« Au-dessus des gènes : épigénétique et santé publique »

Séance thématique

Mercredi 5 juin 2019 de 14 h 00 à 17 h 00

L’épigénétique, qui signifie « au-dessus des gènes » se définit comme “toute modification sur l’expression de gènes consécutive à des facteurs autres que des mutations dans l’ADN ».

Ce domaine conceptualisé dès 1942 est resté longtemps relativement peu étudié et fait encore l’objet de controverses, notamment sur son caractère transmissible.

L’objectif de cette séance dédiée est de faire le point sur les connaissances et les applications de l’épigénétique. Elle sera aussi l’occasion d’une mise au point concernant les a priori et les méconnaissances sur un domaine foisonnant qui produit pourtant déjà des applications médicamenteuses en clinique humaine.

Les facteurs épigénétiques sont multiples :

• La méthylation de l’ADN
• Des modifications des protéines histones qui compactent l’ADN et en modulent le fonctionnement
• La régulation de l’expression de gènes par des ARN non-codants qui modulent les ARN codants, et ainsi la production des protéines encodées par ces ARN
• Des instabilités génétiques (par exemple influençant la structure de la chromatine dans laquelle se trouve l’ADN) ou d’autres forces influençant le phénotype.

Ces phénomènes, identifiés à l’origine chez les végétaux sont également actifs dans le règne animal et chez l’Homme. Cette machinerie constitue un lien mécanistique fondamental par lequel un organisme répond à son environnement en changeant le profil d’expression des gènes nucléaires ou mitochondriaux.

Les anomalies épigénétiques peuvent être la cause directe d’un nombre croissant de pathologies (cancers, maladies auto-immunes, maladies neurologiques, certaines formes d’autisme, infertilité…). Elles jouent également un rôle dans le vieillissement.

La question de la transmission héréditaire des caractères épigénétiques est source de controverses mais elle suscite de nombreuses recherches depuis 2005.

Les premiers médicaments épigénétiques commencent à apparaître notamment en oncologie (ex : Vorinostat, inhibiteur d’histone déacétylase avec AMM pour la lymphome T). Le domaine est appelé à se développer.

Ouverture de la séance parChristiane Garbay, Présidente de l’Académie nationale de Pharmacie

Introduction générale par Serge Braun, membre de l’Académie nationale de Pharmacie

Diapositives présentées - Vidéo brève

Introduction « De Mendel à l’épigénétique » par Jonathan Weitzman, Université Paris Diderot

Questions - Réponses – Commentaires

Christiane Garbay (Q) : 1/ Avez-vous précisé que les méthylations n’étaient pas des mutations en raison de leur caractère réversible ? 2/ Les méthylations sont-elles déjà ciblées dans les pathologies comme le cancer ?

(R) : la question de la stabilité de la méthylation s’est posée longtemps car les enzymes responsables de la déméthylation n’étaient pas identifiées. Aujourd’hui, ces enzymes TET (ten-eleven-translocation) sont connues et expliquent la réversibilité de la méthylation de l’ADN dont la dynamique reste encore à démontrer.

Robert Dante nous en parlera plus en détail dans sa présentation, mais nous avons constaté une hypométhylation globale du génome dans les cellules tumorales avec cependant la présence de certains gènes hyperméthylés.

Jean Féger (C) : ce que vous avez dit au sujet des jumeaux remet en cause le dogme distinguant les homozygotes des hétérozygotes.

(R) : on dit habituellement que les jumeaux ont le même ADN, mais il existe une dynamique avec certaines modifications de l’ADN même chez les monozygotes.

Jean-Claude Chaumeil (Q) : La transmission des effets toxiques de certains médicaments, comme le Distilbène®, sur plusieurs générations est-elle liée à des modifications épigénétiques ?

(R) : les recherches de Michael Skinner publiées il y a une dizaine d’années dans la revue Science ont montré que l’exposition à certains perturbateurs endocriniens pouvaient provoquer des modifications épigénétiques dont le phénotype s’observait dans la descendance de la première jusqu’à la troisième génération (transgenerational epigenetic inheritance).

