Chapitre 7 : Epigénétique et cancer

Qu’est-ce que le protéome ?

👉 L’ensemble des protéines exprimées dans une cellule à un moment donné.

Quels mécanismes permettent à une cellule de modifier son protéome ?

• Mutations : ponctuelles, INDEL, MSI, CIN (lésions intrinsèques ou environnementales)

• Modifications épigénétiques : régulation de la transcription

• miRNA : régulent la stabilité de l’ARN

• Épissage alternatif : post-transcriptionnel, génère plusieurs isoformes

1. Épigénétique et épigénomique

Pourquoi des cellules ayant le même génome ont-elles des phénotypes différents ?

👉 Toutes les cellules ont le même génotype, mais des modifications épigénétiques régulent l’expression du génome
👉 Cela permet la différenciation cellulaire (muscle, graisse, etc.)

Quel exemple prouve l’existence de l’épigénétique chez l’humain ?

👉 Les vrais jumeaux (monozygotes)
👉 Même génome mais différences de :

• maladies (cancers, troubles psychiatriques, maladies auto-immunes)

• performances cognitives
  👉 Le génome n’est donc pas le seul paramètre

Qu’est-ce qu’une modification épigénétique ?

👉 Modification réversible de l’ADN ou de la chromatine
👉 Affecte la structure de la chromatine et le niveau de transcription de manière héréditaire
👉 Par voie mitotique et/ou méiotique
👉 Sans modification de la séquence d’ADN

Qu’est-ce que l’épigénomique ?

👉 Étude de l’ensemble des modifications épigénétiques sur le matériel génétique de la cellule.
👉 Cet ensemble est appelé épigénome

Quel est le lien entre épigénétique et processus biologiques ?

👉 Les modifications épigénétiques peuvent être :

• la cause

• la conséquence
  👉 Elles sont induites par quelque chose et, une fois présentes, peuvent influencer d’autres processus

Quels sont les principaux facteurs qui affectent les modifications épigénétiques ?

• Type cellulaire (différenciation)

• Changements de développement

• Âge

• Sexe

• Maladies

Quels sont les facteurs les plus importants ?

👉 Type cellulaire
👉 Développement

Quels signaux externes peuvent influencer l’épigénétique ?

• Régime alimentaire

• Pollution

• Mode de vie

• Stress

• Traitements cliniques

👉 Rôle secondaire, pas le contrôle majeur

2. Modifications épigénétiques : letters, writers, erasers, readers

1. Letters = les modifications

Quelles bases de l’ADN peuvent être modifiées épigénétiquement ?

👉 Uniquement la cytosine

Quelles sont les 4 formes de cytosine modifiée chez les mammifères ?

• 5-méthylcytosine (5-meC)

• 5-hydroxyméthylcytosine (5-hmC)

• 5-formylcytosine (5-fC)

• 5-carboxylcytosine (5-caC)

Où se produisent les modifications de la cytosine ?

👉 Sur le carbone avec hydrogène en position 5
👉 Ajout d’un groupement méthyl ou oxydations successives

Quelle est la modification la plus fréquente dans les cellules saines ?

👉 Méthylation de la cytosine

Dans quel contexte se produit principalement la méthylation de l’ADN ?

👉 Dans les dinucléotides CpG

Quelle proportion des sites CpG est méthylée chez l’Homme ?

👉 Génome humain : ≈ 28 millions de sites CpG
👉 60 à 80 % des cytosines sont méthylées en 5-mC

👉3-5% des cytosines sont méthylées dans l’ADN

Quelle est la fonction de ces méthylations ?

Dans la majorité des cas, la méthylation entraîne une diminution de l’expression du gène. Elle est associée à une fermeture de la chromatine, ce qui empêche l’expression génique.

La méthylation peut-elle concerner un ou deux brins d’ADN ?

👉 Oui, la méthylation peut être présente sur un seul brin ou sur les deux brins

Existe-t-il des modifications épigénétiques autres que celles de l’ADN ?

👉 Oui, il existe des modifications des histones

Combien de modifications d’histones sont connues ?

👉 Environ 140 modifications des histones

Quels sont les principaux types de modifications des histones ?

• Acétylation

• Phosphorylation

• Méthylation

• Ubiquitination

• Sumoylation

Quels types de modifications peuvent toucher la lysine (K) ?

👉 La lysine peut être :

• méthylée

• acétylée

• ubiquitinée

• sumoylée

Quel acide aminé peut être méthylé en dehors de la lysine ?

👉 L’arginine (R) peut être méthylée

Quels acides aminés peuvent être phosphorylés ?

👉 Sérine (S)
👉 Thréonine (T)

Les modifications des histones sont-elles permanentes ?

👉 Non, elles sont toutes réversibles ⚠

Qu’est-ce que la sumoylation ?

👉 Modification post-traductionnelle
👉 Liaison covalente d’une ou plusieurs protéines SUMO sur une lysine acceptrice d’une protéine cible

Quels types de ligases interviennent dans la sumoylation ?

