Génétique Non Mendélienne et Épigénétique : Structure de la Chromatine et Inactivation du Chromosome X

Flashcards de révision portant sur les fondements de l'épigénétique, la structure du nucléosome, la régulation chromatinienne (méthylation de l'ADN, code histone, lncRNAs) et l'inactivation du chromosome X chez les mammifères.

Quelle observation chez les vrais jumeaux (monozygotes) met en évidence les limites de la seule séquence d'ADN dans l'établissement des phénotypes ?

Bien qu'ils partagent un génome rigoureusement identique, les jumeaux monozygotes peuvent présenter des phénotypes et des caractères distincts, ce qui démontre l'existence d'une couche d'information épigénétique supplémentaire contrôlant le niveau de lecture de l'ADN.

Combien de cellules et de types cellulaires composent approximativement le corps humain issu d'une cellule œuf unique ?

Le corps humain comporte environ $6 \times 10^{13}\text{ cellules}$ et environ $200\text{ types cellulaires}$ distincts, chacun étant défini par un sous-ensemble restreint de gènes exprimés.

En quoi consiste la théorie de l'épigénèse formulée par Aristote et soutenue par William Harvey (« Ex ovo omnia ») ?

C'est la théorie selon laquelle les structures de l'embryon ne sont pas préformées dès le départ dans l'œuf, mais se forment et se complexifient graduellement étape par étape au cours du développement à partir d'une masse indifférenciée.

Quelle théorie du développement embryonnaire s'opposait historiquement à l'épigénèse au $18^{\text{ème}}\text{ siècle}$ ?

La théorie de la préformation, qui affirmait que l'organisme existait déjà entièrement constitué en miniature (l'homonculus) dans le spermatozoïde ou dans l'ovule avant même la fécondation.

Comment Conrad Waddington a-t-il défini l'épigénétique dans les années 1940 et par quelle métaphore l'a-t-il illustrée ?

Il l'a définie comme « les interactions des gènes avec l'environnement qui permettent l'émergence du phénotype », concept matérialisé par la métaphore visuelle du « paysage épigénétique » où la cellule choisit une voie de différenciation parmi plusieurs vallées.

Quelle est la définition moléculaire moderne de l'épigénétique selon Cavalli et Heard (2019) ?

L'« étude des molécules et mécanismes qui peuvent perpétuer des états alternatifs de l'expression des gènes dans le contexte d'une même séquence d'ADN ».

Quel est le support physique de l'information épigénétique dans la cellule et quels sont ses deux rôles majeurs ?

La chromatine, qui assure à la fois la compaction de l'ADN et le support de l'information (signalisation à court terme en réponse à un stimulus et mémoire de l'identité cellulaire à long terme).

Qu'ont mis en évidence Olins et Olins en 1974 par microscopie électronique sur des cellules de thymus de rat ?

Le caractère régulier et répété de la chromatine sous la forme d'un « collier de perles », découvrant ainsi le nucléosome comme unité fondamentale de la chromatine.

Quelle est la composition moléculaire précise d'un nucléosome ?

Il est composé d'un segment d'ADN de $147\,\text{pb}$ enroulé autour d'un octamère d'histones constitué de deux copies de chacune des protéines basiques : $H2A$, $H2B$, $H3$ et $H4$ (soit un tétramère $(H3-H4)_2$ et deux dimères $H2A\text{-}H2B$).

Quelles sont les caractéristiques des interactions physico-chimiques entre l'ADN et l'octamère d'histones selon les travaux cristallographiques de Lüger et al. (1997) ?

La structure atomique montre 14 points de contact majeurs stabilisés par des liaisons hydrogène et des interactions électrostatiques non spécifiques de la séquence d'ADN.

Pourquoi dit-on que le nucléosome est par défaut une structure inhibitrice de la transcription ?

Parce que le positionnement des nucléosomes sur le promoteur d'un gène masque l'ADN et bloque physiquement l'accès de la machinerie de transcription et des facteurs de transcription.

Quelles sont les distinctions structurales et transcriptionnelles majeures entre l'euchromatine et l'hétérochromatine ?

L'euchromatine est décondensée, accessible et transcriptionnellement active (« ON »), tandis que l'hétérochromatine est dense, fortement compactée et transcriptionnellement silencieuse (« OFF »).

Comment agissent les complexes de remodelage de la chromatine et d'où tirent-ils leur énergie ?

Ils modifient les contacts entre les histones et l'ADN par des mécanismes de glissement ou de transfert d'octamères d'histones en utilisant l'énergie fournie par l'hydrolyse de l'$ATP$.

Sur quel nucléotide et quel motif spécifique a lieu la méthylation de l'ADN chez les vertébrés ?

Elle a lieu sur le carbone 5 de la cytosine ($5\text{-méthylcytosine}$ ou $5\text{mC}$) au sein des dinucléotides $CpG$.

Pourquoi la nature symétrique de la méthylation des CpG est-elle cruciale pour l'héritabilité épigénétique au cours des divisions cellulaires ?

Lors de la réplication de l'ADN, les doubles brins néoformés sont hémi-méthylés ; la symétrie du motif $CpG$ permet à l'enzyme de maintenance de reconnaître ce site et de méthyler le brin complémentaire en miroir, préservant l'information épigénétique.

Quelles sont les enzymes responsables respectivement de la méthylation de novo et de la méthylation de maintenance chez les vertébrés ?

La méthylation de novo est réalisée par les enzymes $DNMT3A$ et $DNMT3B$, tandis que la méthylation de maintenance est assurée par $DNMT1$.

Qu'est-ce qu'un îlot CpG et quelle est sa caractéristique au sein des promoteurs des gènes humains ?

