Article pp.168-175 du Vol.28 n°1-2 (2008)

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La génétique, source de variabilité et d’adaptabilité de la matière grasse laitière

P. Martin

SUMMARY

Genetic, a sustainable strategy to adapt milk fat composition

Milk is a complex liquid and a source of many bioactive and functional molecules. Its composition is highly variable. This feature is particularly true for milk fat which varies with numerous factors. Genetics which displays the advantage to be a long term and sustainable strategy is considered, with feeding, the main way to adapt naturally milk fat composition to technologist and/or consumer requirements. It is essential to understand the molecular architecture of this trait that genomics breakthrough allow today to approach and analyse in order to begin to see, in the future, more efficient and accurate selection possibilities. Some relevant examples will be given and dis- cussed briefly.

Keywords

ruminants, lipids, QTL, genomics, selection, polymorphisms, DGAT1, αs1-casein.

RÉSUMÉ

Le lait est un liquide complexe contenant de nombreuses molécules bioactives et techno-fonctionnelles. Sa composition est éminemment variable. Cette caractéristi- que s’applique en particulier à la matière grasse laitière (MGL) qui varie avec de nombreux facteurs. La génétique qui présente l’avantage de s’inscrire sur le long terme, dans une stratégie de développement durable, constitue avec l’alimentation le principal moyen d’adapter naturellement la composition de la MGL aux besoins du trans- formateur et/ou du consommateur. Il est essentiel de comprendre l’architecture moléculaire de ce caractère que les progrès de la génomique permettent aujourd’hui d’approcher et d’analyser pour entrevoir, à terme, des possibilités de sélection plus précises et plus efficaces. Quelques exemples particulièrement démonstratifs seront présentés et discutés.

Mots clés

ruminants, lipides, QTL, génomique, sélection, polymorphismes, DGAT1, Caséine αs1.

Unité Génomique & Physiologie de la Lactation – INRA – Jouy-en-Josas – France.

Correspondance : [email protected]

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1 – INTRODUCTION

Le statut du lait a changé, tant du point de vue du technologue que de celui du consommateur. Il n’est en effet aujourd’hui plus seulement considéré comme une matière première à partir de laquelle on fabrique du beurre, du fromage ou de la poudre de lait, mais bien davantage comme une source de molécules bioactives agissant sur la santé du consommateur. L’un des enjeux est d’apporter une valeur ajoutée aux produits laitiers dont puisse bénéficier l’ensemble des acteurs de la filière (producteurs, transformateurs, consommateurs).

L’une des caractéristiques majeures du lait tient dans la variabilité de sa composition, en particulier d’une espèce à l’autre, car toujours adaptée aux besoins spécifiques du jeune, sur les plans quantitatif et qualitatif. Ce constat s’applique en particulier à la matière grasse laitière (MGL) qui est l’élément constitutif du lait le plus sujet à variation (tableau 1). La MGL varie également avec la race et l’individu (facteurs génétiques), mais aussi avec l’alimentation, le statut physiopathologique (stade et nombre de lactation, état sanitaire), la fréquence de traite, autant de paramètres que l’on peut globalement qualifier de facteurs environnementaux et qui vont constituer avec les facteurs génétiques une source de variabilité exploitable pour adapter la MGL aux besoins ou contraintes techno- logiques et/ou aux recommandations nutritionnelles.

Tableau 1

La teneur en matière grasse de laits de différentes espèces.

Après avoir brièvement rappelé quelques généralités sur la MGL et son déterminisme génétique, nous nous attacherons, en nous appuyant sur quelques exemples significatifs, à souligner les apports de la génomique pour progresser dans la connaissance des mécanismes qui déterminent la composition et les fonctionnalités de la MGL et accéder à une meilleure prise en compte de ces caractéristiques en sélection.

Espèces Matière grasse (g/L)

Anesse 4-12

Jument 19

Femme 38

Vache 33-47

Bufflesse 47

Chèvre 41-45

Chamelle 54

Truie 68

Brebis 40-99

Ratte 103

Souris 110

Lapine 183

Éléphant 85-190

Ours polaire 314-331

Baleine 222-500

Phoque 502-532

Les valeurs rassemblées dans ce tableau sont principalement tirées de Christie (1983) et de diverses don- nées de la littérature. Elles sont indicatives car éminemment variables et dépendent en particulier de facteurs tels que le régime, la race et le stade de lactation.

