Mécanismes épigénétiques 1. État de la chromatine

La molécule d’ADN support de l’information génétique est, chez les cellules eucaryotes, confinée dans

le noyau. Sa compaction est assurée par des protéines histones formant des nucléosomes constituant

ainsi l’unité fondamentale de ce qu’est la chromatine. Les nucléosomes sont constitués d’un octamère d’histones (2 de quatre types : H2A, H2B, H3, H4) entourés de 147 pb d’ADN et sont reliés les uns aux autres par 50 pb d’ADN sur lesquelles on retrouve l’histone H1 (Lämke & Bäurle, 2017). En 1928, Emil Heitz a observé, chez les chromosomes eucaryotes, deux structures de la chromatine. La première appelée euchromatine est dite génétiquement « active », l’autre dite hétérochromatine est génétiquement

« passive » (Figure 18). L’état de la chromatine, c’est-à-dire la structure et la compaction de la molécule

d’ADN, influence les processus de transcription, réplication, recombinaison … et joue également un

rôle dans le contrôle des éléments transposables (Bucher et al., 2012). La compaction de la chromatine

est dynamique et évolue dans le temps et l’espace. Il existe trois sources principales de variation qui

sont les modifications des histones (PTMs), l’utilisation de variants d’histone et des modifications de

l’ADN comme la méthylation (Yung & Elsässer, 2017).

4.2.2. Marque de la chromatine

Modification des histones

L’état de la chromatine est notamment garanti par les histones. Ainsi, des variants d’une même histone existent (Kiefer, 2007) et sont soumis à une gamme importante de modifications possibles sur leur extrémité N-terminale, comme l’acétylation, la phosphorylation, l’ubiquitination, la sumoylation, l’ADP

ribosylation, la déamination, la proline isomérisation ou encore la méthylation (Kouzarides, 2007). Les fonctions de ces modifications sont aussi diverses que leur nombre et dépendent également de leur combinaison et de leur localisation dans le génome. Ces modifications chimiques jouent notamment sur

l’accessibilité de la molécule d’ADN et donc in finedans la régulation et l’expression des gènes. Ces

marques sont réversibles et peuvent dans certains cas être transmises à la descendance ce qui répond à

la définition de l’épigénétique (Roudier et al., 2009).

ARN non codant

Les ARNs non codants (ncRNAs) sont des molécules d’ARN transcrits depuis l’ADN, mais non traduits

en protéines. On distingue deux groupes d’ARNs non codant basés sur leur taille. Le premier inclut les petits ARNs que sont les miRNAs, siRNAs, piRNAs et le deuxième des ARNs dit « longs » avec les IncRNAs. Ils sont reconnus comme régulateurs de l’expression des gènes (Wei et al., 2017). En outre, certains ARN non codants interagissent avec d’autres mécanismes épigénétiques comme la méthylation de l’ADN. Ainsi, chez les plantes, l’ARN polymérase IV produit des transcrits de certains loci qui vont servir de substrat pour la biosynthèse de petits ARN interférents (siRNA). Ces derniers orientent la

méthylation de l’ADN viace qu’on appelle la voie des RNA-directed DNA méthylation (RdDM) (Bucher

et al., 2012 ; Zhang et al., 2018). (Figure 19)

La méthylation de l’ADN

Définition

La méthylation de l’ADN, marque épigénétique la plus étudiée, correspond à l’addition d’un

groupement méthyle (-CH3) sur le carbone en position 5 d’une cytosine. On obtient alors une cytosine

méthylée ou 5-methylcytosine (5mC). Cette action est réalisée par des enzymes de type ADN méthyltransférases à partir du substrat S-adénosyl-L-méthionine. Découverte en 1925, chez

Mycobacterium tuberculosis, par Jonson et Coghill, la 5-méthylcytosine n’a été identifiée que plus tard

chez les animaux et les végétaux (Johnson & Coghill, 1925) (Figure 20).

Mécanismes de méthylation et déméthylation

Chez les plantes, les méthylations s’effectuent dans les contextes CG, CHG et CHH (où H = À, C ou T). On distingue les méthylations de maintenance et celles de novo qui font appel à des enzymes de la famille des méthyltransférases. La méthylation de maintenance consiste à permettre la conservation du

Figure 21 : Rôles des mécanismes épigénétiques et particulièrement de la méthylation de l’ADN chez les plantes (Zhang et al., 2018).

