Génétique non-mendélienne : Inactivation du chromosome X et Empreinte parentale

Fiches de vocabulaire couvrant les mécanismes épigénétiques de l'inactivation du chromosome X et de l'empreinte parentale chez les mammifères.

Corpuscule de Barr

Structure d'hétérochromatine visible à la périphérie du noyau, correspondant au chromosome X transcriptionnellement inactivé. Il est absent dans les cellules de caryotype $X0$ (syndrome de Turner) et présent en double exemplaire dans les cellules $XXX$.

Hypothèse de Lyon (Mary Lyon)

Hypothèse énonçant que, chez les femelles mammifères, l'un des deux chromosomes X est inactivé de façon aléatoire au cours du développement embryonnaire précoce pour assurer la compensation de dose génique par rapport aux mâles.

Phénotype en mosaïque

État phénotypique résultant de l'inactivation aléatoire du X maternel ou paternel maintenue fidèlement au cours des divisions mitotiques, illustré notamment par le pelage écaille de tortue des chattes calico hétérozygotes.

Dysplasie ectodermique anhidrotique liée à l'X

Pathologie humaine liée au chromosome X illustrant le mosaïcisme chez les femmes hétérozygotes, caractérisée par des plaques cutanées dépourvues de glandes sudoripares là où le chromosome X portant l'allèle sauvage a été inactivé.

XIST (X-inactive specific transcript)

Long ARN non codant nucléaire de $17\text{ kilobases}$, épissé et polyadénylé, dont l'up-régulation constitue le premier événement détectable de l'inactivation du chromosome X en venant recouvrir en cis le chromosome à éteindre.

Locus XIC (X Inactivation Center)

Région chromosomique d'environ $150\text{ kilobases}$ nécessaire et suffisante pour l'inactivation du chromosome X, englobant le gène codant l'ARN non codant XIST ainsi que d'autres régulateurs non codants.

Appariement des chromosomes X (« chromosome kissing »)

Rapprochement physique transitoire (d'environ une heure) des loci XIC des deux chromosomes X permettant un transfert asymétrique de facteurs de transcription qui déclenche l'expression massive de XIST sur l'un des deux chromosomes.

Biais d'inactivation du chromosome X

Déviation par rapport au ratio aléatoire théorique de $50\,\%$ / $50\,\%$ d'inactivation entre les X maternel et paternel, pouvant moduler la sévérité clinique des maladies récessives chez les femmes hétérozygotes (ex. syndrome de Rett).

Histone désacétylase (HDAC)

Enzyme recrutée précocement par l'ARN XIST pour retirer les groupements acétyles activateurs portés par les histones, entraînant l'exclusion de l'ARN polymérase II et l'arrêt précoce de la transcription.

Complexe Polycomb (PRC2)

Complexe répressif recruté au cours de l'inactivation du chromosome X, responsable du dépôt de la marque répressive de triméthylation de la lysine 27 de l'histone H3 ($H3K27me3$) pour compacter la chromatine.

ADN méthyltransférase (DNMT)

Enzyme responsable de la méthylation des îlots CpG au niveau des promoteurs des gènes du chromosome X inactif, participant au verrouillage irréversible et héritable de l'extinction génique.

MacroH2A

Variant structural atypique de l'histone H2A possédant un domaine macro émergeant du nucléosome, qui stabilise l'octamère et empêche l'accès des facteurs de transcription pour verrouiller le chromosome X inactif.

Parthénogenèse

Mode de reproduction monoparentale permettant le développement complet d'un individu à partir d'un ovule non fécondé, observé chez certains insectes ou reptiles mais impossible chez les mammifères.

Embryons gynogénétiques

Embryons mammifères expérimentaux formés de deux pronoyaux d'origine maternelle dans un ovocyte énucléé ; ils sont non viables et caractérisés par une altération majeure du développement du placenta.

Embryons androgénétiques

Embryons mammifères expérimentaux constitués par la réunion de deux pronoyaux d'origine paternelle, incapables d'achever le développement en raison de malformations embryonnaires létales.