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2 – GÉNÉRALITÉS SUR LA MATIÈRE GRASSE LAITIÈRE (MGL)

La MGL représente la principale source d’énergie et, pour le jeune, le principal pour- voyeur en éléments structuraux constitutifs des membranes cellulaires. Elle confère des propriétés remarquables aux produits laitiers et conditionne leur transformation.

La MGL est synthétisée dans la glande mammaire à partir de précurseurs apportés par le sang ou synthétisés localement. Elle est sécrétée par l’épithélium alvéolaire mammaire sous forme de globules enveloppés d’une membrane qui préserve leur intégrité et leur permet de se maintenir dans le lait sous la forme d’une émulsion lipidique dans un environnement aqueux.

La MGL est très majoritairement constituée de triglycérides quelle que soit l’espèce (97 à 99 % chez les ruminants). Cette classe de lipides résulte de l’estérification, par des acides gras (AG) des 3 fonctions alcools portées par une molécule de glycérol. Ces AG possèdent une chaîne carbonée de longueur variable (C₄ à C₁₈) et sont saturés (AGS) ou non (AG insaturés ou AGI). Le reste de la MGL se distribue entre mono- et di-glycérides, phospholipides, cholestérol, AG libres, vitamines liposolubles, etc.

Les acides gras du lait ont une double origine. Ils sont pour partie (40 %) le résultat d’une synthèse de novo qui s’opère dans l’épithélium alvéolaire et pour partie (60 %) pré- levés dans le plasma (alimentation, mobilisation des réserves corporelles). De fait, l’alimentation représente un moyen facile de moduler efficacement et rapidement la composition en AG du lait (Chilliard et al., 2001 ; Bauman et Griinari, 2003 ; Bauman et al., 2006), l’alternative étant, nous l’avons vu, la génétique qui présente l’avantage de s’inscrire sur le long terme, dans une stratégie de développement durable. Le pré-requis est l’existence d’une variabilité génétique du caractère entre les individus.

3 – VARIABILITÉ GÉNÉTIQUE DU CARACTÈRE

À l’instar de la plupart des caractères économiquement importants en production ani- male, les caractères laitiers sont des caractères complexes, à déterminisme polygénique multifactoriel, ce qui signifie qu’ils sont déterminés par un nombre fini de gènes et influencés par des facteurs environnementaux.

S’agissant de la teneur du lait en matière grasse (taux butyreux ou TB), des travaux récents menés en bovins laitiers (Calus et al., 2005) imputent à la génétique 50 % de la variabilité du caractère. Malgré le peu d’études réalisées sur ce sujet, il existe également une variabilité phénotypique en matière de composition de la MGL, entre et intra races (Carroll et al., 2005 ; Soyeurt et al., 2006 ; Schennink et al., 2007).

La mise en œuvre de stratégies de sélection basées sur les principes de la génétique quantitative dont l’une des singularités est qu’elle n’a pas besoin de connaître les gènes sur lesquels elle agit, a permis au cours des cinquante dernières années, de réaliser des avancées spectaculaires en terme de performance des animaux. Ainsi, dans la plupart des pays producteurs, la sélection sur les caractères laitiers a permis un accroissement de 70 à 80 % (en moyenne) de la production laitière et de 7 à 8 points du TB, sans que l’on connaisse précisément l’effet de cette sélection sur la composition de la MGL.

On touche ici du doigt les limites de cette approche à l’aveugle qui n’est plus compati- ble avec les objectifs actuels et la nécessité d’adapter la composition de la MGL aux besoins nutritionnels et de santé publique. Pour atteindre les principaux objectifs nutritionnels qui visent à équilibrer la teneur en AGS et AGI dans le lait (respectivement 2/3 et 1/3) ou à accroître la teneur en CLA, en polyinsaturés (ω3, ω6), il est essentiel de comprendre l’architecture moléculaire de tels caractères. Quels gènes, quels réseaux d’interactions, quels polymorphismes pour sélectionner plus efficacement et plus précisément ?

