Les caractéristiques du Xi

Nous venons d’aborder les différents acteurs protéiques impliqués ou susceptibles d’être impliqués dans le processus d’inactivation du chromosome X. L’expression de l’ARN Xist induit une cascade d’événements qui mène au recrutement direct ou indirect de ces facteurs protéiques. Certaines d’entres-eux comme les protéines du complexe PRC2 et PRC1 mettent en place les marques épigénétiques du Xi, que nous présenterons dans ce paragraphe.

Nous aborderons également les autres caractéristiques du Xi telles que la méthylation de l’ADN, la réplication asynchrone et nous finirons en exposant les particularités des gènes échappant à la répression transcriptionnelle.

4.1 Les marques épigénétiques du Xi

Comme nous l’avons déjà mentionné, l’expression de l’ARN Xist est le premier événement de l’initiation de l’inactivation qu’elle soit aléatoire ou empreintée. Sa sur-expression précède l’extinction transcriptionnelle des gènes le long du chromosome X (Kay et al., 1993 ; Panning et al., 1997 ; Sheardown et al., 1997b ; Wutz et Jeanisch, 2000 ; Okamoto et al., 2004). Cette capacité de l’ARN Xist à promouvoir l’extinction transcriptionnelle est encore à ce jour mal comprise, toutefois plusieurs études ont permis d’apporter de nombreuses informations. L’accumulation de l’ARN Xist est l’élément déclencheur d’une cascade d’événements aboutissant à la mise en place de la répression transcriptionnelle stable du chromosome X. Parmi ces évenements, les méthylations des histones sont cruciales ce qui confère à l’X un profil de méthylation caractéristique des chromosomes actifs ou inactifs. En effet, le chromosome Xi présente des H3K27m3 (Rougeulle et al., 2004). D’autres modifications telles que les H3K9me2 (Okamoto et al., 2004), H3K9me3, H4K20m1 (Kolhmaier et al., 2004), H2AK119ub1 apparaissent aussi sur le Xi (Smith et al., 2004 ; Hernandez-Munoz et al., 2005). Une diminution de H3K9ac, H3K4m2, H3K4m3, et la déacétylation globale de H4 est également observée (Keohane et al., 1996 ; Heard et al., 2001 ; Chaumeil et al., 2002). Par contre, le Xa présente un enrichissement en H3K4me, H3K9ac, H3R17me, H3K26me, ainsi qu’une acétylation globale de l’histone H4 (Fig. 21).

Figure 21 : Les différents types de modifications présentes sur les chromosomes X

L'identité et la position des résidus modifiés sont indiquées par le code à 1 lettre des acides aminés suivi du chiffre de référence à partir de l'extrémité N-terminale.

Les modifications sont indiquées de la façon suivante : Ac pour acétylation, Met pour méthylation et Ub pour ubiquitinylation.

Les résidus lysine et arginine peuvent être méthylés, les lysines peuvent être acétylées et ubiquitinylées et les sérines et acides glutamiques peuvent être phosphorylés. Les modifications associées à la répression génique sont indiquées en rouge et celles associées à la chromatine active sont en vert.

Xa : X actif, Xi : X inactif.

D'après la revue Heard et Disteche, 2006

4.2 Réplication tardive

Dans les cellules somatiques de mammifères, tandis que le Xa est répliqué en début de phase S, le Xi l'est à la fin. Cette propriété est très bien conservée chez les mammifères (Evans et al., 1965 ; Priest et al., 1967 ; Sharman, 1971 ; Taylor et Miner, 1968). La réplication tardive suit de peu l'apparition de la plupart des modifications d'histones (Chaumeil et al., 2002 ; Okamoto et al., 2005), et pourrait donc être liée à l’effet de ces modifications de la chromatine. Il a été montré qu’une fois l'inactivation mise en place, la délétion conditionnelle de Xist sur le Xi n'a pas d'effet sur la réplication tardive de ce dernier (Csankovszki et al., 1999). Cette observation illustre bien le fait qu’une fois passée l’initiation de l’inactivation, la réplication asynchrone est maintenue au même titre que les autres caractéristiques du Xi et ceci indépendamment du gène Xist. Notons néanmoins que la réplication du Xi se fait plus tôt que celle du Xa dans les tissus extra-embryonnaires (Sugawara et al., 1983), ce qui va à l’encontre de ce qui est observé dans les tissus embryonnaires.