« Épigénétique et reproduction : mécanisme normal du développement » (20 min + 5 min Q/R)

Déborah Bourc’his, Institut Curie, Unité de Génétique et Biologie du Développement

Diapositives présentées

Le développement des mammifères constitue un terrain propice d’étude du rôle de l’épigénétique dans la détermination et la consolidation des identités cellulaires. En effet, l’embryon précoce subit de façon naturelle et programmée un remodelage intense de son épigénome et en particulier, de la méthylation de l’ADN. Immédiatement après la fécondation, l’identité épigénétique héritée de l’œuf et du spermatozoïde est effacée, alors que l’embryon adopte un état naïf appelé « pluripotence ». Cette réinitialisation, par analogie avec la fonction « reboot » d’un ordinateur, est un prérequis obligatoire pour que l’embryon puisse ensuite former la diversité des types cellulaires nécessaires au développement et au fonctionnement d’un individu. C’est lors de l’implantation de l’embryon dans l’utérus que cette étape de différenciation cellulaire s’effectue. Elle s’accompagne de l’acquisition de profils de méthylation somatiques qui resteront globalement stables tout au long de la vie, à l’exception notoire des cellules de la lignée germinale, à l’origine des futurs gamètes, qui subissent une seconde vague de reprogrammation.

Le cycle de reprogrammation embryonnaire des profils de méthylation de l’ADN est une particularité des mammifères et implique deux concepts importants: 1) la phase initiale d’effacement massif limite drastiquement les possibilités de transmission d’information épigénétique entre les générations, et 2) les profils de méthylation adultes sont établis très précocement lors du développement. Nous discuterons de l’état des connaissances sur la dynamique des profils de méthylation de l’ADN qui accompagnent l’embryogenèse précoce et de son influence sur la fertilité et le développement.

Questions - Réponses - Commentaires

Jean Costentin (Q) : confirmez-vous que la cytosine méthylée ne change pas l’acide aminé qui sera mis en place. Combien de types d’histones connaît-on et à quel niveau sont-elles méthylées ?

(R) : l’acide aminé mis en place n’est pas modifié par la méthylation de la cytosine. Il existe quatre types d’histones : H2A H2B, H3 et H4 qui sont méthylées sur l’azote de la lysine.

Jean Costentin (Q) : l’exposition de rats mâles et femelles au tétrahydrocannabinol (THC) après la puberté jusqu’à une quinzaine de jours avant leur reproduction permet de transférer chez la descendance F1 des modifications épigénétiques qui se traduisent par une sous-expression du gène codant pour le récepteur D2 de la dopamine dans le noyau accumbens. L’effet du THC chez les parents est-il selon vous pré- ou post- méiotique et ces modifications observées chez les nouveau-nés deux jours après la mise-bas jusqu’à 62 jours sont-elles compatibles avec le concept que vous venez de nous décrire ?

(R) : beaucoup d’études menées sur des cohortes de rongeurs ont évalué la transmission d’effet post-exposition, mais certaines présentaient des défauts expérimentaux (consanguinité des rongeurs) rendant difficile la mise en évidence de la ségrégation génétique ou épigénétique. Le lien aurait pu être démontré par la présence de modifications dans la lignée germinale des animaux exposés.

Philippe Chatron (Q) : peut-on associer à la méthylation des pathologies connues ? Sait-on doser les méthylases et quel en est l’intérêt ?

(R) : Il existe des maladies liées à des mutations des enzymes de méthylation comme le syndrome ICF (Immunodeficiency, Centromeric region instability, Facial anomalies) qui affecte certaines séquences géniques ou des mutations de méthyltransférases, comme la DNMT1 (DNA MethylTransferase 1) associée à des formes de surdité ou la DNMT3A (DNA MethylTransferase 3 alpha) responsable de formes de nanisme ou de gigantisme. Des mutations acquises de la DNMT3A ou de l’enzyme TET2 sont observées dans de nombreuses leucémies. On peut aussi observer des pertes ou des gains de mutations ponctuelles dans le syndrome d’empreinte qui sont plus fréquemment rencontrées chez les enfants issus de procréation médicalement assistée.