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4 – LES APPORTS DE LA GÉNOMIQUE : QUELQUES EXEMPLES DÉMONSTRATIFS

La nécessité de développer des outils de sélection plus performants, plus précis et donc plus efficaces est à l’origine de la construction des cartes génétiques qui permettent par un balisage du génome au moyen de marqueurs génétiques polymorphes (microsatellites puis SNP pour Single Nucleotide Polymorphisms) d’accéder aux gènes d’intérêt influençant l’expression d’un caractère. Toutefois, l’image produite par ces approches est encore imparfaite car elle ne permet d’approcher que quelques gènes pro- duisant des effets essentiellement marqués, le reste de la variabilité demeurant pour l’heure encore inaccessible.

Quand bien même une région du génome influençant un caractère aura été cernée (QTL pour Quantitative Trait Locus), il restera encore à identifier le (ou les) gène(s) et polymorphisme(s) responsable(s). Pour cela on aura recours à des stratégies de densification des cartes génétiques dans les régions d’intérêt (cartographie fine) et/ou aux apports de la géno- mique comparative et de la génomique fonctionnelle sur des espèces modèles (souris).

4.1 Le locus DGAT1 et ses effets sur la MGL

De nombreux programmes visant à localiser et identifier des QTL ont été engagés à travers le monde, notamment en bovins laitiers, sur des caractères tels que la production laitière (PL), la teneur en protéine du lait (TP) et en matière grasse (TB). Ces programmes se sont avérés d’autant plus efficaces que les dispositifs expérimentaux mis en œuvre étaient importants et bien caractérisés par des mesures phénotypiques appropriées. À ce jour, une dizaine de QTL affectant le TB a été détectée. Ils expliquent une part importante de la variance génétique. Le premier d’entre eux, exerçant un effet majeur, a été identifié à l’extrémité centromérique du chromosome 14 (BTA14) dans plusieurs races bovines (Coppieters et al., 1998 ; Looft et al., 2001 et Boichard et al., 2003). L’identification du gène (DGAT1) spécifiant une enzyme, la Diacyl Glycerol Acyl Transferase, qui catalyse la dernière étape de la synthèse des triglycérides, a conduit à la caractérisation de la principale mutation causale (Grisart et al., 2002 ; Winter et al., 2002). Il s’agit d’un polymorphisme non conservatif (dans l’exon VIII) qui conduit à la substitution d’un résidu d’acide aminé (Lysine ou K/Alanine ou A) en position 232 de la chaîne peptidique de l’enzyme.

Cette mutation (K232A) a pour conséquence de réduire son efficacité catalytique et donc son aptitude à produire des triglycérides (Grisart et al., 2002). L’invalidation du gène chez la souris a montré que cette enzyme exerce un rôle important sur de nombreux mécanis- mes physiologiques (signalisation, régulation de la synthèse des phospholipides, …). Les souris DGAT1-/- sont encore capables de synthétiser des triglycérides, mais elles sont maigres et ne produisent pas de lait (Smith et al., 2000). D’autres gènes et/ou d’autres mutations dans le gène DGAT1, notamment dans sa région promotrice qui contient un VNTR¹ (Bennewitz et al., 2004 ; Winter et al., 2004 ; Grisart et al., 2004 ; Fürbass et al., 2006 ; Gautier et al., 2007), seraient également impliqués.

La différence entre homozygotes pour les allèles K et A est d’environ 7 g/L pour le TB et 2 g/L pour le TP. Ce polymorphisme, fréquent en race Holstein, induit des modifica- tions majeures sur le fonctionnement de la glande mammaire et sur la composition fine (profil en AG, notamment) du lait (Schennink et al., 2007).

On perçoit, au travers de cet exemple, qu’il est difficile d’évaluer, a priori, les consé- quences d’une mutation portant sur un gène clef d’une voie métabolique, de biosynthèse ou de signalisation. Comme toute cellule, la CEM gère un ensemble de réactions et de mécanismes complexes, finement régulés (homéostasie) et la modification d’un paramè- tre peut en perturber profondément le fonctionnement. À cet égard, un exemple symétri- que particulièrement intéressant, nous est fourni, dans l’espèce caprine, par le gène CSN1S1, gène de structure spécifiant une lactoprotéine majeure : la caséine αs1.

