Chapitre 3 : Introduction à l'épigénétique

1. Concept de l’épigénétique

Qu’étudie l’épigénétique ?

Les mécanismes moléculaires modulant l’expression du patrimoine génétique selon le contexte.

Quels niveaux peuvent être modifiés en épigénétique ?

• Protéines interagissant avec l’ADN (histones).

• Molécule d'ADN elle-même.

Où se trouve l’hétérochromatine et comment est-elle ?

• En périphérie du noyau/nucléole.

• Chromatine condensée.

Où se trouve l’euchromatine et comment est-elle ?

• Localisation intranucléaire (centre).

• ADN décompacté, lâche.

Qu’étudie la génétique ?

Les gènes (séquence ADN, code génétique, régulation).

Les séquences ADN sont-elles stables ?

Oui, relativement stables et transmises entre générations.

Qu’étudie l’épigénétique par rapport à la génétique ?

Modifications réversibles régulant l’expression des gènes sans changer la séquence.

Quelles influences peuvent modifier l’épigénome ?

• Environnement, alimentation, stress, vieillissement.

Quelle est la principale marque épigénétique ?

La méthylation des cytosines qui correspond à l’ajout d’un groupement méthyl (CH3) sur certaines cytosines→ 5-méthylcytosine.

Quelle est la « cinquième lettre » symbolique du génome ?

• La 5-méthylcytosine.

Que permet la 5-méthylcytosine ?

Régulation de l’expression génétique (activation ou inhibition selon contexte).

Relation génétique/épigénétique en une phrase ?

La génétique écrit le texte, l’épigénétique contrôle la lecture.

Pourquoi les jumeaux monozygotes peuvent différer phénotypiquement ?

Différences épigénétiques même s’ils partagent le même genre génotype

Que montrent les études de méthylation et acétylation chez les jumeaux ?

• Jeunes jumeaux : épigénome similaire.

• Jumeaux âgés : fortes différences de quantité et répartitions des 5-mC et d’histones acétylées.

Que provoquent ces différences avec l’âge ?

Modifications d’expression génique → différences phénotypiques.

2. Remodelage de la chromatine

Pourquoi l’empaquetage de l’ADN est-il essentiel ?

• Organisation et stabilité cellulaire

• Compacter des longues molécules d’ADN dans un espace restreint mais aussi d’éviter qu’elles ne s’emmêlent ou ne forment des noeuds.

Quelles protéines organisent l’ADN en chromatine ?

Les histones.

Quelle est l’unité fondamentale de la chromatine ?

Le nucléosome.

De quoi est composé un nucléosome ?

≈146 pb d’ADN, enroulé autour d’un centre protéique composés d’histone

→ Ce coeur est un octamère constitué de deux copies de chaque histone H2A, H2B, H3 et H4

→ Les histones sont des protéines basiques hautement conservées au cours de l’évolution

Comment s’appelle structure en “collier de perles” ?

Filament nucléosomique (10 nm).

→ Les nucléosomes s’enchaînent le long de l’ADN

Quel est le rôle de l’histone H1 ?

Compaction supplémentaire → fibre de 30 nm =unité de base de la chromatine

→ Finalement, la chromatine va continuer de se condenser à l’aide de plusieurs protéines de structures pour former un chromosome.

Que provoque la compaction de la chromatine ?

Réduction de l’accessibilité à l’ADN pour les facteurs de transcription.

Que contient un nucléosome ?

Un noyau protéique de 8 histones.

Comment obtient-on un nucléosome isolé en laboratoire ?

Digestion de l’ADN linker par une endonucléase.

Combien de fois l’ADN s’enroule autour du noyau protéique du nucléosome ?

1,7 tour.

Quelle est la longueur d’ADN enroulée autour du nucléosome ?

147 paires de bases.

De quoi dépend l’expression d’un gène ?

De la structure de la chromatine au niveau du promoteur et des régions voisines.

Comment les nucléosomes influencent-ils la transcription ?

Ils bloquent l’accès des facteurs de transcription et de l’ARN polymérase.

Un gène enroulé autour de nucléosomes peut-il être activé par simple ajout de facteurs de transcription ?

Non, l’accessibilité physique est nécessaire.

Qu’est-ce qui est requis pour transcription et réplication ?

Un remaniement dynamique de la chromatine.

Comment rend-on un gène accessible ?

En écartant les octamères d’histones de l’ADN.

Un complexe de remodelage a-t-il une spécificité de site ?