Les profils de méthylation de l’ADN se quantifient très précisément par le séquençage des cytosines méthylées.

Christiane Garbay (Q) : les transmissions ne sont-elles pas sous-estimées en raison de la faible taille des groupes étudiés ?

(R) : il y a effectivement des effets de cohorte, mais aussi des effets culturels ainsi que des effets liés à un phénotype (anomalies de méthylation induites par l’obésité par exemple).

15 h 00 « Épigénétique du cancer » (20 min + 5 min Q/R)

Robert Dante, Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon, UMR INSERM 1052 - CNRS 5286, Lyon

Diapositives présentées

La définition de l’épigénétique a beaucoup évoluée au cours des vingt dernières années ; comme le mentionne le texte qui accompagne l’annonce de cette réunion, de nombreux phénomènes font maintenant partie du domaine de l’épigénétique. Dans les cancers les deux plus étudiés sont les modifications de l’ADN lui-même, via la méthylation des cytosines, et les modifications des protéines histones (méthylation et acétylation).

Les altérations de la méthylation de l’ADN furent les premiers évènements épigénétiques à être associés aux cancers. Deux articles, publiés dès 1983, ont clairement montré qu’une hypométhylation pouvait aussi bien être observée au niveau du taux global qu’au niveau de certains gènes. À cette hypométhylation globale s’ajoute des hyperméthylations localisées, en particulier de certaines séquences spécifiques (les îlots de CpG). Ces hyperméthylations ont été associées à la perte d’expression de gènes suppresseurs de tumeurs. Dans le même temps, de nombreux travaux ont mis évidence une corrélation négative entre méthylation de l’extrémité 5’ des gènes et leur niveau d’expression.

De nouvelles technologies, en particulier le séquençage à haut débit, ont permis d’établir des profils de méthylation de l’ADN spécifiques de différentes cellules tumorales. Outre l’intérêt que représentent ces analyses pour la compréhension de la physiopathologie tumorale, les profils de méthylation de l’ADN sont aussi des biomarqueurs prometteurs.

Cette modification épigénétique n’est que peu altérée par le stockage des échantillons, relativement facile à analyser et caractéristique des types cellulaires. Les derniers développements de ces approches suggèrent qu’il serait possible de réaliser ces analyses par des techniques non-invasives à partir de l’ADN circulant.

Questions - Réponses - Commentaires

Christiane Garbay (Q) : 1/ La méthylation des ADN télomériques se produit-elle au niveau de dinucléotides CpG (cytosine directement suivie d’une guanosine) ou d’îlots CpG ? 2/ Le taux de méthylation de l’ADN permettant la détermination de l’âge, peut-on imaginer qu’à l’avenir on puisse définir la durée de vie des individus, aidé de l’intelligence artificielle ?

(R) : 1/ Je ne crois pas qu’il existe un lien entre la longueur du télomère et le taux de méthylation. 2/ L’analyse de la méthylation de l’ADN permet une estimation de l’âge chronologique des individus avec une précision de ± quatre ans, mais il y des personnes qui ont un épigénome jeune alors qu’elles sont âgées et inversement.

