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Médecine/Science
| Avril 2005 | Volume 21 | n° 4
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Épigénétique : la paramécie comme modèle d’étude
Epigenetics : Paramecium as a model system
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Si la paramécie apparaît comme un modèle de choix pour analyser les composantes épigénétiques de l’hérédité, cela tient sans doute à sa complexité structurale et fonctionnelle qui en fait une sorte de métazoaire non cellularisé. Ses deux caractéristiques les plus atypiques, en effet, sont la complexité de son organisation corticale - offrant une énorme amplification des structures centriolaires qui n’existent ailleurs qu’en deux exemplaires par cellule - et son dualisme nucléaire, avec un micronoyau diploïde à fonction germinale et un macronoyau très polyploïde, dérivé du micronoyau, mais contenant un génome « simplifié » dédié à la transcription. Cet article tente de décrire comment l’analyse génétique de caractères touchant justement à ces particularités - l’organisation du cortex et l’expression de fonctions macronucléaires - a conduit à mettre en évidence le rôle, dans l’hérédité cellulaire chez la paramécie, de trois composantes : génome, transcriptome et « structurome », trilogie qui a quelques chances d’avoir une signification biologique, voire évolutive, générale.
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Since the middle of the last century, Paramecium has appeared as an intriguing genetic model, displaying a variety of heritable characters which do not follow the Mendel laws but are cytoplasmically inherited. The analysis of the hereditary mechanisms at play in this eukaryotic unicellular organism has provided new insight into epigenetics mechanisms. Interestingly, the revealing phenomena concern two pecularities of Paramecium, its highly elaborate surface structure (with thousands of ciliary basal bodies as cytoskeleton organizers), and its nuclear dualism (coexistence of a diploid « germline » micronucleus and a highly polyploid somatic macronucleus devoted to transcription, which contains a rearranged version of the germline genome). Analysis of variant cortical organization has led to the concept of structural inheritance, implying that assembly of new organelles and supramolecular protein complexes is guided by pre-existing organization. Analysis of other cytoplasmically inherited characters revealed that the developing macronucleus is epigenetically programmed by the maternal macronucleus through RNA-mediated, homology-dependent effects, suggesting the transcriptome should be recognized as a third actor in cellular inheritance, along with the « structurome » and the genome.
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Il y a plus de soixante ans que la paramécie a pris rang parmi
les systèmes génétiques modèles. Eucaryote unicellulaire, facile à
cultiver, sa taille permet de suivre, à faible grossissement, cycle
cellulaire, conjugaison, comportement, sécrétion et morphogenèse,
et de cribler visuellement des mutations touchant une gamme de
fonctions cellulaires. Plusieurs particularités biologiques en
facilitent l’étude génétique. D’une part, le processus d’autogamie,
qui produit des clones 100 % homozygotes, simplifie l’analyse
génétique et permet l’expression de mutations récessives à l’issue
d’une mutagenèse. D’autre part, lors d’un croisement, la
descendance de chaque couple de conjugants présente simultanément
le résultat des deux croisements réciproques (Figure 1). Ce modèle,
apprivoisé par Jennings au début du siècle dernier, fut
véritablement lancé par T.M. Sonneborn, qui décrivit les types
sexuels, entama l’étude génétique de cet organisme prometteur… et
découvrit que plusieurs des caractères qu’il étudiait ne suivaient
pas les lois de Mendel, mais une hérédité de type cytoplasmique. Et
tandis que la communauté des généticiens se focalisait sur l’étude
de la structure et de la fonction des gènes, T.M. Sonneborn et ses
collaborateurs s’attachèrent à débusquer, beyond the gene [1], les
déterminants héréditaires responsables de cette phénoménologie.
Jusque vers la fin des années 1960, les phénomènes décrits chez la
paramécie (transmission cytoplasmique du caractère killer, du type
antigénique, du type sexuel, de l’organisation corticale) faisaient
partie du bagage de l’étudiant en génétique. Puis la paramécie
s’est marginalisée [2], en relation avec le développement des
modèles eucaryotes supérieurs, mais aussi sans doute à cause de la
nature même des phénomènes non orthodoxes offerts par ce
protozoaire sympathique, mais « bizarre » avec son architecture
cellulaire byzantine et son dimorphisme nucléaire.
Maintenant que rebondit l’intérêt pour l’épigénétique, la
paramécie, son génome complètement séquencé, redevient un modèle
attractif. Il est donc intéressant d’évoquer les apports de cet
organisme à l’évolution des concepts et à l’analyse des mécanismes
épigénétiques.