1. Variable Number Tandem Repeat.

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4.2 Le locus CSN1S1 et ses effets sur le fonctionnement de la cellule épithéliale mammaire

Il a été clairement montré chez la chèvre que le taux butyreux (Barbieri et al., 1995) et les propriétés techno-fonctionnelles (aptitude au crémage et propriétés organoleptiques, en liaison avec une différence de susceptibilité à la lipolyse) des laits (Delacroix-Buchet et al., 1996 ; Delacroix-Buchet et Lamberet, 2000) sont directement corrélés au génotype au locus CSN1S1. Il existe à ce locus une quinzaine d’allèles dont la caractérisation a permis de révéler un polymorphisme complexe alliant variabilité structurale et variabilité d’expression. On distingue 4 niveaux de synthèse (fort, intermédiaire, faible et nul) com- pris entre 0 et 3,5 g/L et par allèle. Les allèles (A, B et C) associés au plus fort taux de synthèse (3,5 g/L) prédominent aujourd’hui dans nos races laitières (Alpine et Saanen), alors que les allèles associés à des niveaux intermédiaire (E), faible (F et G) ou nul (O), sont plus rares et qualifiés de défectifs. En d’autres termes, les individus porteurs de 2 allèles forts produisent un lait dont la teneur en caséines est supérieure d’environ 7 g/L à celle d’un lait produit par un individu homozygote O/O (Grosclaude et Martin, 1997).

Le lait des chèvres porteuses d’allèles dits défectifs au locus CSN1S1 voit son TB baisser significativement : de 5 à 7 points, selon les études (Barbieri et al., 1995 ; Chilliard et al., 2006) et la composition en AG de sa MGL varier sensiblement (en particulier, C8- C12), avec une activité désaturase plus marquée chez les individus « défectifs » (Chilliard et al., 2006).

Le déficit en caséine αs1, provoqué par différents types de mutation : délétion/inser- tion, non sens (Martin et al., 2002), induit un défaut de transport des autres caséines qui, s’accumulant dans le réticulum endoplasmique (figure 1), désorganise l’assemblage et ralentit le transit des micelles de caséines (Chanat et al., 1999). Ce phénomène aurait également pour conséquence de perturber le transport et la sécrétion des inclusions lipi- diques dont les caractéristiques s’en trouveraient modifiées.

Ceci suggère l’existence, au sein de la cellule épithéliale mammaire, d’une étroite relation mécanistique entre biosynthèse, transport et sécrétion de ces 2 constituants majeurs du lait (micelles et globules gras) que nous avons entrepris d’étudier de façon approfondie pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents et identifier de possi- bles moyens de découpler les voies de biosynthèse et de sécrétion de ces constituants de façon à pouvoir intervenir sélectivement sur l’une ou sur l’autre.

5 – CONCLUSIONS

Depuis le premier « genome scan » opéré pour rechercher des QTL associés à des caractères laitiers (Georges et al., 1995), les efforts consentis par les équipes de Généti- ciens de par le monde et les progrès réalisés en matière de cartographie (développement des marqueurs bialléliques de type SNP : Single Nucleotide Polymorphisms), ont permis l’identification d’un nombre conséquent de gènes influençant la teneur ou les caractéristi- ques de la MGL par des approches de ce type ou par des approches fonctionnelles.

Parmi ceux-ci, il convient de mentionner : ABCG2 qui spécifie une ATP-binding cassette (ABC) appartenant à la superfamille des transporteurs transmembranaires, impliqués dans le transport de molécules biologiques (Olsen et al., 2007) ; FASN, le gène qui spéci- fie la Fatty Acid Synthase (Roy et al., 2006 ; Morris et al., 2007). Nul doute que les outils futurs de génotypage (puces SNP) qui permettront d’analyser simultanément le polymorphisme de plusieurs centaines de milliers de loci permettront d’être encore plus efficaces et plus précis. Ils pourraient toutefois être très rapidement concurrencés par les technolo- gies de re-séquençage en émergence.

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Allèle de référence CSN1S1 A

caséine αs1 (199 a.a.) : 7,2 g/L Caséine totale : 27 g/L

Allèle défectif CSN1S1 F

caséine αs1 (162 a.a.) : 1,2 g/L Caséine totale : 21 g/L

Figure 1

Morphologie comparée du réticulum endoplasmique (flèche) de la cellule épithéliale mammaire de chèvres de génotypes A (référence) ou défectif (F) homozygotes au locus

CSN1S1. La taille des protéines correspondantes et l’impact de ce polymorphisme sur la teneur en caséine totale des laits sont indiqués. L : Lumen ;

VS : vésicule sécrétoire ; G : Golgi ; N : noyau.

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