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Rôle de l’épigénome : quels apports pour l’amélioration des plantes ?

Les ARN non codants, et en particulier les petits ARN, ont un rôle fondamental dans la régulation des gènes et le fonctionnement des organismes. Ils permettent aussi l’adaptation à des stress, et leur effet sur le génome peut parfois aboutir à la sélection d’épigénomes stables et adaptés.

Visuel Regards d'expert. Article de présentation de la revue de l’Académie d’agriculture : « Rôle de l’épigénome dans le contrôle du développement et des interactions avec le milieu. Quels apports pour l’amélioration des plantes ? » par Hervé Vaucheret, 7 pages, 28 octobre 2013.. © Inra, Véronique Gavalda
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 15/06/2016
Publié le 29/04/2016

Cet article présente la revue réalisée par Hervé Vaucheret pour l'Académie d'agriculture de France.

Un seul génome et DES épigénomes

Séquence d'ADN. © Garrett Coakley, Garrett Coakley
Séquence d'ADN © Garrett Coakley, Garrett Coakley

On le sait depuis les années 50 (1), le génome contient les unités d’hérédité, les gènes, qui définissent les caractéristiques de chaque organisme. Aucune cellule n’exprime la totalité des gènes, ce qui permet la différenciation cellulaire au sein d’un organisme. L’expression génique est régulée au niveau de la transcription de l’ADN en ARN, de la maturation ou de la traduction de l’ARN, ou par modification post-traductionnelle des protéines. Au niveau de la transcription, on distingue deux grands mécanismes pouvant activer ou réprimer l’expression :

- La régulation par des facteurs de transcription (FT) se fixant de manière spécifique à certaines séquences des gènes.

- La régulation par des modifications chimiques de l’ADN ou des histones associées à l’ADN, pouvant modifier la fixation des FT sans modifier la séquence nucléotidique du gène (2).

Ce deuxième mécanisme a été découvert plus récemment. L’ensemble des modifications chimiques, dites épigénétiques, forme l’épigénome.

Ainsi, chaque organisme possède un seul génome et DES épigénomes, qui varient selon les cellules, le stade de développement et l’environnement.

Les modifications épigénétiques : un mécanisme d’adaptation rapide à l’environnement

Au cours de l’évolution, les gènes sont susceptibles de muter, par modification de leur séquence de nucléotides. Ces mutations surviennent à des fréquences très faibles et donnent lieu à des versions différentes du gène appelées allèles.

A contrario, les modifications épigénétiques, ou épimutations, peuvent parfois survenir de façon plus fréquente. Cela dit, elles sont également beaucoup plus réversibles. Il est important de noter que l’apparition d’épimutations à certains loci résulte très souvent de modifications stables du génome (duplication de séquence, insertion de transposons, etc).

- Fréquence des mutations génétiques (dans la séquence de l’ADN) : 10-7. Fréquence de réversibilité : 10-7.

- Fréquence des mutations épigénétiques : jusqu’à 10-1 dans des cas extrêmes. Fréquence de réversibilité : jusqu’à 100 %.

L’existence de différentes formes épialléliques permet des ajustements réversibles de l’expression des gènes. Les épimutations sont donc considérées comme un outil très efficace utilisé par les organismes pour s’adapter rapidement aux contraintes environnementales tout en gardant la possibilité de revenir à leur forme originale. C’est particulièrement utile pour les plantes qui ne peuvent pas bouger pour échapper aux stress environnementaux. Cependant, on n’a pas encore pu démontrer un avantage sélectif des épimutations par rapport aux mutations, certainement en raison du faible nombre d’épimutations stables recensées à ce jour.

Stabilité ou réversibilité des modifications épigénétiques

Mutant peloric, linaire, plante herbacée, mutation liée à une méthylation du promoteur du gène cycloidea. Fleur modifiée.. © Annals of Botany-Oxford university Press
© Annals of Botany-Oxford university Press

Dès 1749, Linné décrit un variant de linaire, une plante herbacée. Appelé « peloric », ce variant présente une fleur modifiée, lippue, qui résulte de la méthylation du promoteur du gène cycloida (3) ce qui empêche son expression. Cette épimutation est transmise de générations en générations à travers la méiose, mais réverte fréquemment pendant la mitose, donnant naissance à des plantes chimériques portant à la fois des fleurs normales et des fleurs de type « peloric ». D’autres exemples d’épimutations métastables ont été décrits chez la tomate, le melon et le maïs, qui résultent la plupart du temps d’une modification préalable du génome (duplication de séquence, insertion de transposons, etc), aboutissant à la production de petits ARN.

Le rôle des petits ARN

La plupart des régions dites intergéniques sont en fait transcrites et produisent des ARN non codants. Elles ne peuvent donc plus être considérées comme des séquences neutres, ou, pire, comme de l’ « ADN poubelle » (4). Des petits ARN sont généralement produits à partir de ces longs ARN non codants. Des petits ARN sont également transcrits à partir de certains gènes codant des protéines, en particulier ceux portant des répétitions ou associés à des transposons. On distingue plusieurs types de petits ARN :

- Les siRNA (5) de 24 nucléotides qui guident la méthylation de l’ADN, ce qui peut bloquer la transcription de l’ADN en ARN messager si la méthylation touche le promoteur: on parle d’inactivation transcriptionnelle ou TGS (pour “transcriptional gene silencing”).

- Les microRNA (miRNA) et les siRNA de 21 nucléotides agissent à une étape ultérieure, en guidant le clivage des ARN messager ou en bloquant leur traduction en protéine : on parle d’inactivation post-transcriptionnelle ou PTGS (pour “post-transcriptional gene silencing”).

Plus d’un million de petits ARN différents ont été identifiés chez Arabidopsis.

