Le fait de veiller tard aura-t-il un impact sur la prochaine génération ?

Pourquoi les cellules nerveuses ne se transforment-elles pas en globules rouges ?

Nos vies naissent d'un ovule fécondé et forment progressivement un individu composé d'environ 200 types de cellules différentes (dont des cellules nerveuses, des cellules musculaires, des cellules sanguines, etc.). Le processus de formation de différents types de cellules à partir d’un ovule fécondé est appelé différenciation cellulaire.

En 1942, Waddington a proposé pour la première fois le concept de « paysage épigénétique » en relation avec le processus de différenciation cellulaire. Ce concept souligne que le processus de différenciation cellulaire est similaire au processus d’une petite balle glissant du sommet d’une montagne jusqu’au pied d’une montagne. La petite boule au sommet d'une montagne peut avoir plusieurs choix quant au chemin qu'elle emprunte pour glisser vers le bas. Différentes voies correspondent au processus de différenciation de différents types de cellules. De plus, Waddington pensait que le processus de différenciation cellulaire était un processus à sens unique et irréversible. Une fois que la balle atteint le bas de la colline, elle ne peut plus aller ailleurs, par exemple, une cellule nerveuse ne se transformera pas en globule rouge.

Cependant, les mécanismes sous-jacents du « paysage épigénétique » n’étaient pas clairs à l’époque. À cet égard, les scientifiques ont proposé deux hypothèses : l’une est que lorsque les cellules se différencient, certains gènes peuvent être définitivement perdus dans les cellules ; L'autre hypothèse est que l'ADN dans les cellules n'est pas perdu, mais l'expression de certains gènes est désactivée, ce qui entraîne l'incapacité de ces informations génétiques à être décodées en protéines et à exercer des fonctions biologiques.

John Gordon a réalisé la célèbre expérience de transplantation nucléaire sur une grenouille à griffes en 1958, prouvant ainsi la deuxième hypothèse. Il a transplanté le noyau des cellules épithéliales de l'intestin grêle de la grenouille à griffes dans un ovule dont le noyau a été retiré, et la cellule s'est finalement développée avec succès en un individu complet de grenouille à griffes. Ce phénomène expérimental prouve que le noyau des cellules différenciées possède une information génétique complète et peut se développer en un individu complet. Dans le même temps, il a suggéré que le processus de différenciation cellulaire n’est pas causé par la perte de gènes dans les cellules, mais par l’arrêt de l’expression de certains gènes inutiles dans les cellules.

En gardant les informations ADN inchangées, la fonction ou les caractéristiques de la cellule peuvent être modifiées en changeant l'état de décodage des informations génétiques. C’est le principe sous-jacent de ce que nous appelons aujourd’hui « l’épigénétique ».

Comment se produit l’hérédité épigénétique ? Modifier, modifier, modifier

Au niveau physique, l’épigénétique peut être simplement comprise comme des modifications chimiques supplémentaires sur ou autour de l’ADN. Alors, quelles modifications chimiques liées à l’épigénétique peuvent affecter l’état de décodage des gènes dans les cellules ?

Les cellules humaines contiennent 46 chromosomes (23 paires). Les chromosomes sont principalement composés d’ADN et de protéines appelées histones. L'ADN est d'abord enroulé autour d'un octamère composé de huit histones pour former une structure de nucléosome. De nombreux nucléosomes sont connectés en série dans une structure linéaire, qui est ensuite pliée et comprimée de diverses manières pour former des chromosomes.

Si la structure linéaire du nucléosome est comparée à la laine, le chromosome est un pull. En fait, sur chaque pull chromosomique, en plus de la laine, il y a diverses décorations - différents types de modifications chimiques. Certaines de ces modifications chimiques sont héritées, tandis que d’autres se forment progressivement sous l’influence de l’environnement acquis. Ces modifications chimiques agissent comme des feux de circulation pour l’expression des gènes, indiquant aux cellules quels gènes doivent être exprimés et quels gènes n’ont pas besoin de l’être.

