2.4.1) Altération des systèmes biologiques de la descendance par l’obésité maternelle
Depuis plusieurs années, différents mécanismes du conditionnement développemental sont mentionnés dans la littérature (Alfaradhi et Ozanne 2011; Williams et al. 2014; Wankhade, Thakali, et Shankar 2016). Le conditionnement et/ou la programmation fœtale du syndrome métabolique, induit par l’environnement maternel, est dû à l’altération précoce de plusieurs systèmes biologiques chez la descendance :
Adapté de Williams et al. 2014
Figure 6. Effets de la nutrition hyperlipidique et/ou de l’obésité maternelle sur les systèmes biologiques de la descendance
Des altérations structurelles et fonctionnelles sont observées dans de nombreux organes en contexte de régime hyperlipidique et/ou d’obésité maternelle
L’ensemble de ces altérations interagissent avec l’environnement post-natal, ce qui peut aboutir à un syndrome métabolique à l'âge adulte.
NAFLD – Stéatose hépatique non alcoolique (non-alcoholic fatty liver disease), NASH – Stéatohépatite non alcoolique (non-alcoholic steatohepatitis)
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- Une dérégulation du comportement alimentaire et du système de récompense ainsi que de la dépense énergétique au niveau du système nerveux central (Vucetic et al. 2010; Daria Peleg-Raibstein, Luca, et Wolfrum 2012) ;
- Au niveau du TAB, une augmentation de la capacité de stockage des lipides (White, Purpera, et Morrison 2009) ;
- Une inflammation hépatique menant à la stéatose hépatique non-alcoolique (Bruce et al. 2009) ;
- Une dérégulation de l’homéostasie glucidique associée à une résistance à l’insuline entraînant un épuisement des cellules β du pancréas et une hyperglycémie (Gniuli et al. 2008) ;
- Une résistance à l’insuline au niveau des muscles squelettiques, associée à des troubles musculaires (Buckley et al. 2005) ;
- Une altération de la masse osseuse, en particulier sa capacité de minéralisation (Lanham et al. 2010) ;
- Une atteinte du système cardio-vasculaire, entraînant une augmentation de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle (Khan et al. 2005) ;
- Un dysfonctionnement placentaire, modifiant les apports nutritionnels et entraînant une inflammation au stade fœtal (A. E. Frias et al. 2011) ;
- Au niveau pulmonaire, une inflammation associée à un remodelage tissulaire (Y. Song et al. 2015) ;
- Une altération du microbiote intestinal, modifiant l’absorption des nutriments (J. Ma et al. 2014) ;
Au cours du développement intra-utérin, l’environnement peut impacter divers organes et leurs fonctions (Figure 6). Ces altérations structurelles et fonctionnelles peuvent entraîner des troubles de la santé à court et long terme chez la descendance. Les altérations du
foie et du SNC sont deux facteurs majeurs du conditionnement et de la programmation
Figure 7. Régulation de la transcription génique par les marques épigénétiques
La chromatine est organisée sous forme d’un double brin d’ADN enroulé autour du nucléosome, un octamère protéique comprenant quatre dimères d’histones (H3, H4, H2a, H2b). Les extrémités N-terminales des histones sont orientées vers l’extérieur du nucléosome, elles sont alors accessibles aux enzymes de la machinerie épigénétique. Les groupements méthyles (en rose) sont apposés sur les dinucléotides CpG de l’ADN. L’acétylation des histones (en vert) est généralement associée à l’euchromatine, une région ouverte et accessible à la machinerie transcriptionelle. La méthylation des histones peut être associée à des régions transcriptionellement actives ou inactives, en fonction de la position spécifique de groupements méthyles sur les queues d’histone.
Adapté de Heard et al. 2012
Figure 8. “Writers”, “Readers” et “Erasers” des marques épigénétiques
Les « writers » (DNMTs, KATs, KMTs, PRMTs) apposent des marques épigénétiques. Les «readers» (protéines à bromodomaine, chromodomaine ou à domaine Tudor) reconnaissent ces marques et recrutent d’autres acteurs épigénétiques. Les « erasers » (HDACs, KDMs) enlèvent les marques de l’ADN ou des histones.