Empreinte parentale

Mécanisme épigénétique limitant l'expression de certains gènes à un seul allèle parental (expression monoallélique) selon qu'il a été transmis par le père ou par la mère, indépendamment du sexe de l'individu qui le porte.

Dysomie uniparentale (UPD)

Présence, chez un individu diploïde, des deux chromosomes d'une même paire homologue issus d'un seul parent (suite à une non-disjonction méiotique puis un mécanisme de sauvetage), rompant l'équilibre de dosage des gènes soumis à empreinte.

Région ICR (Imprinting Control Region)

Séquence régulatrice en cis contrôlant l'expression différentielle d'un cluster de gènes soumis à empreinte, caractérisée par une méthylation différentielle de l'ADN présente sur un seul des deux allèles parentaux.

CTCF

Facteur protéique agissant comme un isolateur (barrière), capable de se lier uniquement à la région ICR non méthylée sur le chromosome maternel pour bloquer l'action des enhancers sur le promoteur du gène IGF2.

Gène H19

Gène soumis à empreinte parentale codant pour un long ARN non codant, exprimé exclusivement à partir de l'allèle maternel car la méthylation présente sur l'ICR paternelle s'étend et éteint son promoteur paternel.

Syndrome de Klinefelter

Aneuploïdie masculine de caryotype $47,XXY$ dans laquelle les cellules réalisent l'inactivation de l'un des deux chromosomes X, formant un corpuscule de Barr et démontrant que le comptage des chromosomes X s'effectue indépendamment de la présence du chromosome Y.

Syndrome de Rett

Pathologie neurodéveloppementale liée à l'X causée par une mutation du gène $MECP2$, affectant systématiquement les femmes hétérozygotes chez qui la présence de $50\,\%$ de cellules exprimant l'allèle sauvage ne suffit pas à empêcher l'apparition de symptômes cliniques sévères.

Syndrome de Silver-Russell

Pathologie pédiatrique caractérisée par un retard de croissance et un nanisme, causée par une absence de méthylation sur la région ICR paternelle entraînant l'extinction complète du gène $IGF2$ et la surexpression biallélique du gène $H19$.

Gène IGF2

Gène fœtal codant pour un facteur de croissance soumis à une empreinte parentale à expression strictement paternelle, dont l'inactivation par mutation entraîne un nanisme uniquement lorsqu'elle est transmise par le père.

Phase de maintien de l'inactivation du chromosome X

Phase tardive et pérenne de l'inactivation du chromosome X, totalement indépendante de l'ARN non codant $XIST$, au cours de laquelle les marques épigénétiques répressives sont fidèlement répliquées à chaque mitose cellulaire.

Distinction entre gènes à effet maternel et empreinte parentale

Les gènes à effet maternel désignent des ARN ou protéines synthétisés par la mère et accumulés dans l'ovocyte pour guider le développement précoce, tandis que l'empreinte parentale désigne l'expression monoallélique d'un gène du génome embryonnaire selon l'origine parentale du chromosome.

Modèle d'étude des cellules souches embryonnaires de souris (mESC)

Système cellulaire in vitro dérivé de la masse cellulaire interne du blastocyste possédant deux chromosomes X actifs (marqués par la transcription biallélique d'$ATRX$), permettant d'étudier l'up-régulation d'$XIST$ et l'inactivation du X lors de la différenciation.

Phénotype des hybrides réciproques de mammifères (mulet/bardot)

Démonstration expérimentale de l'asymétrie fonctionnelle des génomes parentaux chez les mammifères, où deux individus possédant un patrimoine génétique nucléaire identique ($50\,\%$ cheval, $50\,\%$ âne) présentent des phénotypes distincts selon le sexe du parent transmetteur.

Mécanisme de sauvetage de trisomie (« trisomy rescue »)

Processus cellulaire compensatoire expulsant l'un des trois chromosomes après une non-disjonction méiotique ; si le chromosome du parent sain unique est éliminé, cela aboutit à une dysomie uniparentale (UPD).

Organisation génomique des clusters de gènes soumis à empreinte

Regroupement chromosomique d'environ $100$ gènes chez les mammifères régulés en cis par une région ICR différentiellement méthylée et comportant systématiquement des longs ARN non codants.