Figure 1. Analyse génétique chez la paramécie. La conjugaison
est un processus de fécondation réciproque. Dans un couple de
conjugants (encart), chaque partenaire subit la méiose, et un seul
des noyaux haploïdes produits dans chacune des deux cellules
survit. Celui-ci subit alors une mitose qui aboutit à la formation
de deux noyaux gamétiques identiques dans chaque cellule
post-méiotique. L’un de ces noyaux haploïdes migre alors vers le
partenaire (pronucléus mâle), tandis que l’autre demeure dans la
cellule d’origine (pronucléus femelle). Cet échange de noyau
s’effectue, en règle générale, sans échange de cytoplasme. Dans
chaque cellule, la fusion du noyau résident et du noyau migrateur
venant du partenaire forme le noyau zygotique diploïde : les deux
conjugants auront donc des noyaux zygotiques identiques,
hétérozygotes si les partenaires avaient des génotypes différents.
Après leur séparation, chacun des ex-conjugants reprend la
multiplication végétative, ce qui donne naissance à deux clones F1
qui sont génétiquement identiques, mais possèdent des cytoplasmes
différents. Ainsi, une différence phénotypique (rose/bleu) entre
les parents, qui est maintenue en F1, témoigne d’un phénomène
d’hérédité « cytoplasmique » et ne peut pas être déterminée par le
génotype nucléaire. Le noir et le blanc symbolisent deux allèles du
génome micronucléaire (voir Figure 4). L’autogamie est un processus
d’autofécondation qui survient en l’absence de partenaire sexuel :
comme dans le cas de la conjugaison, le noyau haploïde qui survit
après la méiose subit une mitose, mais les deux produits frères de
cette mitose fusionnent pour redonner un noyau diploïde : la
cellule se trouve alors homozygote pour tous ses gènes. La survie
d’un seul des produits de la méïose s’effectuant au hasard,
l’autogamie d’un clone F1 hétérozygote donnera des descendants F2
homozygotes qui ont une probabilité égale à 50 % de garder l’un ou
l’autre des allèles F1. Dans le cas des caractères soumis à une
hérédité cytoplasmique, aucune ségrégation n’est observée.
Épigénétique et hérédité cytoplasmique
L’hérédité cytoplasmique d’un caractère ne préjuge pas de son
déterminisme génétique. Le caractère killer de certaines lignées
vis-à-vis d’autres dites sensibles se révéla associé à une bactérie
endosymbiotique se multipliant dans le cytoplasme. Le phénomène
rentrait finalement dans l’orthodoxie génétique, comme divers
caractères à hérédité cytoplasmique décrits chez des végétaux, des
insectes ou des champignons, et qui se révélèrent déterminés par
des gènes mitochondriaux ou chloroplastiques, ou par un virus. Mais
d’autres phénomènes ne pouvaient s’expliquer sans de nouveaux
concepts.
C’est le cas du type antigénique, correspondant à l’expression
exclusive, parmi un répertoire de protéines de surface (antigènes),
de l’une ou l’autre d’entre elles. Si l’on croise deux clones
exprimant de manière stable des antigènes différents, A et B, les
deux clones ex-conjugants, bien que génétiquement identiques,
continuent à exprimer l’antigène de leur parent cytoplasmique. La
stabilité et l’héritabilité de phénotypes alternatifs chez deux
lignées de même génotype inspira à M. Delbrück, en 1949 [3], le
modèle dit « d’équilibres de flux » : deux voies
métaboliques a1-a2-a3 et b1-b2-b3 peuvent produire deux états
stables alternatifs si le produit b2 inhibe la formation de a2 et
le produit a2 inhibe la formation de b2. Première conceptualisation
d’un mécanisme épigénétique, ce modèle schématise un mécanisme ne
touchant pas à l’information génique, et qui assure
l’auto-entretien d’un phénotype. Un tel mécanisme peut aussi
impliquer une boucle de rétrocontrôle positif ou négatif agissant
au niveau transcriptionnel [4], post-trancriptionnel [5] ou
traductionnel [6], ou encore un changement conformationnel de type
prion. La caractéristique commune de tels systèmes est que, une
fois établi, accidentellement ou en réponse à des changements de
l’environnement, le nouveau phénotype se maintiendra par continuité
cytoplasmique au cours des divisions cellulaires et des processus
sexuels, autogamie ou conjugaison. De plus, le nouvel état peut
être « contagieux » en cas de fusion cellulaire et mélange de
cytoplasme : c’est ce que l’on observe pour les prions de levure ou
de P. anserina (pour revue, voir [7]) et, chez la paramécie, pour
l’hérédité du type antigénique ou du type sexuel lorsqu’un pont
cytoplasmique s’établit entre les conjugants [1].