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2.4.2) Mécanismes épigénétiques et obésité dans le concept de la DOHaD
L’épigénétique et ses mécanismes
De nombreuses études montrent que les mécanismes épigénétiques, qui régulent l’expression des gènes sans changement de la séquence nucléotidique, sont impliqués dans la programmation et le conditionnement développemental. Les deux mécanismes principaux sont les modifications de la chromatine et les ARN non codants. Les modifications de la chromatine comprennent la méthylation de l’ADN et les modifications post-traductionnelles des histones et des autres protéines formant le nucléosome (Figure 7). Les modifications post-traductionnelles des histones consistent en l’apposition ou le retrait d’autres groupements chimiques sur les queues des histones, au niveau d’acides aminés (AA) spécifiques. Ces AA sont généralement des lysines, arginine, sérine, thréonine, tyrosine et histidines. Les principales modifications sont la méthylation, l’acétylation et la phosphorylation. Ces modifications influent directement sur le degré de compaction de l’ADN et par conséquent sur le niveau d’expression des gènes (Z. J. Chen et Pikaard 1997). Les enzymes de la machinerie épigénétique régulent l’apposition ou l’effacement des marques épigénétiques. Celles qui apposent ces marques sont référencées dans la littérature comme « writers » (écrivains), tandis que celles qui les enlèvent sont appelées « erasers » » (effaceurs) (Figure 8). La méthylation de l’ADN est assurée par les ADN-méthyltransférases (DNMTs pour DNA
methyltransferases, en anglais). La déméthylation peut se faire de manière passive, ou bien de
manière active, suivant un processus de modifications successives impliquant les enzymes TET (pour ten-eleven translocation, en anglais). La méthylation des histones est assurée par les lysine-méthyltransférases (KMTs) et la déméthylation par les lysine-déméthylases (KDMs). Les lysines-acétyltransférases (KATs) assurent l’apposition du groupement acétyle et l’effacement est assuré par les histones-désacétylases (HDACs). Il existe quatre classes d’HDACs, les enzymes de classe III étant appelées sirtuines (SIRTs). Les marques épigénétiques sont reconnues par différentes protéines appelées « readers » (lecteurs), possédant des domaines protéiques spécifiques (Figure 8). Ces readers du code épigénétique peuvent recruter des complexes multiprotéiques qui contribuent à la régulation de la transcription. Les marques épigénétiques sont flexibles, héritables au cours des divisions cellulaires successives et sensibles à l’environnement (Attig, Gabory, et Junien 2010; Anne Gabory 2011). Ces caractéristiques font des processus épigénétiques de bons candidats pour
Figure 9. Métabolisme à un carbone (1C) et méthylation
Vitamines B, donneurs de méthyle, nutriments, micronutriments, composés bioactifs
Le métabolisme 1C utilise les composés apportés par l’alimentation afin de produire de la SAM. Cette molécule est un donneur de méthyle, essentielle à la méthylation de l’ADN et des histones. Certains composés alimentaire tels que les polyphénols ont la faculté d’inhiber les HMT et Dnmt.
ATP – adenosine triphosphate ; SAM – adénosylméthionine ; SAH – S-adénosylhomocystéine ; ADN – acide désoxyribonucléique ; HMT – histone méthyltransférases ; Zn – zinc ;
Dnmt – ADN méthyltransférases ;
Adapté de Gabory A., conférence SAPS 2016
Figure 10. Métabolisme de l’acétate
Nutriments, micronutriments, composés bioactifs
Le substrat principal des réactions d’acétylation des protéines est l’acétyl-CoA. Cette molécule est apportée via la métabolisation des lipides, du glucose et des protéines. Certains composés présents dans l’alimentation (tel que l’allyl mercaptan, présent dans l’ail), ont une action inhibitrice sur les HDACs.