👉 Des ligases E1, E2 et E3, comme pour l’ubiquitination

Combien de protéines SUMO existent ?

👉 3 protéines SUMO :

• SUMO-1

• SUMO-2

• SUMO-3

Quelles sont les caractéristiques de l’ubiquitine ?

• Polypeptide de 76 acides aminés

• Masse ≈ 7,5 kDa

Quelles sont les caractéristiques de SUMO ?

• Polypeptide d’environ 100 acides aminés

• Masse ≈ 12 kDa

Quelles structures communes partagent l’ubiquitine et SUMO-1 ?

• Un feuillet β caractéristique

• Un motif di-glycine C-terminal
  👉 Elles partagent donc une structure 3D similaire

Quelle est la particularité structurale de SUMO-1 ?

👉 Une longue extension N-terminale flexible

Quels histones forment le noyau du nucléosome ?

👉 Histones H3 et H4
👉 Elles sont positionnées à l’intérieur du nucléosome

Où se trouvent les histones H2A et H2B ?

👉 À la surface du nucléosome

Où ont lieu principalement les modifications des histones ?

👉 Sur les queues N-terminales des histones

Pourquoi les queues N-terminales sont-elles privilégiées ?

👉 Elles sont :

• flexibles

• exposées à l’extérieur du nucléosome
  👉 Plus accessibles aux enzymes (méthylases, acétylases, kinases, …)

Le corps du nucléosome est-il aussi modifié ?

👉 Oui, mais beaucoup moins fréquemment

Où ont lieu les modifications pour les histones H3 et H4 ?

👉 Sur les extrémités N-terminales

Où ont lieu les modifications pour les histones H2A et H2B ?

👉 Sur les extrémités C-terminales

Comment se lit la notation H3K27ac ?

• H3 → histone H3

• K27 → lysine (K) en position 27

• ac → acétylation

Comment noter une lysine diméthylée ?

👉 On ajoute un chiffre après me
👉 Exemple : H3K4me2
➡ Histone H3, lysine 4 diméthylée

Peut-on avoir plusieurs modifications sur un même nucléosome ?

Oui

À quoi correspond une modification individuelle d’histone ?

👉 À une « lettre »

Que représente l’ensemble des modifications sur un nucléosome ?

👉 Un « mot » (ensemble des lettres)

Quel est l’effet de ce « mot » épigénétique ?

👉 Il modifie la conformation de la chromatine

2. Writters and erasers

Que sont les writers en épigénétique ?

👉 Ce sont des enzymes qui catalysent l’addition de groupes méthyle sur les résidus de cytosine

Quelle famille d’enzymes catalyse la méthylation de la cytosine ?

👉 Les ADN méthyltransférases (DNMT)

Quelle molécule donne le groupement méthyle lors de la méthylation ?

👉 La S-adényl-méthionine (SAM)

• Il s’agit d’un produit du métabolisme cellulaire issu du cycle à un carbone

• Lien direct entre métabolisme énergétique et épigénétique.

Sur quel carbone de la cytosine a lieu la méthylation ?

👉 Sur le 5ᵉ carbone
➡ Formation de la 5-méthylcytosine (5meC)

Quelles DNMT sont responsables de la méthylation de novo ?

👉 DNMT3a et DNMT3b
➡ Actives au cours de l’embryogenèse

Que se passe-t-il après réplication d’un ADN méthylé ?

👉 On obtient un ADN hémi-méthylé
➡ Un seul des deux brins est méthylé

Quel est le rôle de DNMT1 ?

👉 Maintien de la méthylation entre les divisions cellulaires
➡ Elle méthyle le nouveau brin après réplication

• C’est la DNMT la plus importante

Que se passe-t-il si DNMT1 est mutée ?

👉 Perte de méthylation lors des divisions
➡ Déméthylation passive

DNMT1 peut-elle reconnaître la 5hmC ?

👉 Non
➡ Cela favorise la perte de méthylation lors des cycles suivants

Quel est le rôle de DNMT2 ?

👉 Méthylation de l’ARN (et non de l’ADN)

Quel est le rôle de DNMT3L ?

👉 Elle aide DNMT3
👉 Exprimée surtout lors du développement précoce
👉 À l’âge adulte : limitée aux cellules germinales et au thymus

Quelle est la particularité structurale de DNMT3L ?

👉 Structure plus courte que les autres DNMT

Quelles DNMT peuvent être surexprimées dans les cancers ?

👉 DNMT1 et DNMT3

De quels grands domaines sont constituées les DNMT ?

1⃣ Domaine catalytique
2⃣ Domaine régulateur

Quel est le rôle du domaine catalytique des DNMT ?

👉 Ajout du groupement méthyl

Quels sous-domaines composent le domaine régulateur des DNMT ?

Quels sous-domaines composent le domaine régulateur des DNMT ?

Quel est le rôle du domaine CXXC ?

👉 Domaine à doigt de zinc
👉 Reconnaît les CpG non méthylés

Quel est le rôle du domaine PHD ?