Dans la modification de méthylation de l'ADN, le groupe méthyle est inséré sur la base de l'ADN comme une étiquette, ce qui indique à la « machinerie de transcription » de ne pas s'approcher et empêche les gènes de l'ADN d'être décodés en protéines. Il existe également diverses modifications chimiques sur les histones des nucléosomes, notamment l'acétylation, la méthylation, la phosphorylation, etc. S'il y a un grand nombre de modifications de méthylation sur les histones, les chromosomes apparaîtront denses, comme une pelote de laine, rendant impossible l'approche par la « machinerie de transcription » des gènes qui s'y trouvent, et ces gènes ne seront pas exprimés. Mais si l’histone contient une grande quantité de modifications d’acétylation. Le chromosome correspondant sera alors dans un état lâche et la « machinerie de transcription » pourra facilement s'approcher des gènes qui s'y trouvent et exprimer la protéine.

Prenons l’exemple de la méthylation de l’ADN régulant l’expression des gènes : l’inactivation du chromosome X et les chats calico.

Le sexe des mammifères est déterminé par les chromosomes sexuels X et Y. Les mâles ont un chromosome X et un chromosome Y, tandis que les femelles ont deux chromosomes X.

Il existe des milliers de gènes répartis sur le chromosome X. Si les gènes des deux chromosomes X sont exprimés dans les cellules femelles, alors les cellules femelles contiendront deux fois plus de protéines codées par le gène du chromosome X que les cellules mâles. De telles conséquences peuvent être catastrophiques pour la cellule. En fait, l’expression des protéines associées aux gènes du chromosome X dans les cellules femelles était comparable à celle des cellules mâles. Quel mécanisme la cellule utilise-t-elle pour obtenir une compensation de dosage de l’expression du gène du chromosome X ?

Des recherches scientifiques montrent que dans les cellules féminines, l’un des deux chromosomes X devient inactivé, ce qui entraîne le silence des gènes du chromosome X inactivé et leur incapacité à exprimer des protéines. Cette inactivation du chromosome X est médiée par la méthylation de l’ADN.

Les chats calico que nous voyons dans la vie quotidienne ont une fourrure noire, blanche et jaune, et les chats calico sont souvent des femelles. Ce phénomène de couleur de fourrure est étroitement lié à l’inactivation du chromosome X.

La raison interne spécifique est que le gène qui contrôle la couleur du pelage jaune et noir est situé sur le chromosome X du chat ; tandis que la couleur du pelage du ventre du chat est généralement blanche, ce qui est régulé par le gène albinos, qui est situé sur l'autosome. Étant donné que les chats mâles n'ont qu'un seul chromosome X, ils portent soit le gène de la couleur du pelage jaune, soit le gène de la couleur du pelage noir. Les chats mâles ont donc principalement une couleur de pelage jaune et blanche ou noire et blanche. Les chattes portent deux chromosomes X. Sous l'action de la méthylation de l'ADN, l'un des deux chromosomes X sera inactivé de manière aléatoire, et la plupart des gènes du chromosome X inactivé ne pourront pas compiler de protéines.

Si une chatte possède deux chromosomes X, l'un d'eux porte le gène de la couleur du pelage jaune et l'autre porte le gène de la couleur du pelage noir. Sous l'influence de l'inactivation aléatoire du chromosome X, certaines cellules inactivent le chromosome X où se trouve le gène de la couleur de la robe jaune, et certaines cellules inactivent le chromosome X où se trouve le gène de la couleur de la robe noire. De plus, l’effet du gène albinos sur les autosomes conduit finalement à la coexistence de couleurs de pelage jaune, noir et blanc chez les chattes. Par conséquent, la méthylation de l’ADN affecte les propriétés des cellules principalement en empêchant l’expression des gènes au sein des cellules.

