est pourquoi, sur le plan des applications biotechnologiques, nos recherches sont peu « vendeuses », surtout dans le contexte politique qui entoure les OGM actuellement. Ceux qui les promeuvent considèrent que ça marche, sans s’attarder sur ce qui se passe finement dans la cellule, et ceux qui les rejettent s’y intéressent encore moins !

Nous nous y intéressons car, au-delà de ce qui se passe lors de la transgénèse, nos travaux contribuent à comprendre comment les mécanismes d’extinction participent de manière générale à la régulation de l’expression génique et au bon fonctionnement des génomes.

Qu’avez-vous trouvé ?

H. V. : Nous avons étudié plus particulièrement le PTGS, l’extinction qui se produit après transcription du transgène et qui détruit les ARN messager. Jusqu’ici, nous avions identifié les gènes cellulaires qui contrôlent la dégradation des ARN transgéniques. Toutefois, nous ne savions pas ce qui fait qu’une séquence introduite sous forme de transgène est reconnue comme étrangère et déclenche le PTGS, alors que la même séquence dans sa position naturelle au sein du génome n’est jamais soumise au PTGS. Nous avons montré pour la première fois le rôle des histones dans cette reconnaissance et identifié une protéine cellulaire capable de différencier transgènes et gènes endogènes : l’enzyme JMJ14. Il s’agit d’une déméthylase qui agit sur une forme bien particulière de l’histone 3 : la forme triméthylée sur la lysine 4, notée H3K4me3. Or cette forme, que l’on appelle aussi « marque » (voir encadré 2, NDLR) est connue pour être associée à un état actif de transcription des gènes chez plusieurs Eucaryotes. L’enzyme JMJ14 -  qui enlève les groupements méthyle de cette histone - diminue donc le taux de transcription, jouant ainsi un rôle modérateur dans l’expression des gènes endogènes. Or, ce que nous avons montré, c’est que cette enzyme n’agit pas sur les transgènes, quelles que soient leurs séquences. Par conséquent, elle ne joue pas son rôle de modération de la transcription : cela contribuerait à élever le taux de transcription du transgène, qui, au-delà d’un certain seuil, déclenche le PTGS.

Quelles sont les conséquences de ces résultats ?

H. V. : Au fur et à mesure qu’on les découvre, on mesure mieux l’importance des histones dans la régulation de l’expression des gènes, et plus largement, le rôle déterminant de l’épigénétique, c’est-à-dire, de ce qui est en dehors de la séquence en nucléotides de l’ADN : les histones qui l’entourent, les méthylations sur les nucléotides de l’ADN lui-même, etc. Il faut s’imaginer que chaque fragment d’ADN possède son environnement particulier, qui détermine la manière dont il s’exprime. Cet environnement est formé d’une combinaison de « marques » histones, c’est-à-dire plusieurs histones portant un ou plusieurs groupements - méthyle, acétyle, etc. – placés sur un ou plusieurs acides aminés stratégiques (par exemple lysine en position 4, 9, 27 ou 36 pour l’histone 3). On voit donc que ce système offre de multiples possibilités de combinaisons. Chaque fragment d’ADN est « indexé » par une combinaison d’histones qui l’entoure et lui confère son statut : fortement ou faiblement exprimé, voire réprimé. Ce statut est d’ailleurs dynamique, puisque les marques d’histones peuvent être à tout moment modifiées (déméthylation par exemple).

Or, un transgène, lorsqu’il s’intègre dans le génome, est un ADN « nu », sans histones, donc sans statut dans la cellule. Il est probable que la cellule lui attribue par défaut des marques épigénétiques. Nos résultats montrent que lorsque la cellule ne bloque pas la transcription d’un transgène par TGS, elle tend, à l'opposé, à augmenter cette transcription pour favoriser le déclenchement du PTGS. Nous allons maintenant explorer cette hypothèse en recherchant les marques épigénétiques attribuées  aux transgènes et qui empêchent l’action de l’enzyme JMJ14.

(1) Les transposons sont des  séquences d’ADN mobiles qui se déplacent dans le génome, parfois s’y multiplient, et peuvent avoir une action mutagène lorsqu’ils s’insèrent près de gènes.

Référence : Le Masson I., Jauvion V., Bouteiller N., Rivard M., Elmayan T., Vaucheret H. 2012. Mutations in the Arabidopsis H3K4me2/3 demethylase JMJ14 suppress Posttranscriptional Gene Silencing by decreasing transgene transcription. The Plant Cell 24, 3603-3612.

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

Département(s) associé(s) :
Caractérisation et élaboration des produits issus de l’agriculture, Biologie et amélioration des plantes
Centre(s) associé(s) :
Versailles-Grignon

Un système de surveillance à deux étages : le TGS et le PTGS

La cellule dispose d’un mécanisme à deux étages pour empêcher l’expression d’une séquence d’ADN qui s’introduit dans son génome.

- Le TGS (transcriptional gene silencing) inhibe la transcription de l’ADN, via des modifications épigénétiques de cet ADN, telles que des méthylations de l’ADN ou de la lysine 9 de l’histone 3.

- Dans le PTGS (post-transcriptional gene silencing), l’ADN est transcrit en ARN messager mais ceux-ci sont détruits. Ce mécanisme met en jeu la formation de petits ARN double brins homologues de l’ARN messager. Ces petits ARN se fixent sur les régions homologues de l’ARN messager et amènent sur celui-ci un complexe protéique qui le dégrade.

Ainsi, lorsque l’ADN introduit échappe au TGS, il peut être soumis au PTGS. C’est généralement  le cas quand cet ADN est fortement transcrit, ce qui dépend en partie de sa séquence promotrice, de son site d’insertion, et des marques histones qui vont lui être associées.

Les « marques histones »

Les histones sont des petites protéines qui s’associent à l’ADN et modulent son expression en jouant sur sa conformation, qui conditionne elle-même  l’accessibilité aux facteurs de transcription. Il existe de nombreuses histones, réparties en quatre grandes classes et plusieurs sous-classes. Chaque histone présente elle-même un grand nombre de formes, appelées « marques » : méthylées, acétylées…, et ce, à divers degrés et sur des acides aminés différents. Ainsi, il y a de multiples marques histones, mais il semble que ces marques s’organisent en un nombre limité de combinaisons actives sur la transcription. Ainsi, un récent travail (1) chez Arabidospsis en a identifié seulement trois : l’une stimule la transcription des gènes, l’autre l’inhibe, la troisième réprime spécifiquement l’expression des éléments transposables. A titre d’exemple, la première de ces combinaisons s’écrit : H3K4me3 (=triméthylation sur la lysine 4 de l’histone 3), H3K9me3, H3K36me3, H3K4me2, H3K56Ac, H2Bub. Des modifications des marques histones (déméthylations ou déacétylations, etc.) peuvent encore venir moduler le niveau de transcription. Ce système combinatoire permet donc une régulation de l’expression génique à la fois très fine et très dynamique dans le temps et l’espace…

 (1) François Roudier et al. 2011. Integrative epigenomic mapping defines four main chromatin states in Arabidopsis. The EMBO Journal 30, 1928–1938.