HAT – histone acétyltransférases ; HDAC – histone désacétylases ; H3ac – histone 3 acétylé ; H4ac – histone 4 acétylé ; NAD – nicotinamide adénine dinucléotide ; Zn - zinc Adapté de Gabory A., conférence SAPS 2016
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expliquer la « mémorisation » des événements environnementaux précoces. Cette mémorisation serait en partie responsable de la sensibilité de la descendance à son propre environnement, ainsi que des prédispositions à développer des pathologies (Warner et Ozanne 2010; Godfrey et al. 2017).
Métabolisme et épigénétique
Le métabolisme, en particulier énergétique, entretient des liens étroits avec les mécanismes épigénétiques. Certains substrats du métabolisme énergétique sont des substrats ou des co-régulateurs de la machinerie épigénétique (Gabory A., under review).
La S-adénosine-méthionine (SAM) est le donneur universel de méthyle pour les méthyltransférases (Dnmt et HMT). Elle est fournie par le métabolisme monocarboné (1C, dit
one-carbon en anglais). Plusieurs composés alimentaires tels que les vitamines B (comprenant
les folates), la méthionine, la choline, la bétaïne, contribuent à la production de SAM. D’autres composés alimentaires, tels que les polyphénols ou la tyrosine, peuvent moduler le cycle monocarboné et altérer les activités méthyltransférases (Delage et Dashwood 2008)
(Figure 9). Un exemple édifiant du lien entre l’alimentation et la méthylation est apporté par l’étude des souris de souche « Agouti viable yellow » (Avy), chez lesquelles la couleur du pelage dépend de l’expression du gène ASIP (agouti signalling protein). L’expression de ce gène dépend de l’état de méthylation d’une séquence en amont de son promoteur. Lorsque l’alimentation des souris est supplémentée en donneurs de méthyle, la couleur du pelage de ces souris change graduellement, en fonction du degré de méthylation (Waterland et Jirtle 2003).
Les réactions d’acétylation des lysines utilisent l’acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA) en tant que substrat. L’acétyl-CoA est un composant majeur du métabolisme énergétique, il intervient dans des réactions métaboliques majeures, notamment le cycle de Krebs, la glycolyse, la β-oxydation des lipides et le métabolisme des AA. L’excès d’acétyl-CoA est exporté hors de la mitochondrie et diffuse jusqu’au noyau ou il pourra être utilisé (Takahashi et al. 2006). En plus des apports alimentaires nécessaires à la production d’acétyl-CoA, certains composés de l’alimentation peuvent moduler l’activité des KATs et des HDACs, comme par exemple l’allyl mercaptane présent dans l’ail, le sulforaphane des brocolis, le butyrate ou l’hydroxybutyrate (produits de la β-oxydation des lipides et des AA) (Figure 10)
Figure 11. Mécanismes de transduction des signaux de l’environnement cellulaire Il existe différents mécanismes par lesquels l’environnement peut agir sur l’organisation de la chromatine et la transcription. La fixation d’un ligand à son récepteur transmembranaire entraîne une cascade de signalisation aboutissant à des modifications de la conformation de la chromatine et de l’expression des gènes. Les récepteurs nucléaires sont activés par des ligands pouvant pénétrer dans la cellule. Cette activation entraîne leur translocation dans le noyau, permettant ainsi l’activation ou le recrutement d’acteurs de la machinerie épigénétique. Certains substrats du métabolisme peuvent pénétrer passivement ou activement dans la cellule et sont ensuite utilisés comme substrats des modifications épigénétiques. Certains de ces substrats peuvent aussi avoir une action activatrice ou inhibitrice sur les acteurs de la machinerie épigénétique. Le continuum cellulaire est assuré par des mécanismes de mécanotransduction, de la MEC jusqu’au noyau, et peuvent aboutir à des modifications de la chromatine.