👉 Agit avec le Tandem Tudor Domain
👉 Lit la marque H3K9me3

Quel est le rôle du domaine PWWP ?

👉 Induit la liaison à la marque H3K36me3

Que font les erasers ?

👉 Ils modifient et retirent les groupements méthyls

Qu’est-ce que la déméthylation passive ?

👉 Perte de méthylation lors de la réplication de l’ADN
👉 Due à l’absence de maintien de la méthylation

Pourquoi DNMT1 favorise-t-elle la déméthylation passive ?

👉 DNMT1 ne reconnaît pas la 5hmC
👉 La réplication entraîne une dilution de la méthylation

À quel moment la déméthylation passive peut-elle avoir lieu ?

👉 Uniquement pendant la réplication
➡ Phase S

Combien de groupes d’enzymes interviennent dans la déméthylation active ?

👉 Trois groupes

À quelle famille appartiennent les enzymes TET ?

À la famille de protéines dioxygénases, très conservées.

Quel est le rôle des enzymes TET (Ten Eleven Translocation) ?

👉 Elles catalysent une oxydation en chaîne :
5mC → 5hmC → 5fC → 5caC

Que montre la diminution de 5hmC dans certains cancers ?

👉 Que l’oxydation de 5mC en 5hmC n’a pas eu lieu
👉 Observé dans les carcinomes :

• prostate

• sein

• côlon

Quelle enzyme reconnaît la base « endommagée » dans le BER (Base Excision Repair) ?

👉 TDG (Thymidine DNA glycosylase)

→ Elle reconnait les modifications de la cytosine et déclenche la réparation

Quelle autre glycosylase intervient dans le BER ?

👉 SMUG1 (Single-strand-selective uracil-DNA glycosylase 1)

Que se passe-t-il ensuite ?

• La base est retirée → formation d’un site AP (sans base),

• Retrait du sucre → cassure simple brin.

Deux voies existent ensuite :

• une voie courte impliquant la DNA polymérase β puis une ligase ;

• une voie longue impliquant DNA polymérase, FEN1, puis une ligase.

Que signifie AID ?

👉 Activation-induced cytidine deaminase

Que signifie APOBEC ? Que fait-elle ?

👉 Apolipoprotein B mRNA-editing enzyme complex

→ Cytosine désaminase dépendante du zinc.

→ Cette enzyme peut modifier une cytosine soit en uracile qui sera réparée par BER, soit en une thymine, créer un mauvais appariement et activer les mécanismes de réparation.

Comment la 5meC est-elle transformée lors de la déméthylation active ?

👉 5meC → 5hmC grâce à TET

→ Après il faut soit enlever le groupe amine soit le groupe méthyl.

Que se passe-t-il si AID enlève le groupement amine de la 5meC ?

👉 La 5meC devient une thymine

Pourquoi cette thymine est-elle reconnue comme une anomalie ?

👉 Elle se retrouve en face d’une guanosine (mésappariement)

Comment cette thymine est-elle éliminée ?

👉 Par TDG via le BER

Quel est le résultat final du processus ?

Quel est le résultat final du processus ?

Le même processus peut-il s’appliquer à la 5hmC ?

OUI

Pourquoi les CpG méthylés sont-ils une grande source de mutations ?

👉 Perte progressive des cytosines
👉 Appauvrissement global en CpG dans le génome

Où cette perte de CpG n’a-t-elle pas lieu ?

👉 Au niveau des promoteurs
➡ Présence des îlots CpG

3. L’épigénétique dans l’initiation et la progression du cancer

a. Modifications de l’ADN

Profil de méthylation : cellules normales vs cancéreuses

Où retrouve-t-on la méthylation de l’ADN dans une cellule normale ?

• Dans les gènes actifs ou inactifs

• Entre les gènes
  ❌ Pas de méthylation au niveau des promoteurs

Quel est le profil global de méthylation dans les cellules cancéreuses ?

👉 Méthylation globale diminuée

• ↓ 5meC

• ↓ 5hmeC
  ➡ Déméthylation globale à l’échelle du génome

MAIS

👉 Hyperméthylation des promoteurs

Quelle est la particularité clé de la méthylation dans le cancer ?

• Hypométhylation globale du génome

• Hyperméthylation locale des promoteurs

À quoi est associée la modification du niveau de 5hmC ?

Une modification des niveaux de 5hmC est associé à une tumorigénèse et à une réponse au stress

Comment varie l’abondance de 5hmC dans les cellules cancéreuses ?

👉 Elle est réduite jusqu’à 8 fois par rapport aux tissus sains

Quel est l’effet de l’hyperméthylation d’un promoteur ?

👉 Silencing (répression) du gène

Comment appelle-t-on l’hyperméthylation des îlots CpG des promoteurs ?

👉 CIMP : CpG Island Methylator Phenotype = Phénotype méthylateur des îlots CpG.

L’hyperméthylation des îlots CpG est-elle observée uniquement dans les tumeurs ?

👉 Non
👉 Elle est aussi observée dans des lésions précancéreuses