Nous ressemblons beaucoup à nos parents parce que nos parents nous ont transmis leurs gènes. Les informations épigénétiques de nos parents nous seront-elles donc transmises ? La réponse est oui.

Le moyen de transmission de l’information génétique est constitué par les cellules germinales. Nos individus se développent à partir de l’ovule fécondé obtenu après la fécondation d’un spermatozoïde et d’un ovule. Les parents transmettent des informations génétiques à leur progéniture par l’intermédiaire des spermatozoïdes et des ovules respectivement. Après la fécondation, bien que les modifications épigénétiques sur les chromosomes des parents subissent un effacement ou un rétablissement drastique pour parvenir à un développement normal de l'embryon, certaines informations épigénétiques seront héritées des parents et conservées.

L’empreinte génétique en est un exemple classique. Nous, les humains, sommes des organismes diploïdes, ce qui signifie que nous avons deux copies de chaque gène, une de notre père et une de notre mère. Dans une classe de gènes appelés gènes imprimés, certains gènes proviennent du père et sont exprimés tandis que le gène de la mère est silencieux, tandis que d'autres gènes proviennent de la mère et sont exprimés tandis que le gène du père est silencieux. Ce phénomène est appelé empreinte génétique. Il a été démontré que l’empreinte génétique est associée à la méthylation de l’ADN. Lorsque l’ADN qui régule l’expression d’un gène imprimé est méthylé chez l’un des parents, le gène de ce parent est réduit au silence. Dans l’ovule fécondé, les informations de méthylation de l’ADN liées à l’empreinte génétique des parents sont héritées et conservées. De plus, chez le poisson zèbre, les embryons de la progéniture héritent complètement du modèle de méthylation de l’ADN de leur père.

Nous pouvons maintenant répondre à ces questions.

À mesure que notre compréhension des mécanismes épigénétiques s’approfondit, les réponses à de nombreuses questions deviennent plus claires. Par exemple, les différences entre les jumeaux, la nature génétique du vieillissement et l’impact de l’environnement sur les gènes.

Les jumeaux identiques ont les mêmes informations ADN, mais ils sont très différents l’un de l’autre. Les chercheurs ont découvert que les niveaux de diverses modifications chimiques sur les chromosomes étaient très similaires entre des jumeaux identiques lorsqu'ils avaient 3 ans, mais les différences devenaient significativement plus importantes lorsqu'ils avaient 50 ans. Ce résultat montre également que même lorsque les gènes sont identiques ou similaires, l’environnement de vie acquis ou les habitudes de vie modifieront considérablement l’état épigénétique des cellules, affecteront le modèle d’expression des gènes et affecteront ainsi l’état de santé du corps.

Au cours du processus de vieillissement, les états épigénétiques subissent également des changements importants. Par rapport aux cellules jeunes, l'expression des histones, la méthylation de l'ADN, les niveaux de modification des histones, en particulier les niveaux de modification inhibitrice des histones dans les cellules anciennes sont considérablement diminués, tandis que les niveaux de certaines modifications activatrices des histones sont considérablement augmentés, ce qui entraîne une expression génétique désordonnée dans les cellules anciennes et une activation génétique anormale.

Les souris mâles nourries avec un régime riche en graisses à long terme présenteront des symptômes tels qu'une prise de poids et une obésité, accompagnées de manifestations liées au diabète telles qu'une intolérance au glucose et une résistance à l'insuline. L'état épigénétique de leurs spermatozoïdes a également changé, avec un niveau global de méthylation de l'ADN dans les spermatozoïdes considérablement réduit et une méthylation de l'ADN de certains gènes liée à des anomalies du développement embryonnaire. Si des souris mâles nourries avec un régime riche en graisses sont accouplées avec des souris femelles nourries avec un régime normal, la progéniture ne présentera pas de symptômes d'obésité, mais elle présentera une sécrétion anormale d'insuline et une intolérance au glucose lors du test de tolérance au glucose.