MEC – matrice extracellulaire ; PPAR – récepteur activé par les proliférateurs des péroxysomes ; PPAR-RXR – récepteur X de l’acide rétinoïque lié à PPAR
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De nombreux effets environnementaux peuvent être médiés par une signalisation classique, telle que celle impliquant des récepteurs membranaires ou nucléaires. L’activation des récepteurs transmembranaires entraîne une cascade de signalisation aboutissant à des modifications de la transcription (Hellstrom et al. 2012). Dans le cytoplasme, la fixation de ligands aux récepteurs nucléaires, par exemple ceux de la famille PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor), entraîne leur translocation nucléaire et le recrutement d’acteurs de la machinerie épigénétique, aboutissant à la modification de l’expression des gènes (Kishimoto et al. 2006; Gadaleta et Magnani 2014). Enfin, il existe un continuum entre l’environnement extracellulaire et la chromatine, assurée par des mécanismes de mécano-transduction, pouvant aboutir à des modifications de l’organisation de la chromatine (Figure
11) (Lelièvre 2009).
Le métabolisme et l’épigénétique apparaissent donc interdépendants (Figure 12). Ainsi, l’alimentation influence le métabolisme, l’environnement nutritionnel peut avoir un impact direct sur les processus épigénétiques (Gabory A., under review).
Epigénétique dans le contexte de la DOHaD
D’après la littérature, trois fenêtres de vulnérabilité de l’épigénome à l’environnement se distinguent, pouvant conduire au développement de pathologies.
Tout d’abord la première fenêtre de vulnérabilité concerne la gamétogenèse, pendant laquelle se déroule un effacement de la méthylation de l’ADN et des marques activatrices ou répressives au niveau des histones. S’en suit une réapposition de ces marques afin de donner une identité gamétique à la cellule (Hackett et Surani 2012; Casas et Vavouri 2014). Dans un contexte d’obésité maternelle, des dommages à l’ADN ovocytaire, ainsi qu’un retard de croissance fœtale, ont été observés. Ces effets sont associés à une traduction insuffisante de la protéine Stella dans l’ovocyte. Cette protéine protège l’ADN de la déméthylation active, induite par la cascade des TETs. Cela conduit, dans l’embryon préimplantatoire, à une hypométhylation globale active du pro-noyau maternel, qui normalement subit une déméthylation passive (Figure 13) (L. Han et al. 2018).
Puis, juste après la fécondation, l’épigénome subit une restructuration complète : les histones remplacent les protamines présentes dans le pronucléus mâle, l’ADN est fortement déméthylé et les modifications post-traductionnelles des histones sont profondément
Figure 12. Relations entre le métabolisme et la machinerie épigénétique
Les métabolites des principales voies biochimiques participent à la régulation de la chromatine, entraînant des modifications de la régulation de la transcription. Le cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) et la β-oxydation fournissent de l'acétyl-CoA, substrat des HATs, utilisé pour l’acétylation des histones. La voie du métabolisme à 1 carbone fournit la S-adénosylméthionine (SAM), substrat de la méthylation de l’ADN et des histones. De nombreux autres métabolites participent à la régulation de la machinerie épigénétique. Par exemple, les niveaux d'AMP / ATP déterminent l'activité de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK), qui phosphoryle les histones. L’ensemble des modifications post-traductionnelles des histones constituent le « code histone », qui contrôlent l’accessibilité de la chromatine aux TF et par conséquent, la transcription. Sachant que l’alimentation influence le métabolisme, l’environnement nutritionnel peut avoir un impact direct sur les processus épigénétiques et l’expression des gènes.