Non, il n’a pas de spécificité propre. Il doit cependant être recruté par un élément de l’appareil de transcription

Que devient ce facteur après recrutement ?

Il peut être libéré une fois que le complexe s’est fixé.

Quelles sont les différentes modifications ?

• Glissement de nucléosomes qui permet de changer la position des séquences d’ADN

• Un déplacement au niveau des nucléosomes pour avoir une région accessible plus grande (augmentation de l’espace internucléosomique)

• Création d’un trou permettant l’accès direct à l’ADN grâce à l’exclusion temporaire d’un nucléosome

3. Méthylation et hydroxyméthylation de l’ADN

Qu’est-ce que la méthylation de l’ADN ?

Ajout d’un groupement méthyle sur la cytosine en position 5 dans un dinucléotide CpG.

Quelle enzyme réalise la méthylation ?

Les ADN méthyltransférases (DNMTs).

Que permet la 5-méthylcytosine en termes de reconnaissance ?

Recrutement des MBPs (methyl-CpG binding proteins).

→ Compaction de la chromatine

Impact de la méthylation d’un promoteur ?

Empêche la liaison des facteurs de transcription → inhibition de l’expression.

Où se trouve principalement la 5-méthylcytosine chez les mammifères ?

Sur les dinucléotides CG.

→ Pas dans les contextes CC, CA ou CT car seule la configuration CpG est symétrique sur les brins antiparallèles de l’ADN et permet un maintien fidèle.

→ les deux brins de la double hélice ont une polarité opposée.

Pourquoi la symétrie du CpG est-elle essentielle ?

• Elle facilite la copie exacte du motif méthylé lors de la réplication.

Quel est le rôle de la réplication dans le maintien de la méthylation ?

Elle préserve la symétrie CpG en rétablissant les motifs méthylés sur le brin néo-synthétisé.

Quel est le rôle des DNMTs ?

• Aussi appelées Writers

• Ajouter un groupement méthyle sur la cytosine → formation de 5mC.

• Établir ou entretenir les marques de méthylation.

Quelles DNMT réalisent la méthylation de novo ?

DNMT3A et DNMT3B.

→ C’est à dire la mise en place de nouvelles marques de méthylation durant le développement embryonnaire

Quelle enzyme maintient les marques après la réplication ?

DNMT1.

Comment agit DNMT1 ?

Copie la méthylation du brin parent sur le brin fils.

Qu’est-ce qu’un “reader” de méthylation ?

Protéine reconnaissant et se liant spécifiquement les CpG méthylés.

→ protéines MBD (methylated-bindings domains)

Exemple de reader ?

MeCP2.

Rôle des MBD ?

Servir de plateforme de recrutement pour :

• Protéines compactant la chromatine

• Complexes réprimant la transcription.

Quel est le rôle des TET (readers) ?

Déméthylation de l’ADN.

Remarque : TET = ten eleven translocation

Pourquoi la déméthylation est-elle importante ?

Permet de réactiver des gènes silencieux.

4. Le code histone

Taille typique d’une histone ?

102–135 acides aminés conservés au cours de l’évolution.

Structure commune ?

3 hélices alpha reliées par 2 boucles.

Quelle partie des histones est modifiable ?

Les queues N-terminales, très longues.

Quelles extensions dépassent du nucléosome ?

• N-terminales : 19–39 aa pour toutes les histones du cœur

• C-terminales : présentes sur H2A et H2B.

Que forme les histones ?

Les histones H2A avec H2B et H3 avec H4 forment des dimères par une interaction appelée « poignée de main ».

Comment les histones se lient-elles à l’ADN ?

Via interactions électrostatiques : le squelette des acides aminées des histones (+) ↔ le squelette phosphodiester de l’ADN (-).

Quels acides aminés sont cruciaux pour ces interactions ?

• Arginine (R) et Lysine (K) (acides aminés basiques).

• Ils représentent ~20 % des histones.

Pourquoi sont-ils importants pour l’épigénétique ?

Ils constituent les sites de modifications post-traductionnelles (acétylation, méthylation…).

Quels dimères d’histones se forment par « serre-main » ?

• H2A–H2B

• H3–H4

Existe-t-il des variants d’histones ?

• Oui, leur séquence diffère légèrement des histones classiques.

• Ils apparaissent lors de modifications de l’ADN (ex. dommages, irradiation)

H2AX remplace quelle histone classique ?

H2A, incorporé en faible quantité dans la chromatine.

Quand H2AX est-elle phosphorylée ?

Lors de cassures double brin de l’ADN.

Rôle de H2AX phosphorylée ?

