Les gènes sont-ils notre destin ?

15 septembre

Les gènes sont-ils notre destin ?

Les scientifiques de Salk découvrent que le code « caché » dans l'ADN évolue plus rapidement que le code génétique

15 septembre

LA JOLLA, CA — Un code « caché » lié à l’ADN des plantes leur permet de développer et de transmettre de nouveaux traits biologiques beaucoup plus rapidement qu’on ne le pensait auparavant, selon les conclusions d’une étude révolutionnaire menée par des chercheurs du Salk Institute for Biological Studies.

L'étude, publiée aujourd'hui dans la revue Science, fournit la première preuve que le code « épigénétique » d’un organisme – une couche supplémentaire d’instructions biochimiques dans l’ADN – peut évoluer plus rapidement que le code génétique et peut fortement influencer les traits biologiques.

Bien que l’étude se soit limitée à une seule espèce végétale appelée Arabidopsis thaliana, l’équivalent du rat de laboratoire du monde végétal, les résultats suggèrent que les caractéristiques d’autres organismes, y compris les humains, pourraient également être considérablement influencées par des mécanismes biologiques que les scientifiques commencent tout juste à comprendre.

« Notre étude montre que tout n’est pas dans les gènes », a déclaré Joseph Ecker, professeur au laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire végétale de Salk, qui a dirigé l'équipe de recherche. « Nous avons découvert que ces plantes possèdent un code épigénétique plus flexible et influent que nous l'imaginions. Il existe clairement une composante d'hérédité que nous ne comprenons pas entièrement. Il est possible que nous, les humains, possédions un mécanisme épigénétique tout aussi actif qui contrôle nos caractéristiques biologiques et se transmet à nos enfants. »

Avec l'avènement des techniques permettant de cartographier rapidement l'ADN des organismes, les scientifiques ont découvert que les gènes contenus dans le code ADN à quatre lettres ne déterminent pas toujours le développement et la réaction d'un organisme à son environnement. Plus les biologistes cartographient les génomes de divers organismes (l'intégralité de leur code génétique), plus ils découvrent des divergences entre ce que le code génétique dicte et l'apparence et le fonctionnement réels des organismes.

En fait, nombre des découvertes majeures ayant mené à ces conclusions reposaient sur des études sur les plantes. Chez certaines plantes, des caractéristiques telles que la forme des fleurs et la pigmentation des fruits sont contrôlées par ce code épigénétique. Ces caractéristiques, qui défient les prédictions de la génétique mendélienne classique, se retrouvent également chez les mammifères. Chez certaines souches de souris, par exemple, une tendance à l'obésité peut se transmettre de génération en génération, mais aucune différence entre le code génétique des souris obèses et des souris minces n'explique cette différence de poids.

Les scientifiques ont même découvert que des jumeaux identiques présentent des caractéristiques biologiques différentes, malgré la correspondance de leurs séquences d'ADN. Ils ont émis l'hypothèse que ces disparités inexpliquées pourraient être le résultat de variations épigénétiques.

« Étant donné qu’aucun de ces modèles de variation et d’hérédité ne correspond à ce que la séquence génétique indique comme devant se produire, il y a clairement une composante de l’héritabilité « génétique » qui manque », a déclaré Ecker.

Ecker et d'autres scientifiques ont relié ces schémas mystérieux à des marqueurs chimiques qui agissent comme une couche de contrôle génétique au-dessus de la séquence d'ADN. Tout comme les mutations génétiques peuvent survenir spontanément et être transmises aux générations suivantes, les mutations épigénétiques peuvent apparaître chez des individus et se propager à l'ensemble de la population.

Bien que les scientifiques aient identifié un certain nombre de traits épigénétiques, on en savait très peu sur la fréquence à laquelle ils apparaissaient spontanément, la rapidité avec laquelle ils pouvaient se propager dans une population et l’influence significative qu’ils pouvaient avoir sur le développement et la fonction biologiques.

« La perception de l'ampleur de la variation épigénétique des plantes d'une génération à l'autre varie considérablement au sein de notre communauté scientifique », a déclaré Robert Schmitz, chercheur postdoctoral au laboratoire d'Eckers et auteur principal de l'article. « Nous avons mené l'expérience et constaté que globalement, il y a très peu de changements entre chaque génération, mais que des épimutations spontanées existent dans les populations et se produisent à un rythme bien supérieur à celui des mutations de l'ADN, et qu'elles ont parfois une influence considérable sur l'expression de certains gènes. »

Dans leur étude, les chercheurs de Salk et leurs collaborateurs du Scripps Research Institute ont cartographié l'épigénome d'une population d'Arabidopsis, puis observé l'évolution de ce paysage biochimique après 30 générations. Cette cartographie consistait à enregistrer l'état de tous les sites de la molécule d'ADN susceptibles de subir une modification chimique appelée méthylation, un changement épigénétique clé pouvant modifier l'expression de certains gènes sous-jacents. Ils ont ensuite observé l'évolution de l'état de méthylation de ces sites au fil des générations.