α-KG – α-cétoglutarate ; β-OHB – hydroxybutyrate ; ARTD1 – ADP-ribosyltransférase analogue à la toxine diphtérique 1 ; co-REG – co-régulateur ; DNMT – ADN méthyltransférase ; GlcNAc – N-acétylglucosamine ; HDAC – histone désacétylase ; HMT – histone méthyltransférase ; JHDM – histone déméthylase contenant un domaine JmjC ; LSD1 – déméthylase 1 spécifique de la lysine ; OGT – N-acétylglucosamine transférase liée à l‘oxygène ; p300 / CBP – p300 et protéine liant CREB ; Pol II – ARN polymérase II ; SIRT – sirtuine ; TF – facteur de transcription ; TET – méthylcytosine dioxygénase de translocation de dix à onze ; TSS – site de démarrage de la transcription
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remodelées (Figure 13) (Heard et Martienssen 2014). Cette restructuration permet aux cellules d’avoir un profil d’expression totipotent, nécessaire au développement et à l’établissement de l’identité cellulaire. Durant le développement préimplantatoire, le statut métabolique maternel peut avoir des effets délétères. Peu d’études se sont intéressées aux effets d’une restriction alimentaire au cours de cette période périconceptionnelle (Fleming, Eckert, et Denisenko 2017). Aucune étude n’a étudié, à notre connaissance, les mécanismes épigénétiques sous-jacents. Nous pouvons supposer que l’obésité maternelle, ou du moins un régime HFD, au cours de la période préimplantatoire peut avoir des conséquences néfastes sur la santé de la descendance.
Enfin, suite à la gastrulation, un nouveau profil épigénétique est apposé au stade
fœtal. La différenciation des tissus, l’organogenèse et la croissance fœtale se font alors sous le
contrôle du placenta (Nelissen et al. 2011). Selon l’hypothèse de Barker, cette période est critique pour le développement à long terme de pathologies cardiovasculaires (D. J. Barker et al. 1989). Chez l’humain, les pathologies métaboliques maternelles qui sont associées à des défauts de croissance fœtale, sont aussi associées à des altérations de la méthylation de l’ADN dans le placenta (Ruchat et al. 2013). La plupart des études expérimentales concernant le stade fœtal ont été réalisées dans un contexte de sous-nutrition, ou de restriction protéique. Par exemple, une restriction alimentaire au cours de la période fœtale chez le rat entraîne un RCIU associé à une hypoinsulinémie ainsi qu’une dyslipidémie à l’âge adulte. Ces effets sont associés à une diminution de H3K14ac et une augmentation de H3K9me2 ainsi qu’à une augmentation de l’expression d’HDACs (HDAC 1 et 4) et d’une lysine méthyltransférase (KMT1a) (Raychaudhuri et al. 2008). Dans le cas d’un régime HFD au cours de la gestation chez la souris, le placenta est globalement hypométhylé, bien qu’une hyperméthylation soit détectée chez les fœtus femelles au niveau d’un dinucléotide CG (CpG) de la région de contrôle du gène soumis à empreinte Igf2R (Gallou-Kabani et al. 2010). Dans le même modèle murin, l’expression placentaire de 5 gènes de la machinerie épigénétique (Dnmt3l,
Kmt1a, Kmt1b, Prm7 et Kdm5c) est réduite en réponse au régime HFD maternel (Anne
Chez la souris, il y a au moins deux phases de reprogrammation globale de la méthylation de l’ADN. La première a lieu juste après la fécondation et entraîne l’effacement des marques épigénétiques gamétiques. Au cours de cette phase, l’empreinte parentale est maintenue. L’autre phase de reprogrammation se déroule dans les cellules de la lignée germinale, dans lesquelles le programme somatiques maternel et paternel est effacé. Suite à cela, l’empreinte parentale est apposée aux cellules de la lignée germinale. A chaque fenêtre de reprogrammation est associé un ensemble spécifique de mécanismes régulant l’effacement et la réapposition de la méthylation de l’ADN. L’effacement de la méthylation de l’ADN du zygote s’effectue de façon passive (pronoyau maternel) et active via l’action de la protéine TET3 (pronoyau paternel). Dans les cellules de la lignée germinale, ces processus sont encore mal compris.
IAP – particule intracisternale de type A ; PGCs – cellules germinales primordiales
Figure 13. Phases de reprogrammation de l’épigénome au cours du développement
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