• Participation aux processus de réparation de l’ADN probablement par recrutement des enzymes de réparation.

• Indicateur de l’état de réparation de l’ADN.

Que voit-on après réparation ?

H2AX → revient à H2A.

Quel variant d’histone remplace H3 au centromère ?

CENP-A.

Rôle du centromère avec CENP-A ?

Liaison des microtubules lors de la mitose.

Que montrent les points fluorescents dans une immunofluorescence anti-H2AX phosphorylée ?

• Les sites de cassure double brin de l’ADN.

• L’accumulation de H2AX phosphorylée aux points de dommage.

Modifications post-traductionnelles des histones

Où se produisent les modifications post-traductionnelles des histones ?

Sur les queues N-terminales des histones.

Pourquoi ces modifications sont-elles importantes ?

Elles régulent la condensation de la chromatine et donc l’accès des facteurs de transcription à l’ADN.

→ En fonction de leur organisation → l’ADN devient plus ou moins accesible

Effet de la méthylation sur la chromatine ?

Elle compacte l’ADN.

Nombre de niveaux de méthylation possibles ?

Mono-, di- ou triméthylation, chacune avec un effet distinct sur la structure de la chromatine et l’expression des gènes.

Quels résidus subissent un acétylation ?

Lysine ou arginine.

Conséquence de l’acétylation ?

• Suppression de charges positives

• Relâchement de l’ADN (moins compact)

Quels résidus peuvent être phosphorylés ?

Sérine (S), thréonine (T), tyrosine (Y — plus rare).

Conséquence d’une phosphorylation ?

• Apparition d’une charge négative 

• Peut activer ou désactiver l’activité transcriptionnelle selon le contexte

Quel acide aminé est le plus fréquemment modifié sur les histones ?

• La lysine (K).

Quel type d’histone est particulièrement modifié et pourquoi ?

Histone H3.

Sa queue N-terminale est :

• longue,

• flexible,

• extrêmement accessible → cible privilégiée des modifications.

Une lysine peut-elle être méthylée et acétylée en même temps ?

Non, ces modifications sont mutuellement exclusives.

Les modifications C-terminales ont-elles un rôle important ?

Leur impact est moins important que celles du N-terminal.

Combien de sites de méthylation sont connus sur la queue N-terminale de H3 ?

8 sites de méthylation connus.

→ Ils jouent un rôle clé dans la régulation de la chromatine et de l’expression génique 

Acétylation des histones

Quels acides aminés sont acétylés sur les histones ?

Les lysines (K) des queues N-terminales des histones.

Quelle est la conséquence chimique de l’acétylation d’une lysine ?

L’acétylation neutralise la charge positive du groupement ε-amino de la lysine.

Quel est l’impact de cette neutralisation sur la chromatine ?

• Cela influence la compaction de la chromatine, en favorisant son relâchement.

Quel résidu d’histone est crucial pour la formation de la fibre de 30 nm ?

La lysine 16 de l’histone H4 (H4K16).

Que provoque l’acétylation de H4K16 ?

Elle relâche la chromatine et lui donne une conformation de « collier de perles », compatible avec transcription et réplication.

Que montre le traitement de noyaux avec de la DNase I concernant l’acétylation ?

• La chromatine acétylée est plus sensible aux endonucléases.

Comment s’appellent les enzymes qui acétylent les histones ?

Les histone acétyltransférases (HATs).

Quel est leur rôle principal ?

Elles sont essentielles pour l’activation de la transcription en relâchant la chromatine.

Citer un coactivateur possédant une activité HAT.

CBP/p300 ou PCAF

Dans quels contextes l’acétylation des histones se produit-elle ?

1. Pendant la réplication de l’ADN — acétylation transitoire aidant à la réorganisation de la chromatine sur les nouveaux brins.

2. Lors de l’activation de l’expression génique — elle facilite le relâchement de la chromatine, rendant les gènes accessibles aux facteurs de transcription.

Quelles histones sont acétylées dans la chromatine active ?

Les queues H3 et H4.

Quelle modification caractérise la chromatine inactive (hétérochromatine) ?

• La méthylation de H3K9.

• La méthylation des cytosine des doublets CpG

Qu’est-ce qu’un doublet CpG ?

• Une cytosine liée via liaison phosphodiester à une guanine sur le même brin d’ADN.

• 70 à 80% des CpG sont méthylés, ce qui inactive le gène

La méthylation compacte-t-elle l’ADN ?

Oui, généralement, mais ce n’est pas une règle absolue.