La méthylation de l’ADN contrôle l’expression des gènes, les éléments transposables et les interactions

entre chromosomes.

a. La méthylation de l’ADN (m) dans les promoteurs des gènes réprime couramment la transcription,

mais dans certains cas, la transcription peut être augmentée.

b. La méthylation de l’ADN dans le corps des gènes se trouve principalement sur des sites CG, et ses

fonctions sont encore peu connues.

c. La méthylation de l’ADN chez certains introns de l’hétérochromatine interagit avec le complexe

ANTI-SILENCING 1 (ASI1)–ASI1-IMMUNOPRECIPITATED PROTEIN 1 (AIPP1)–ENHANCED

DOWNY MILDEW 2 (EDM2) ce qui promeut la sélection d’autres sites de polyadénylation distale (astérisques rouges) durant le processus de création des ARNm. ASI1 s’associe avec la chromatine et se

lie avec l’ARN; EMD2 reconnait l’histone diméthylée H3 lysine 9 (H3K9me2) dans

l’hétérochromatine.

d. La méthylation de l’ADN est également importante pour la régulation des éléments transposables et

autres séquences répétées, qui sont principalement localisés dans les régions péricentromériques de

l’hétérochromatine.

e. La méthylation de l’ADN est impliquée dans les interactions chromosomiques entre les régions

péricentromériques et dans certains îlots hétérochromatines interactives, qui sont des régions de chromatine répressives situées sur les bras du chromosome euchromatique et sont caractérisées par des transposons abondants et un petit ARN.

Dans tous les panneaux, les transposons et autres répétitions sont en jaune et les gènes sont en bleu. Les régions chromosomiques noires et jaunes représentent respectivement les régions centromériques et péricentromériques POL II, RNA POLYMERASE II.

patron de méthylation au travers de la réplication. Les enzymes telles que les méthyltransférases 1 (MET1) maintiennent la méthylation sur des sites CG grâce à la reconnaissance du brin hémi-méthylé

de l’ADN par un cofacteur (Law & Jacobsen, 2010). De la même manière, la méthylation sur le motif

CHG peut être transmise au brin d’ADN répliqué grâce aux enzymes chromométhylases (CMT3). Enfin pour les motifs CHH, la voie des RdDM, avec les petits ARN cités précédemment, intervient conjointement avec les méthyltransférases DRM 1 et 2 (Eichten et al., 2014 ; Niederhuth & Schmitz, 2017). Ces mécanismes de maintien de la méthylation permettent une stabilité et une transmission par

mitose et méiose. D’autres mécanismes engendrent des déméthylations, d’abord par un manque de

maintenance, mais aussi grâce à des enzymes telles que les glycosylases (Eichten et al., 2014). On parle communément de déméthylase, chez Arabidopsis où la déméthylation active est catalysée par le gène Demeters (DME, DML2 et 3) (Pikaard & Mittelsten Scheid, 2014).

Rôle de la méthylation

Le niveau de méthylation est différent selon le contexte (CG, CHG, CHH), l’organisme et le stade de

développement considéré. La méthylation ne se distribue pas de manière aléatoire le long du génome et touche les gènes, les séquences répétées et les transposons (Roudier et al., 2009 ; Jones, 2012 ; Schübeler, 2015 ; Zhang et al., 2018). Ainsi, la méthylation est souvent associée avec

l’hétérochromatine. Par exemple, chez Arabidopsis thaliana, Cokus et al. (2008), ont montré un pourcentage de méthylation respectivement de 24%, 6,7% et 1,7% pour les motifs CG, CHG et CHH.

La méthylation est aujourd’hui reconnue comme intervenant dans un nombre pléthorique de processus

en lien avec le développement, la réponse aux stress, la variabilité phénotypique, l’inhibition des éléments transposables et plus généralement dans l’expression des gènes (Cui & Cao, 2014 ; Niederhuth

et al., 2016 ; Zhang et al., 2018).