« Intervention pharmacologique sur les cibles épigénétiques du cancer » (20 min + 5 min Q/R)

Paola Arimondo, Directeur au CNRS UMR 3523, Cheffe de l’Unité d’Epigenetic Chemical Biology, Institut Pasteur

Vidéo brève

L’épigénétique joue un rôle essentiel dans la régulation de l’expression de gènes et est impliquée dans de pathologies comme les cancers. Quand en 2001 le génome humain a été séquencé, la communauté scientifique a imaginé que ceci permettrait d'expliquer l’origine et de guérir nombreuses pathologies. Il est rapidement devenu évident que le génome seul ne permet pas d’expliquer la diversité phénotypique et l'impact de l'environnement sur celle-ci. Les modifications épigénétiques participent à moduler l’expression de gènes et définir un phénotype. Des modifications chimiques de l’ADN et des histones sont la composante majoritaire de l’épigénétique. Celles-ci régulent l’accès à l’information génétique et donc le phénotype. Ces modifications chimiques sont réversibles, ce qui est un avantage capital pour un chimiste médicinal car il est donc envisageable de les cibler et les modifier pour changer le phénotype cellulaire et ainsi traiter des maladies comme le cancer. En effet, les anomalies du profil épigénétique sont impliquées dans l'initiation et la progression du cancer, ainsi en les modulant chimiquement il est possible de reprogrammer les cellules cancéreuses vers un état moins agressif, sensible aux chimiothérapies et aux immunothérapies. En utilisant plusieurs stratégies chimiques, nous avons développé de nouveaux inhibiteurs de la méthylation de l’ADN qui sont capables de déméthyler les promoteurs de gènes suppresseurs de tumeurs dans les cellules cancéreuses et réactiver leur expression. De plus, nous avons appliqué les mêmes stratégies chimiques pour moduler la méthylation des histones.

Questions - Réponses - Commentaires

Claude Monneret (Q) : il y a deux types d’oncogènes dans un cancer, les inhibiteurs des cancers et les vrais oncogènes. Les oncogènes sont-ils aussi méthylés et comment expliquer la sélectivité sur les suppresseurs de tumeur ?

(R) : très peu d’oncogènes sont régulés par méthylation, mais quelques-uns le sont et peuvent être réactivés dans certains cancers. Les gènes suppresseurs de tumeurs sont quant à eux régulés par méthylation. Je pense que les partenaires protéiques jouent un rôle majeur, soit en se fixant sur une séquence (empêchant ainsi la méthylation) ou en dirigeant l’ADN.

Patrick Dallemagne (Q) : qu’en est-il du comportement pharmacocinétique de vos inhibiteurs de DNMT (DNA MethylTransferase) compte-tenu de leur poids moléculaire important ?

(R) : un inhibiteur est disponible per os et est testé actuellement in vivo.

Robert Dante (Q) : dans vos essais de réactivation de gènes, avez-vous observé la réexpression de gènes qui pouvaient devenir des cibles pour des thérapies immunologiques ?

(R) : oui, tout à fait. La cascade PD-L1 (Programmed death-ligand 1) est directement régulée par méthylation provoquant une réactivation de la voie immunitaire.

Christiane Garbay (Q) : pour quelle raison n’utilisez-vous pas de combinaisons sur les souris et pourquoi utilisez-vous des bi-substrats (moins bon passage, moins solubles) ?

(R) : nous avons utilisé des bi-substrats en testant quatre stratégies en espérant pouvoir obtenir une molécule finale plus simple pharmacologiquement. Nous avons ainsi été les premiers à obtenir un bi-substrat qui est efficace alors que la DNMT est difficile à inhiber.

Nous menons actuellement sur les souris les premiers essais d’extraits naturels obtenus par criblage moléculaire et testons aussi des combinaisons.

Christiane Garbay (Q) : avez-vous expérimenté des inhibiteurs d’interactions protéine-protéine comme ceux proposés par la banque de Patrick Dallemagne ?

(R) : nous avons déjà criblé la banque de Xavier Morelli mais nous devons au préalable déterminer les partenaires protéiques essentiels.

« Épigénétique et réponses aux impacts de l’environnement » (20 min + 5 min Q/R)

Claudine Junien, Professeur émérite de Génétique Médicale, UVSQ - Biologie du Développement et Reproduction, INRA, UMR1198, Jouy en Josas.

