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L’équipe MECP2 comprend des personnels INRAE des départements « Physiologie Animale et Système d’Elevage » (PhASE) et « Alimentation Humaine » (AlimH), un ingénieur de recherche ALLICE (union de coopératives d'élevage qui fédère des entreprises françaises de sélection et d’insémination animale) et accueille régulièrement des étudiants (doctorat, master1&2, BTS). Cette équipe regroupe des compétences en épigénétique, physiologie de la reproduction, endocrinologie et métabolisme, neurophysiologie, éthologie et nutrition. L’atelier « Epigénétique » développe des approches originales afin d’étudier la méthylation de l’ADN (et hydroxy-méthylation) à diverses échelles, les modifications post traductionnelles des histones et l’expression des gènes et petits ARN non codants (sncRNA). Une lecture poussée des phénotypes des individus est pratiquée en routine du niveau cellulaire (immunocytochimie, hybridation in situ, RT-PCR quantitative ; analyses cytologiques de la semence, (spermogrammes) à l’individu (suivi de croissance, dosages hormonaux, comportements alimentaires).
Composition de l’équipe et compétences au 1er janvier 2021 :
Les processus épigénétiques orchestrent le fonctionnement du génome. La différenciation cellulaire, que ce soit pendant les phases précoces de développement embryonnaire ou fœtal, ou plus tardivement au cours de la vie de l’individu, est dictée par des profils d’expression de gènes, finement régulés de façon spatio-temporelle. Ainsi, une sélection progressive de l’information génétique se met en place faisant intervenir des marques épigénétiques distribuées de manière non aléatoire sur le génome. On sait aujourd’hui que l’empreinte des changements de l’environnement peut s’inscrire durablement via des modifications épigénétiques. Les variations de méthylation de l’ADN comme les modifications post-traductionnelles des histones, concourent ainsi à une intégration des stimuli liés à des évènements de la vie (nutrition, stress, infections, pathologies) en établissant un code-mémoire cellulaire (épigénome), modifiant durablement le fonctionnement des organes. Les processus épigénétiques sont donc à considérer comme des mécanismes permettant une réponse du génome à son environnement, pouvant être à la base des procédés adaptatifs fondamentaux. Ils représentent de véritables biomarqueurs diagnostiques de l’état de l’individu ou pronostiques de la réponse de l’individu à divers challenges (nutritionnel, émotionnel…). La connaissance et la compréhension de ces mécanismes sont essentielles. L’intégration de ces biomarqueurs au phénotypage fin des individus dans les domaines agronomique et biomédical devrait conduire à l’établissement de recommandations afin d’améliorer les conduites d’élevage de précision (gestion individualisée) et la prise en charge des personnes (médecine personnalisée).
Notre démarche vise à identifier les marques épigénétiques en tant que mémoire cellulaire et à évaluer leur contribution dans la construction des phénotypes, à court (au cours du développement fœtal) et à long termes (en post-natal et chez l’adulte) sous l’influence de modifications environnementales. Pour cela, il faut se doter de modèles pertinents en fonction des questions biologiques posées, mettre en œuvre des techniques variées et appropriées de phénotypage fin, identifier les processus épigénétiques et en démontrer le pouvoir explicatif dans la construction des phénotypes. L’atelier épigénétique, est le support de notre démarche aussi bien pour des modèles agronomiques (ruminants) en répondant à des questionnements d’élevage, d’intérêt pour le département PhASE, que pour des modèles de rongeurs développés pour répondre à un questionnement biomédical tel qu’il est envisagé par le département AlimH.
1. Mécanismes épigénétiques de la programmation des grandes fonctions au cours de la vie fœtale.
Le concept de la DOHaD, « Developmental Origins of Health and Diseases », stipule que certaines pathologies telles les maladies cardio-vasculaires, diabète, obésité, ont pour origine des altérations programmées très tôt au cours du développement fœtal in utero se révélant au cours de la vie de l’individu sous l’impulsion de stress ou de conditions de vie particulières. Afin d’identifier dans quelle mesure l’environnement maternel influence le devenir de la descendance et surtout quels en sont les mécanismes moléculaires, il est nécessaire de mettre en place des modèles animaux dont le temps de génération est court (rongeurs), de bénéficier d’un dispositif expérimental de proximité et de disposer d’outils de suivis phénotypiques. Nos modèles animaux sont la souris et le rat. Ce sont des modèles pertinents pour suivre les conséquences de l’environnement maternel péri-conceptionnel et gestationnel, au niveau de la descendance, de manière multigénérationnelle ou trans-générationnelle et spécifique du sexe. Nos recherches visent à établir et à comprendre les mécanismes moléculaires décisifs impliqués dans une empreinte à long terme des perturbations environnementales qu’elles soient négatives (régime obésogène) ou positives (correction du métabolisme maternel, enrichissement).