90% sont des siARN de 24 nucléotides qui dérivent de la quasi-totalité des régions dites intergéniques et d’un bon tiers des gènes codants des protéines.

Les petits ARN sont nécessaires au bon fonctionnement des organismes. On sait en particulier que les siRNA circulent au sein de la plante. Ils créent des gradients moléculaires entre les cellules et sont impliqués dans la régulation dose-dépendante des gènes qui contrôlent la différenciation cellulaire. En se propageant via les vaisseaux dans toute la plante, ils peuvent aussi induire les réactions de défense contre les pathogènes avant même que ceux-ci ne se déplacent au sein de la plante.  

On ne peut plus ignorer les petits ARN

Les petits ARN régulent l’expression de nombreux gènes endogènes au cours du développement et en réponse à divers stress, contrôlent le mouvement des éléments transposables, participent à la structuration de la chromatine, et protègent les cellules contre des agents infectieux (virus, bactéries). C’est un pan entier d’information qui avait été jusqu’à présent ignoré.

Conséquences pour les sélectionneurs

Ensablement des plantations d'oliviers. Désertification en relation avec les techniques de dry farming (céréaliculture en sec, destructurant les sols soumis ensuite à une forte érosion éolienne). 1990.. © Inra, CHASSANY Jean-Paul
© Inra, CHASSANY Jean-Paul

On peut se représenter une plante comme un organisme perpétuellement soumis à des stress : stress thermiques, hydriques, pathogènes, etc. En réponse à certains stress, elle peut produire des myriades de petits ARNs de façon à générer de la variabilité épigénétique potentiellement transmissible à la descendance. Le maintien sur plusieurs générations d’un stress pourrait vraisemblablement conduire à la sélection des individus qui présentent le répertoire de petits ARNs et l’épigénome le plus adapté. Trois exemples semblent soutenir cette hypothèse : l’adaptation à des stress ionisants, l’adaptation à des températures élevées et la sélection d’individus à haut rendement énergétique. C’est pourquoi les sélectionneurs de plantes (et d’animaux) devront prendre en compte le répertoire de petits ARNs et l’épigénome, tout en gardant à l’esprit que les épimutations sont beaucoup plus labiles que les mutations génétiques. Il est d’ailleurs fort probable qu’à quelques exceptions près, seule la co-existence de mutations et d'épimutations permette de fixer un nouveau caractère sur le long terme. Ceci permettrait d’expliquer qu’on ait recensé à ce jour aussi peu de caractères agronomiques causés par des épimutations seules.

(1) Expériences montrant que l’ADN est le support de l’hérédité : transformation du pneumocoque (1944), expériences sur le phage (1952). Description de la structure en double hélice de l’ADN en 1953 par Watson et Crick.

(2) Méthylation de l’ADN, acétylation, méthylation, phosphorylation ou ubiquitylation des histones, protéines associées à l’ADN et formant avec lui la chromatine.

(3) Gène cycloidea (LCYC).

(4) ADN poubelle : terme employé jusqu’ici pour désigner les régions situées entre les gènes, dont on pensait qu’elles ne portaient aucune information fonctionnelle.

(5) SiRNA : short interfering RNA.

La revue complète

Lire la revue de l’Académie d’agriculture : « Rôle de l’épigénome dans le contrôle du développement et des interactions avec le milieu. Quels apports pour l’amélioration des plantes ? » par Hervé Vaucheret, 7 pages, 28 octobre 2013.

Revue de l’Académie d’agriculture : Epigénéti

Sommaire :

  • Résumé
  • Introduction
  • Epimutations et paramutations spontanées
  • Petits ARN et modifications de la chromatine
  • Epimutations induites artificiellement dans des fonds génétiques mutants
  • Conséquences pour les sélectionneurs et améliorateurs des plantes
  • Références

Avancées de l’Inra dans le domaine

Epigénétique et animaux d’élevage

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- Génomique et épigénomique bovine. Lire l’article.

Epigénétique et alimentation

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Epigénétique, développement et santé

- Concept et mécanismes de l’origine développementale de la santé et des maladies (DOHaD), impliquant l’épigénétique. Lire l’article.

- Déméthylation de l'ADN dans l'embryon au stade zygote chez deux espèces, la souris et le lapin. Lire l’article.

Epigénétique et obésité

- Une protéine (BAHD1) participe aux mécanismes de régulation du taux de cholestérol et de la prise de poids, en contrôlant l’expression de certains gènes par des phénomènes épigénétiques. Lire l’article.

http://presse.inra.fr/Ressources/Communiques-de-presse/piste-epigenetique-obesite

Epigénétique et santé des plantes

- Un pathogène, le Phoma du colza, utilise des mécanismes épigénétiques pour optimiser sa capacité infectieuse.Lire l’article.

- Contrôle épigénétique de gènes viraux présents dans le génome des mousses. Lire l’article.

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Epigénétique et transgènes

- 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 et peut déclencher le mécanismes d’extinction de certains transgènes. Lire l’article.

- Séquences répétées : distribution sur les chromosomes comme leur composition sont hétérogènes et leur divergence au fil du temps s’est accompagnée de l’évolution conjointe des mécanismes de leur régulation épigénétique. Lire l’article.

Portrait Hervé Vaucheret. © Inra

L’auteur

Hervé Vaucheret est directeur de Recherche à l’Institut Jean-Pierre Bourgin, Inra de Versailles. C’est à partir du modèle des plantes transgéniques qu’il a commencé à s’intéresser aux mécanismes de l’épigénétique, et en particulier au rôle des petits ARN. Il a reçu plusieurs distinctions pour ses travaux, dont la Médaille d’Argent du CNRS en 2005. Voir l'article qui lui est consacré.