Diapositives présentées

Les approches pour lutter contre le fléau des maladies chroniques qui augmentent dans le monde entier se révèlent très coûteuses et souvent infructueuses. Il est maintenant possible à condition d’intervenir très tôt en agissant sur le risque et non lorsque la maladie est déjà apparue, d'envisager une prévention efficace en adoptant le nouveau paradigme des Origines du Développement de la Santé et des Maladies (DOHaD). Ce concept est largement reconnu grâce à des études épidémiologiques et des études animales. Les influences des facteurs environnementaux - nutrition, stress, psycho-affectifs, toxiques, bactériens et physiques - sur les processus épigénétiques représentent une révolution. En effet, les modifications épigénétiques conservent la mémoire des impacts de facteurs environnementaux auxquels un individu est soumis tout au long de sa vie. Une période cruciale est le développement précoce, pré et postnatal, les 1000 jours ; cruciale parce que l’épigénome est particulièrement sensible aux effets de l'environnement, permettant à l'individu de construire son capital santé pour répondre plus ou moins bien aux aléas de la vie. L'existence de mécanismes non génétiques et non culturels capables de transférer la mémoire des expériences/expositions à des facteurs environnementaux parentaux et qui conditionnent la réactivité des générations suivantes à différents environnements au cours de leur vie suscite un intérêt grandissant. L’idée selon laquelle des marques épigénétiques non effacées lors des phases de reprogrammation est actuellement très en vogue, voire considérée à tort comme acquise malgré la rareté des exemples probants. Cependant, des questions fondamentales subsistent quant à la nature, aux rôles et à l'impact des marques et des mécanismes épigénétiques, des ARN non codants ou d'autres mécanismes et à leur persistance au cours des générations. Un modèle intégrant ces différents systèmes, leurs interactions avec l'environnement et les fenêtres de développement de la sensibilité selon le sexe du parent et de l'enfant reste à construire. Sur la base de la malléabilité des mécanismes épigénétiques sous-jacents, la réversibilité des marques environnementales ouvre de nouvelles perspectives. Cependant, comment les facteurs conférant une susceptibilité accrue ou une résilience vis-à-vis du développement des maladies agissent et influencent les mécanismes épigénétiques reste à élucider. Si la mémoire des expériences/expositions à des facteurs environnementaux est effectivement transmissible, le principal défi pour l'individu, et surtout pour les pouvoirs publics, est d'être en mesure d'éviter ceux qui posent des risques pour la descendance. Ces données peuvent déplacer le curseur des responsabilités en matière de soins de santé, de la sphère privée à la sphère socio-géographico-politique.

The existence of non-genetic and non-cultural mechanisms that transfer information on the memory of parental exposures to various environments, determining the reactivity of the following generations to their environments during their life, are of growing interest. Yet fundamental questions remain about the nature, the roles and relative importance of epigenetic marks and processes, non-coding RNAs, or other mechanisms, and their persistence over generations. A model incorporating the various transmission systems, their cross-talks and windows of susceptibility to the environment as a function of sex/gender of parent and offspring, has yet to be built.  According to the new paradigm of the Developpemental Origins of Health and Disease (DOHaD), the environmental factors to which an individual is exposed throughout his life can leave an epigenetic footprint on the genome. A crucial period is the early development, where the epigenome is particularly sensitive to the effects of the environment, and during which the individual builds up his health capital that will enable him to respond more or less well to the vagaries of life. The research challenge is to decipher the modes of action and the epigenetic mechanisms put into play by environmental factors that lead to increased disease susceptibility or resilience. The challenge for health is to translate these scientific discoveries into action through, among others, the establishment of preventive recommendations to slow down the growing incidence of non communicable diseases.

Questions - Réponses - Commentaires

Christiane Garbay (Q) : ma question porte sur l’épigénétique et la couleur de la peau. Comment expliquer que la fille de Mickael Jackson qui était noir soit blanche ?

(R) : était-il vraiment le père ?

Conclusions et recommandations par Serge Braun, membre de l’Académie nationale de Pharmacie