53 4.3 Méthylation de l’ADN

La méthylation du Xi intervient tardivement et semble être importante pour le maintien de l’état inactif. Chez la souris, la majorité des promoteurs du Xi sont hyperméthylés en comparaison de ceux du Xa (Wolf et al., 1984). Ceux des gènes échappant à l’inactivation ne sont pas méthylés (Goodfellow et al., 1988). Chez l’homme, la relation entre méthylation de l’ADN et inactivation des gènes est plus compliquée. Par exemple les loci DXZ4 et DXS255 sont méthylés sur le Xa et non méthylés sur le Xi (Boyd et Fraser, 1990 ; Giacalone et al., 1992). De plus, des expériences de restriction sensibles aux méthylations suggèrent que le Xi humain est hypo-méthylé par rapport au Xa, ce qui pose clairement un problème dans la conception actuelle des mécanismes impliqués. Cela suggère que la méthylation de l’ADN n’aurait pas le même impact sur la régulation de l’expression génique chez la souris et chez l’homme. Cette hypothèse n’est pas à exclure étant donné que les analyses comparatives entre homme et souris tendent à montrer que les processus régissant les mêmes fonctions ne sont pas équivalents.

4.4 Gènes échappant à l’inactivation

Tous les gènes du Xi ne sont pas inactivés. En effet, chez la souris, au moins 7 d’entre eux échappent à l’inactivation. Chez l'homme, il avait été proposé que 15 % des gènes restent actifs (pour revue, Brown et Greally, 2003 ; Carrel et al., 1999) mais une étude récente met en évidence un pourcentage de gène actif de seulement 5% (Johnston et al., 2008). Cette « non-inactivation » conservée chez les euthériens (Yen et al., 2007) conduit à une expression bi-allélique des gènes et témoigne d’une résistance à la propagation de l’inactivation au niveau de certains loci (Lingenfelder et al., 1998). A noter le fait que le niveau d’expression des gènes liés au Xi est rarement le même que celui des gènes correspondant au Xa. La sur-expression chez les femelles par rapport aux mâles de quelques gènes liés aux chromosomes X a récemment été mise en évidence (Johnston et al., 2008), ce qui confirme que certains gènes échappent effectivement totalement à l’inactivation. Chez l'homme, les gènes non soumis à l’inactivation sont regroupés en régions échappant à l'hétérochromatinisation (Carrel et Willard, 2005 ; Jegalian et Page, 1998 ; Lahn et Page, 1997). Dans ces régions, la densité de régions répétées type LTR est plus faible (Tsuchiya et al., 2004). Comme nous le verrons plus tard, les séquences répétées LINE-1 sont supposées être à l’origine de la propagation de l’inactivation (pour revue, Lyon, 1998).

Une approche bioinformatique a permis de montrer que les motifs (GATA)n sont enrichis de manière spécifique au niveau des gènes échappant à l'inactivation (McNeil et al., 2006). Ainsi, l’appauvrissement en régions LTR et l’enrichissement en motifs (GATA)n pourraient conférer au matériel génétique une résistance localisée à la propagation de l’extinction transcriptionnelle.

Il est aussi intéressant de signaler que pour certains gènes échappant à l’inactivation, un facteur supplémentaire pourrait intervenir. En effet, l'extrémité 5' des gènes Jarid1c, eif2s3x et EIF2S3X qui ont cette propriété, recrute la protéine CTCF, connue pour avoir une fonction insulatrice (Filippova et al., 2005). Néanmoins, il faut souligner que la présence de sites de fixation de CTCF autour d'un transgène inséré sur le chromosome X n'est pas suffisante pour lui permettre d'échapper à l'inactivation (Ciavatta et al., 2006). Le travail de Chaumeil et al. (2006) met en évidence que le gène Jarid1c est situé en bordure du domaine Xist lors de la mise en place de l’inactivation. On peut imaginer qu’une boucle de chromatine se forme et qu’elle permet d’exclure les gènes échappant à l’inactivation du domaine Xist.

Toutefois, des études sur ce même gène Jarid1c mettent en évidence des variations de son taux d’expression au cours du développement (Lingenfelter et al., 1998), ce qui n'est pas le cas lors de la différenciation de cellules ES (Chaumeil et al., 2006). Ceci pourrait reflèter des limitations intrinsèques au modèle ES. Par ailleurs, il est à noter que le caractère actif des gènes échappant à l’inactivation de l’X présente une certaine variabilité inter-individuelle (Sudbrack et al., 2001).

C. Mécanistique de l’inactivation aléatoire : caractérisation du centre d’inactivation du