Pourquoi les descendants femelles de souris mâles nourries avec un régime riche en graisses présentent-ils une intolérance au glucose ? Un mécanisme sous-jacent possible est que la méthylation de l'ADN du gène Il13ra2 dans les îlots pancréatiques des souris femelles diminue, conduisant à une augmentation significative de l'expression du gène Il13ra2 et provoquant finalement des anomalies dans les cellules β des îlots pancréatiques. On peut en déduire que les habitudes alimentaires quotidiennes modifient non seulement notre propre état épigénétique, mais peuvent également affecter la santé des générations futures par le biais de l’épigénétique.

De plus, de graves problèmes de sommeil pourraient-ils affecter notre épigénétique ? La technologie moderne a apporté beaucoup de commodité à nos vies. Cependant, en raison de la pression au travail, du stress mental et de certaines mauvaises habitudes comme regarder son téléphone portable et jouer à des jeux avant d’aller se coucher, plus de 300 millions de personnes dans mon pays souffrent de troubles du sommeil. Les travaux sur les souris et les humains fournissent quelques indices.

Chez les souris privées de sommeil, les niveaux d'expression des ADN méthyltransférases Dnmt3a1 et Dnmt3a2, impliquées dans l'établissement de la méthylation de l'ADN, ont augmenté de manière significative, suggérant que la perte de sommeil peut provoquer une augmentation de la méthylation de l'ADN. Une étude sur des jumeaux a révélé que les jumeaux ayant des habitudes de sommeil et de sommeil différentes présentaient des modèles de méthylation de l’ADN différents. Parmi les jumeaux, les niveaux de méthylation de l'ADN d'environ 50 gènes ont été modifiés chez les dormeurs les plus courts par rapport aux dormeurs les plus longs. Après une nuit d’insomnie, les niveaux de méthylation de l’ADN de certains gènes liés au rythme circadien et au métabolisme augmenteront. Les troubles du sommeil affectent non seulement la méthylation de l’ADN, mais conduisent également à des modifications anormales des histones, notamment l’acétylation des histones.

En général, l’épigénétique peut réguler les caractéristiques biologiques des cellules et des individus en régulant l’état d’expression des gènes sans modifier les informations de séquence d’ADN. Elle est influencée par notre environnement de vie et même par les habitudes de vie de nos parents, ainsi que par leurs habitudes de travail, de repos et d’alimentation. Il modifie l’état épigénétique des cellules humaines, affecte l’expression normale des gènes et est directement lié à notre santé physique.

Enfin, répondons à quelques questions sur l’épigénétique.

Q1

Lamarck a déclaré : « Le cou de la girafe est devenu plus long parce qu'elle avait besoin de l'étirer fréquemment pour manger les feuilles des grands arbres. » Est-ce que cela a quelque chose à voir avec l’épigénétique ?

Dans une certaine mesure, la théorie de Lamarck est liée à l’hérédité épigénétique, qui souligne que les facteurs environnementaux peuvent affecter les caractéristiques des organismes et peuvent être transmis à la progéniture. Mais la découverte de l’épigénétique ne prouve pas que la théorie lamarckienne soit correcte.

Q2

Quels sont les sujets brûlants de la recherche épigénétique à l’heure actuelle ?

1. Comment l’information épigénétique est-elle héritée à travers les générations ?

2. Quel est le mécanisme épigénétique par lequel un ovule fécondé se développe en un individu ?

3. Quelles sont les nouvelles modifications épigénétiques ? Quelles protéines importantes interviennent dans l’établissement et l’effacement de ces modifications épigénétiques ?

Q3

Quels problèmes peuvent être résolus en étudiant l’épigénétique ?

1. Améliorer l’efficacité du clonage des cellules somatiques et promouvoir le développement de la technologie des cellules souches.

2. Expliquer le mécanisme d’apparition de la maladie du point de vue du mécanisme épigénétique et aider au développement de médicaments associés.

3. Réaliser la différenciation dirigée des cellules souches et obtenir des types spécifiques de cellules.