• Trajectoires pondérales maternelles pré-conceptionnelles (TPMP), financé par la Fondation Cœur et Artères. L’obésité et le surpoids ont atteint les proportions d’une épidémie mondiale entrainant le décès d’au moins 2,8 millions chaque année. Ce problème, autrefois réservé aux pays à revenu élevé, existe aussi désormais dans les pays à revenu faible ou intermédiaire du fait de déséquilibre alimentaire, de modification du style de vie et d’empreinte environnementale. L’obésité et le surpoids sont vecteurs d’une charge de morbidité importante non seulement pour les individus mais aussi pour leur descendance. En d’autres termes, ces pathologies non transmissibles génétiquement parlant, déterminent un environnement métabolique maternel délétère ayant des conséquences à court et long termes sur la descendance. Les femmes en surpoids ou obèses présentent de nombreux troubles de la fertilité. Un programme adapté, nutritionnel associé à une activité physique, est proposé pour une perte de poids effective qui s’accompagne généralement d’une amélioration du taux de fertilité. Néanmoins, aucune étude n’a évalué les effets de telles modifications métaboliques pré-conceptuelles sur la descendance, ni les processus moléculaires et épigénétiques sous-jacents. C’est l’objectif du programme TPMP.
• Environnement maternel enrichi et comportements associés. Divers comportements, dont les choix alimentaires (préférences, consommation), sont sous l’influence de multiples facteurs (génétiques, environnementaux, sociétaux/culturels et cognitifs) et sont guidés par des processus sensoriels, dont l’olfaction. Les réseaux cérébraux s’établissent in utero sous influence placentaire et prennent toute leur fonction au cours de la vie post natale. Nos données sur les projets TPMP et Odoralim (financement pépinière PhASE) ont souligné la possibilité d’une programmation des performances de la descendance par le métabolisme ou une odorisation de l’alimentation maternelle, respectivement. En effet, une perturbation des apports nutritionnels maternels conduit à une diminution de la sensibilité olfactive ; une odorisation via l’alimentation maternelle modifie les réseaux neuronaux impliqués dans le traitement de l’odeur apprise, diminue la réaction néophobique à l’aliment odorisé à la naissance ou au sevrage et diminue la réaction au stress. Ainsi, le contexte maternel pourrait modifier la mise en place et le fonctionnement des réseaux neuronaux pilotant les comportements à base olfactive, via des modifications à long terme, ce que nous continuons d’étudier en restreignant l’odorisation à la phase prénatale (ACI PhASE). Notre objectif est d’en disséquer les mécanismes moléculaires et plus particulièrement épigénétiques, avec un focus sur les variations pangénomiques de la 5 hydroxy-méthylation de l’ADN, marque particulièrement abondante dans les structures nerveuses centrales (bulbe olfactif et hypothalamus) dans le cadre du projet EpiOlf (ACI PhASE).
• Autres programmes en cours : IBISS, Incorporation Biologique des Inégalités Sociales de Santé (projet ANR, coordonné par Cyrille Delpierre (Inserm Toulouse) en collaboration avec Muriel Darnaudéry, NutriNeuro – Bordeaux) étudie comment les expositions psychosociales précoces modifient des processus biologiques impliqués dans le développement ultérieur de pathologies. Le modèle animal mis en place conjugue obésité maternelle et stress de séparation maternelle en post natal chez la souris. L’obésité maternelle et le stress de séparation maternelle exacerbent l'anxiété chez la progéniture adulte ; notre objectif est d'en étudier les effets sur la physiologie (métabolisme glucidique, hormones), le comportement (émotionalité et motivation alimentaire) et l'épigénome (méthylation de métabolisme énergétique et de la motivation alimentaire, de la descendance).