Rôle de l'appariement des chromosomes X (« chromosome kissing »)

Interaction physique transitoire d'environ une heure au niveau des loci XIC permettant le transfert asymétrique de facteurs de transcription et la levée des facteurs de pluripotence pour déclencher la transcription massive d'$XIST$ sur un seul allèle.

Expérience de FISH montrant l'expression exclusive et la localisation de l'ARN non codant XIST dans un noyau femelle

Cliché de microscopie à fluorescence révélant que le locus génomique d'$XIST$ est bien présent sur les deux chromosomes X (marquage ADN), mais que ses transcrits d'ARN (marquage par sondes fluorescentes d'ARN) ne sont synthétisés qu'à partir d'un seul chromosome et s'étalent spécifiquement le long de ce même chromosome X pour le recouvrir en cis (« cloud » d'ARN $XIST$).

Expérience de FISH double marquage ATRX / XIST sur cellules souches embryonnaires (mESC) lors de la différenciation

Dans les mESC pluripotentes indifférenciées, deux signaux ponctuels d'$ATRX$ confirment l'activité transcriptionnelle des deux chromosomes X. Lors de l'induction de la différenciation, une up-régulation massive d'$XIST$ est observée sous forme d'un nuage recouvrant un chromosome X, accompagnée simultanément de l'extinction du signal d'$ATRX$ sur ce même chromosome, ne laissant subsister qu'un seul spot actif d'$ATRX$.

Succession séquentielle des modifications épigénétiques lors de l'hétérochromatinisation par XIST (schéma du cours)

Le processus s'organise en quatre étapes successives :

1. Recrutement d'HDAC :
   • Désacétylation des histones activatrices.
   • Exclusion consécutive de l'ARN polymérase II et interruption de la transcription.
2. Recrutement de PRC2 :
   • Triméthylation répressive de la lysine 27 de l'histone H3 ($H3K27me3$).
   • Début de compaction de la chromatine.
3. Recrutement des DNMT :
   • Méthylation des îlots CpG sur les promoteurs géniques.
4. Incorporation du variant MacroH2A :
   • Verrouillage structural définitif et irréversible de l'extinction transcriptionnelle.

Aspect cytologique et localisation du variant MacroH2A en immunofluorescence

La détection par anticorps fluorescents montre un signal diffus dans l'ensemble du nucléoplasme, mais révèle une concentration particulièrement dense et focale co-localisant exactement avec le corpuscule de Barr (masse d'hétérochromatine fortement colorée au DAPI) plaqué contre l'enveloppe nucléaire.

Expérience de transplantation pronucléaire (Surani / McGrath & Solter) : protocole et phénotypes observés

À l'aide de micro-pipettes, les pronoyaux mâle et femelle sont aspirés d'un ovocyte fécondé puis réinjectés dans des ovocytes énucléés selon différentes combinaisons :

• Pronoyau maternel + pronoyau paternel : développement embryonnaire et placentaire normal, aboutissant à un individu viable.
• Deux pronoyaux maternels (gynogénétique) : embryon bien développé mais létal en raison d'un arrêt causé par une déficience majeure du placenta.
• Deux pronoyaux paternels (androgénétique) : prolifération placentaire importante mais malformations embryonnaires sévères conduisant à la mort in utero.

Modèle « insulateur » du locus IGF2 / H19 : schéma comparatif des allèles maternel et paternel

• Sur le chromosome maternel : l'ICR n'est pas méthylée, ce qui permet la fixation de l'isolateur CTCF. CTCF bloque l'interaction des enhancers avec le promoteur d'$IGF2$, laissant $IGF2$ silencieux ; les enhancers stimulent alors le promoteur proche de $H19$.
• Sur le chromosome paternel : l'ICR et le promoteur de $H19$ sont méthylés (représentés par des boules noires). CTCF ne peut pas s'y lier, ce qui permet aux enhancers d'activer librement le promoteur d'$IGF2$, tandis que $H19$ est réprimé.

Expérience de mutagène dirigée et de transmission d'un allèle nul sur le gène IGF2