Cours 2 – Maladies génétiques et empreinte génomique parentale

Ces quatre cours ont porté sur une série de maladies où le phénomène épigénétique d’empreinte parentale joue un rôle capital : syndromes de Prader-Willi et d’Angelman, et syndromes de Beckwith-Wiedemann et Silver-Russell. Le rôle éventuel et moins établi de l’empreinte parentale dans la variabilité phénotypique des syndromes de Turner et Klinefelter a également été évoqué, ainsi que les travaux suggérant un effet modeste mais réel de la procréation médicalement assistée sur le risque de maladies liées à l’empreinte génomique. En introduction, j’ai rappelé que la notion d’empreinte parentale est dérivée de travaux d’embryologie expérimentale et de génétique sur la souris, menés par A. Surani, D. Solter et B. Cattanach, et publiés en 1984-85, montrant la non-équivalence des génomes autosomiques paternels et maternels. Ce domaine de recherche est devenu très actif à partir des années 1990, avec l’identification de régions homologues du génome soumises à empreinte parentale chez la souris et l’homme, et leur implication dans des pathologies génétiques humaines. Des recherches fondamentales visent à étudier les mécanismes d’établissement et d’effacement de l’empreinte, impliquant notamment des enzymes de méthylation de l’ADN (Dnml1, Dnmt3a et 3L). D’autres travaux plus théoriques analysent le rôle évolutif de ce mécanisme chez les mammifères, avec notamment l’hypothèse du conflit darwinien parental, énoncée initialement en 1991 par T. Moore et D. Haig, concernant la croissance de l’embryon, l’échange de nutriments entre mère et fœtus, et peut être aussi le comportement maternel vis-à-vis des nouveau-nés. L’essentiel de cette série de cours a porté sur les mécanismes en cause dans les quatre pathologies citées ci-dessus, impliquant deux régions du génome soumises à empreinte parentale chez l’homme et la souris.

Les syndromes de Prader-Willi et d’Angelman sont des maladies neurodéveloppementales très dissemblables et pourtant, elles peuvent être causées par les mêmes mécanismes (délétion ou disomie uniparentale), mais conduisant dans le cas de Prader-Willi à l’absence d’une copie paternelle de la région impliquée du chromosome 15 (15q11.2-q13), et, dans le cas d’Angelman, par l’absence de la copie maternelle. Mais si le syndrome d’Angelman est lié à une anomalie d’expression d’un seul gène dans cette région (UBE3A, codant pour une ubiquitine protéine ligase), la situation est plus complexe pour celui de Prader-Willi, impliquant un cluster de gènes codant pour des snoRNAs (small nucleolar RNAs), mais peut-être aussi du gène codant pour la protéine necdine, tous présents dans cette région. Les travaux, tant chez l’homme que chez la souris, ont mis en évidence l’importance majeure d’un centre de contrôle de l’empreinte (ICR) dans cette région et de l’expression d’ARN antisens de grande taille. Des résultats majeurs concernant ces mécanismes ont été obtenus par la comparaison de lésions génomiques particulières chez des patients, et de modèles souris spécifiques obtenus par recombinaison homologue. Là aussi, la possibilité récente de créer des cellules souches pluripotentes (iPSC) à partir de fibroblastes de patients apporte de nouveaux outils très prometteurs.

Les cours 3 et 4 ont porté principalement sur deux autres maladies avec des phénotypes cliniques opposés (en miroir) liés à des anomalies génétiques ou épigénétiques touchant la région 11p15 (équivalente à la région distale du chromosome 7 de la souris). Le syndrome de Beckwith-Wiedemann est un syndrome de croissance excessive avec des anomalies de développement (notamment omphalocèle) et prédisposant à des tumeurs d’origine embryonnaire. Il est lié dans 2/3 des cas à des anomalies épigénétiques (épimutations) de cette région, mais peut être aussi causé par une isodisomie uniparentale paternelle, des microdélétions ou des duplications, et par des mutations du gène CDKN1C, gène majeur pour les mécanismes physiopathologiques. Le syndrome de Silver-Russell associe un retard de croissance débutant en période anténatale et une asymétrie fréquente des membres. Il est lié dans une forte proportion des cas à des anomalies de méthylation du gène H19 correspondant à un long ARN non-codant, mais il peut être aussi causé par une isodisomie uniparentale maternelle ou par des microduplications maternelles. Curieusement, alors que l’implication du locus 11p15 dans le syndrome de Beckwith-Wiedemann était connue depuis 1983, il a fallu attendre les travaux de C. Gicquel et Y. Le Bouc en 2005 pour réaliser que cette région était également impliquée dans la moitié des cas de syndrome de Silver-Russell. La régulation de l’expression des gènes et de l’effet des empreintes parentales est d’une complexité extrême, qui a été détaillée dans le cours, faisant intervenir des gènes à expression sur le chromosome maternel (H19, CDKN1C) ou paternel (un très long ARN antisens KCNQ1OT1, et IGF2 codant pour un facteur de croissance), deux centres de régulation d’empreinte (IC1 et IC2), l’action de la protéine CTCF qui a un effet majeur sur la structure de la chromatine. Les travaux ont bénéficié de la grande homologie structurale et fonctionnelle entre le locus humain et le locus murin homologue. Le gène H19 avait été identifié chez la souris en 1990 comme correspondant à un transcrit ARN non codant très abondant et soumis à empreinte parentale, mais dont la fonction est restée inconnue jusqu’à des travaux récents montrant qu’il agit comme réservoir d’un microARN miR-675 impliqué dans la régulation de la croissance placentaire (Cai et al., 2007 et surtout Keniry et al., 2012). Les caractéristiques fonctionnelles et évolutives de cette région correspondent bien à l’hypothèse du « conflit parental ». Un aspect plus appliqué, qui a suscité de grandes inquiétudes, a été initié par des observations épidémiologiques indiquant une plus grande fréquence de syndrome de Beckwith-Wiedemann associé aux techniques de procréation médicalement assistée (lié à une hypométhylation localisée de l’allèle maternel). Ceci avait généré des inquiétudes quant à un effet possible sur d’autres pathologies liées à l’empreinte qui n’a pas été confirmé. Le cours s’est clos sur la discussion de possibles effets d’empreinte parentale touchant le chromosome X sur l’expression de phénotypes, notamment comportementaux, chez les patients atteints de syndrome de Turner (45 X) ou de Klinefelter (47XXY). Toutefois, après une publication (Skuse et al., Nature 1997) qui avait suscité beaucoup d’intérêt et de discussions, et la découverte en 2005 de gènes du chromosome X de souris pouvant correspondre à un tel mécanisme (mais non retrouvés chez l’homme), il s’agit actuellement d’un domaine controversé avec des résultats apparaissant contradictoires.