II. L’épigénome au cœur de la gestion d’un élevage durable
Les marques épigénétiques constituent une mémoire cellulaire mise en œuvre au cours de la différenciation des lignages et sont de véritables systèmes d’archivage des évènements environnementaux passés, à l’échelle cellulaire, de l’organe, ou de l’individu. Elles sont ainsi une source de biomarqueurs de l’historique de vie de l’individu, dont le suivi peut donner de précieuses indications sur la santé et la fertilité des animaux. Notre équipe s’est engagée depuis 2014 dans une identification de ces marqueurs pour les animaux d’élevage que sont les bovins, qui pourraient être exploités dans le cadre d’un phénotypage fin des bovins en routine et en situation d’élevage. Par ailleurs, la recherche de biomarqueurs dans l’épigénome bovin a aussi fait émerger plusieurs questions scientifiques fondamentales en cours d’investigation.
• Création du label SeQuaMol, (LabCom ANR) en partenariat avec ALLICE, fédération des centres d’insémination et entreprises de sélection. Dans un contexte d’utilisation de la semence bovine comme vecteur du progrès génétique (plus de 7 millions d’insémination animale par an en France), il est fondamental de disposer de critères de qualité de la semence, afin d’assurer une fécondance efficace sur le terrain. De nombreuses études ont pu établir un panel de critères qui restent insuffisants pour prédire la fertilité des taureaux de manière fiable. La spermatogénèse est un long processus de différenciation cellulaire incluant de nombreuses modifications épigénétiques. Le spermatozoïde est une cellule particulière présentant une très forte compaction de la chromatine, nécessaire à la protection du génome paternel et basée sur un profil de méthylation de l’ADN spécifique et le remplacement des histones par des protamines. SeQuaMol a pour objectifs (i) d’établir le méthylome, le miRNome et le protéome spermatiques sur la base d’un large recrutement d’échantillons de semence auprès des centres d’insémination et les entreprises de sélection bovine, adhérents d’ALLICE, et ce en fonction de facteurs intrinsèques (fertilité, âge à la collecte) ou extrinsèques (plan de nutrition des taurillons, stress thermique…), (ii) d’améliorer les prédictions de fertilité en intégrant des biomarqueurs épigénétiques et moléculaires aux paramètres déjà utilisés en routine. Les questions fondamentales soulevées par SeQuaMol sont les suivantes : y-a-t-il des spécificités liées à la reprogrammation épigénétique dans cette espèce (projet Apis-Gene GERMIMâle en coll. avec l’équipe DGP) ? Quelle est l’origine des petits ARN non codants dans le spermatozoïde (Sellem et al., en révision) ? Y-a-t-il un effet de l’épigénome spermatique sur le phénotype de la descendance ?
• L’espèce bovine est un modèle adapté pour analyser les interactions Génome-Epigénome. Les progrès réalisés ces dernières années dans la connaissance du génome bovin (séquençage et assemblage) et la description de ses variations (développement du génotypage) offrent l’opportunité d’analyser avec pertinence les interactions Génome-Epigénome. La méthylation de l’ADN cible essentiellement les sites CpG du génome, et est donc directement affectée par la présence de polymorphismes de séquence altérant ces sites. De plus, comme tout autre phénotype moléculaire, la méthylation de l’ADN est soumise à un contrôle génétique (QTL de méthylation). Il est donc impératif de prendre en compte la génétique des animaux lorsque l’on cherche à étudier le rôle de la méthylation de l’ADN dans la construction du phénotype. C’est d’autant plus vrai lorsqu’on s’intéresse aux effets épigénétiques transmis à la descendance, qui du fait de la reprogrammation des génomes parentaux après la fécondation, sont de faible magnitude en regard des effets génétiques. Le programme européen H2020 RUMIGEN s’intéressera au rôle de la méthylation spermatique dans le phénotype de la descendance, en dissociant la part héritable et contrôlée par des QTL de méthylation, de la part échappant à la reprogrammation et transmise via des mécanismes non génétiques. Réciproquement, les cytosines méthylées mutent avec une fréquence élevée par rapport aux autres bases, faisant de la méthylation de l’ADN dans les cellules germinales un des moteurs de l’évolution des génomes. Cet aspect est étudié dans le cadre du projet Apis-Gene POLYPHEME.