C'est une région d'environ $1\text{ à }2\,\text{kb}$ enrichie en dinucléotides $CpG$ (fréquence de 1 pour 10 nucléotides). Présents dans environ $60\,\%$ des promoteurs de gènes humains, les îlots CpG sont généralement non méthylés lorsque le gène est actif.

Par quels mécanismes la méthylation de l'ADN au niveau des îlots CpG d'un promoteur entraîne-t-elle l'extinction génique ?

Elle inhibe directement la liaison de certains facteurs de transcription et permet le recrutement de protéines à domaine de liaison à l'ADN méthylé ($MBD$) qui recrutent à leur tour des histones désacétylases ($HDAC$) répressives.

Quel est le principe de la détection de la méthylation de l'ADN par traitement au bisulfite de sodium ?

Le bisulfite convertit les cytosines non méthylées ($C$) en uraciles ($U$), tandis que les cytosines méthylées ($5\text{mC}$) restent inchangées, permettant leur discrimination par séquençage ou PCR spécifique de la méthylation ($MSP$).

En quoi consiste l'hypothèse du « code histone » proposée par Turner et Allis (2002) ?

Elle stipule que des combinaisons spécifiques de modifications post-traductionnelles sur les histones agissent comme un langage moléculaire déposé par des enzymes « writers », effacé par des « erasers », et interprété par des protéines effectrices « readers » pour moduler la chromatine et l'expression des gènes.

Quels rôles opposés exercent les enzymes HAT et HDAC sur la chromatine et la transcription ?

Les HAT (Histone Acétyltransférases) ajoutent des groupements acétyle sur les lysines, ce qui neutralise leur charge positive, décondense la chromatine et active la transcription ; les HDAC (Histone Désacétylases) ôtent ces acétyles, rétablissant la condensation et réprimant la transcription.

Comment la protéine HP1 participe-t-elle à la propagation et à la compaction de l'hétérochromatine ?

HP1 est une protéine « lectrice » qui reconnaît et se lie spécifiquement à la marque répressive $H3K9me3$ ; elle recrute ensuite la méthyltransférase SUV39H1 (« writer ») qui méthyle les histones adjacentes, créant une boucle d'auto-amplification (« feed-forward loop ») qui compacte l'ADN.

Quel variant d'histone est particulièrement associé au chromosome X inactif et au maintien du silence transcriptionnel ?

Le variant d'histone macroH2A.

Quelle fonction générale remplissent les longs ARN non-codants (lncRNAs) dans la régulation épigénétique ?

Ils agissent comme des plateformes de recrutement et d'échafaudage ciblant des complexes enzymatiques modificateurs de la chromatine (comme PRC2 ou G9a) vers des loci précis en cis ou en trans.

Qu'est-ce que le corpuscule de Barr et quelle formule mathématique donne son nombre dans une cellule selon la règle de Lyon/Ohno ?

C'est la condensation hétérochromatique du chromosome X inactif sous la forme d'un corpuscule dense situé en périphérie du noyau. Son nombre par cellule est donné par la règle $N - 1$, où $N$ représente le nombre total de chromosomes X présents dans le caryotype.

Combien de corpuscules de Barr sont observés dans les cellules d'un individu atteint du syndrome de Turner (XO) et d'un individu atteint du syndrome de Klinefelter (XXY) ?

Le syndrome de Turner ($XO$) présente $0$ corpuscule de Barr ($1 - 1 = 0$), tandis que le syndrome de Klinefelter ($XXY$) en présente $1$ ($2 - 1 = 1$).

Quels sont les principes fondamentaux de l'hypothèse de Mary Lyon (1961) concernant le chromosome X chez la femelle mammifère ?

1. L'un des deux chromosomes X est inactivé de façon aléatoire lors du développement embryonnaire précoce.
2. L'inactivation est stable et transmise de manière clonale à toutes les cellules descendantes.
3. La femelle est donc une mosaïque génétique de cellules où s'exprime soit le X paternel ($X_p$), soit le X maternel ($X_m$).

Pourquoi seules les chattes hétérozygotes $X^B X^b$ présentent-elles un phénotype de pelage bicolore « écaille de tortue » (calico) ?

Le gène responsable de la coloration du pelage est porté par le chromosome X ($X^B$ pour orange, $X^b$ pour noir) ; l'inactivation aléatoire du chromosome X maternel ou paternel dans les précurseurs épidermiques forme des plages cellulaires distinctes exprimant soit le noir, soit l'orange.

Qu'est-ce que l'ARN Xist et par quel mécanisme déclenche-t-il l'inactivation du chromosome X ?

C'est un long ARN non-codant nucléaire de $17\,\text{kb}$, transcrit à partir du centre d'inactivation ($Xic$) du futur chromosome inactif, qui recouvre (« coate ») ce chromosome en cis pour recruter les machineries d'extinction transcriptionnelle.

Quelles modifications chromatiniennes séquentielles accompagnent l'établissement de l'inactivation du chromosome X après l'enrobage par Xist ?

L'exclusion de l'ARN polymérase II, la désacétylation des histones, le recrutement des complexes Polycomb (PRC1/PRC2) déposant $H3K27me3$ et $H3K9me2/3$, l'association du variant macroH2A, la réplication tardive en phase S, et enfin la méthylation de l'ADN au niveau des promoteurs en 5'.

Qu'est-ce qu'un biais d'inactivation du chromosome X (skewed X-inactivation) et quelle en est la conséquence clinique chez une femme conductrice ?

C'est un écart par rapport à la répartition aléatoire 50:50 de l'inactivation des X maternel et paternel (ex: 20:80) ; chez une femme hétérozygote pour une mutation récessive liée à l'X, ce biais peut moduler la sévérité des symptômes ou déclencher la pathologie si le chromosome sain est préférentiellement inactivé.