Les plantes étaient toutes des clones d'un même ancêtre ; leurs séquences d'ADN étaient donc essentiellement identiques d'une génération à l'autre. Ainsi, toute modification de l'expression de certains traits génétiques par les plantes était probablement le résultat de modifications spontanées de leur code épigénétique – variations de la méthylation des sites d'ADN – et non de variations des séquences d'ADN sous-jacentes.

« Ce genre d'étude est impossible chez l'humain, car notre ADN est remanié à chaque génération », a expliqué Ecker. « Contrairement aux humains, certaines plantes sont facilement clonables, ce qui nous permet d'observer la signature épigénétique sans tout le bruit génétique. »

Les chercheurs ont découvert que jusqu'à quelques milliers de sites de méthylation sur l'ADN des plantes étaient altérés à chaque génération. Bien que cela ne représente qu'une faible proportion des six millions de sites de méthylation estimés présents sur l'ADN d'Arabidopsis, cela éclipse d'environ cinq ordres de grandeur le taux de changement spontané observé au niveau de la séquence d'ADN.

Cela suggère que le code épigénétique des plantes – et d’autres organismes, par extension – est beaucoup plus fluide que leur code génétique.

Plus surprenant encore était l'ampleur de l'activation ou de la désactivation de certains gènes par certains de ces changements. Plusieurs gènes végétaux ayant subi des modifications héréditaires de la méthylation ont également connu des altérations substantielles de leur expression – le processus par lequel les gènes contrôlent la fonction cellulaire via la production de protéines.

Cela signifiait non seulement que l’épigénome des plantes se transformait rapidement malgré l’absence de forte pression environnementale, mais que ces changements pouvaient avoir une influence puissante sur la forme et la fonction des plantes.

Ecker a déclaré que les résultats de l'étude fournissent l'une des premières preuves que le code épigénétique peut être réécrit rapidement et avec des effets spectaculaires. « Cela signifie que les gènes ne sont pas une fatalité », a-t-il déclaré. « Si nous ressemblons à ces plantes, notre épigénome pourrait également subir des changements spontanés relativement rapides, susceptibles d'avoir une influence considérable sur nos caractéristiques biologiques. »

Maintenant qu’ils ont montré dans quelle mesure les mutations épigénétiques spontanées se produisent, les chercheurs de Salk prévoient de démêler les mécanismes biochimiques qui permettent à ces changements de se produire et de se transmettre d’une génération à l’autre.

Ils espèrent également explorer comment différentes conditions environnementales, telles que les différences de température, pourraient entraîner des changements épigénétiques chez les plantes ou, à l’inverse, si les traits épigénétiques offrent aux plantes plus de flexibilité pour faire face aux changements environnementaux.

« Nous pensons que ces événements épigénétiques pourraient désactiver des gènes lorsqu'ils ne sont pas nécessaires, puis les réactiver lorsque les conditions extérieures l'exigent », a déclaré Ecker. « Nous ne connaîtrons l'importance de ces épimutations qu'une fois que nous aurons mesuré leur effet sur les caractères des plantes, et nous en sommes seulement au stade où nous pouvons réaliser ces expériences. C'est très stimulant. »

La recherche est soutenue par la National Science Foundation, les National Institutes of Health, le Howard Hughes Medical Institute, la Fondation Gordon et Betty Moore et la Fondation Mary K. Chapman.

À propos du Salk Institute for Biological Studies :
Le Salk Institute for Biological Studies est l'un des principaux instituts de recherche fondamentale au monde. Des professeurs de renommée internationale y explorent des questions fondamentales des sciences de la vie dans un environnement unique, collaboratif et créatif. Axés à la fois sur la découverte et sur l'encadrement des futures générations de chercheurs, les scientifiques du Salk contribuent de manière révolutionnaire à notre compréhension du cancer, du vieillissement, de la maladie d'Alzheimer, du diabète et des maladies infectieuses en étudiant les neurosciences, la génétique, la biologie cellulaire et végétale, et les disciplines connexes.

Les réalisations de ses professeurs ont été récompensées par de nombreuses distinctions, dont des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par le Dr Jonas Salk, pionnier du vaccin contre la polio, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.