• Biomarqueurs épigénétiques sanguins. En élevage, la santé des animaux reste la clé de voute de leur bien-être, de la réalisation de leur potentiel génétique et de l’obtention de produits de qualité en quantité économiquement compatible avec les objectifs des exploitations. Face à cet enjeu, il est nécessaire de développer des outils de phénotypage fin, peu invasifs, utilisables en routine et en situation d’élevage permettant un diagnostic de l’état général, de la santé métabolique et de la fertilité de l’animal. Nous nous concentrons sur la caractérisation de signatures épigénétiques systémiques du sang afin d’identifier des biomarqueurs pertinents à utiliser pour un épigénotypage de routine des troupeaux.
La mise en place des réponses immunitaires innée et adaptative dépend d’un grand nombre de types cellulaires différents, issus d’un long et complexe processus de différenciation piloté par des gènes dont l’expression est régulée dans le temps avec une grande précision par l’action de facteurs de transcription spécifiques et de processus épigénétiques. Parmi les processus épigénétiques, les variations de méthylation de l’ADN sur des loci précis contribuent de manière prépondérante à la différenciation des lignages immunitaires. De plus, il est démontré chez l’Homme que des signatures systémiques peuvent être révélatrices de pathologies non immunitaires ou d’effets de facteurs extrinsèques variés. Dans un cadre de recherche finalisée agronomique, nos recherches visent l’identification de biomarqueurs épigénétiques permettant :
i) une détermination des proportions des différentes sous-populations de cellules immunitaires (Projet BovEpiSign ; APISGENE),
ii) une évaluation de l’état de santé général de l’animal en fonction de son alimentation et ses conséquences sur la fertilité (GenEpi ; projet en collaboration avec des partenaires privés de la filière bovine, le groupe Pilardière- fabricant et distributeur de compléments alimentaires pour l’élevage - et XR-Repro)
iii) une évaluation des effets de l’âge (carrière de la vache laitière ; Métaprogramme LongHealth).
L’intégration de l’ensemble de toutes ces données doit contribuer à la définition des signatures pertinentes pour le développement d’un outil d’épigénotypage complétant les approches de génotypage.
Atelier Epigénétique
Analyse de la méthylation de l’ADN (5meC)
Globale : Luminometric Methylation Assay (LuMA)
Pan génomique : RRBS, MeDIP seq, WGBS, préparation des banques et analyse de séquences
Séquence- spécifique : bisulfite de sodium et pyroséquençage
Analyse de la 5 hydroxyméthylation (5hmeC)
Oxo-RRBS en cours de développement
Analyse des modifications des histones
Western-blot, Chip-Seq, Cut & Run
Analyses des petits ARN non codants (sncRNA)
Préparations d’ARN totaux et analyse de séquences par famille de sncRNA.
Analyses Bio informatiques et bio statistiques
Méthylation : Pipeline dédié, développé au laboratoire en collaboration avec Luc Jouneau, Anne Aubert et Genotoul
sncRNA : pipeline bioinformatique d’analyses en collaboration avec Sylvain Marthey
Partenariats privilégiés avec Integragen, Qiagen, Hamilton
Caractérisations phénotypiques
Histologie, immunohisto/cytochimie, hybridation in situ
Analyses transcriptomiques : RT-qPCR, carte microfluidique
Meta‐analysis of genome‐wide DNA methylation and integrative omics of age in human skeletal muscle. Voisin S, Jacques M, Landen S, Harvey N, Haupt L, Griffiths L, Gancheva S, Ouni M, Jähnert M, Ashton K, Coffey V, Thompson JL, Doering T, Gabory A, Junien C, Caiazzo R, Verkindt H, Raverdy V, Pattou F, Froguel P, Craig J, Blocquiaux S, Thomis M, Sharples A, Schürmann A, Roden M, Horvath S, Eynon N. Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle. 2021. doi: 10.1002/jcsm.12741. PMID: 34196129
Life-long implications of developmental exposure to environmental stressors: new prespectives. Grandjean P, Barouki R, Bellinger D.C, Casteleyn L, Chadwick L. H, Cordier S, Etzel R. A, Gray K.A, Ha E.H, Junien C, Karagas M, Kawamoto T, Paige B.L, Perera F. P, Prins G.S, Puga A, Rosenfeld C.S, Sherr D.H, Sly P.D, Suk W, Sun Q, Toppari J, Van Den Hazel P, Walker C.L, Heindel J.J. Endocrinol, 2015, 156 (10): 3408-3415.