L’hérédité cytoplasmique de caractères affectant deux
particularités de la paramécie, la complexité de son architecture
corticale et celle de son macronoyau, ont permis la mise en
évidence de nouveaux mécanismes épigénétiques.
Hérédité de structure
Quatre mille cils jalonnent la surface d’une paramécie. La
complexité apparente de son cortex se résout en fait en
l’arrangement régulier de motifs répétitifs, les unités corticales,
arrangées en files parallèles à l’axe antéropostérieur de la
cellule (Figure 2A). Une unité comporte un ou deux cils, chacun
issu d’un corps basal (centriole) flanqué d’appendices
cytosquelettiques (Figure 2B). Le cortex dans son ensemble montre
une asymétrie droite-gauche, présente aussi dans chaque unité, et
une polarité dorso-ventrale. La duplication des corps basaux, comme
celle des centrioles, est couplée à la division. Pour restituer aux
deux cellules filles ces asymétries, un véritable processus de
développement est nécessaire dont les deux moteurs sont la
duplication des corps basaux, chaque nouveau s’insérant à l’avant
de son père (Figure 2B) et, comme dans le cas d’un œuf mosaïque,
une contribution différentielle programmée des différents
territoires de la cellule mère au développement des cellules filles
[8].
L’étonnante reproductibilité d’une organisation si complexe
conduisit T.M. Sonneborn à en examiner le déterminisme [9] chez des
« doublets », issus de la fusion accidentelle de deux conjugants et
pourvus d’un double jeu de toutes les structures corticales. Leur
analyse génétique montra que le déterminisme du caractère « doublet
», transmis au cours des divisions et hérité maternellement lors du
croisement avec un « simplet », se localisait dans le cortex
lui-même. T.M. Sonneborn appela « cytotaxie » le processus
interactif par lequel l’assemblage de nouvelles structures est
guidé par l’organisation préexistante [9]. Cette cytotaxie opère en
fait au niveau de l’unité corticale : si une cellule sauvage reçoit
un petit greffon cortical inséré en polarité antéropostérieure
inversée, les unités corticales greffées se dupliquent en
conservant leur polarité inversée et forment, après quelques
divisions, des rangées à polarité inversée d’un pôle à l’autre de
la cellule, parallèles aux rangées normales (Figure 2C-C’), sorte
de situs inversus cellulaire. Comme dans le cas des doublets, cette
modification de l’architecture corticale peut se maintenir à
travers des centaines de divisions cellulaires et s’hérite
maternellement au cours des croisements [10].
Cette hérédité de structure n’est pas une curiosité zoologique,
mais bien le révélateur de mécanismes généraux établissant une
mémoire cellulaire à différents niveaux. Au niveau moléculaire, la
variation héréditaire observée ne concerne que l’organisation
spatiale d’édifices protéiques, comme dans le phénomène prion [7].
Au niveau subcellulaire, l’hérédité corticale traduit directement
les propriétés de la structure centriolaire, fortement conservée au
cours de l’évolution [11] : capacité de duplication et transmission
des polarités au cours de la duplication [12]. Ces propriétés
jouent sans doute un rôle majeur dans la division et la
différenciation cellulaires comme dans le développement : certains
ARNm s’associent au centrosome et sont transmis avec lui de manière
semi-conservative à l’une des deux cellules filles [13] ; au cours
de l’ovogenèse de la drosophile, l’origine de la polarité de
l’embryon se précise : le fusome, structure émanant du centrosome,
transmet la polarité du cystoblaste à l’ovocyte [14]. Chez le
trypanosome, une spectaculaire transmission d’information
structurale s’effectue par le flagelle, issu du corps basal : une
liaison étroite entre le nouveau flagelle en croissance et l’ancien
flagelle assure l’hérédité de la forme cellulaire et de sa polarité
[15]. Une mémoire structurale est également à l’œuvre dans la
reproduction d’autres organites subcellulaires : le centromère, qui
se comporte comme un complexe protéique autoréplicatif résidant sur
l’ADN, mais non déterminé par lui [16], ou le Golgi, dont la
reconstitution à l’issue de la mitose impliquerait la rémanence de
composants spécifiques et non une redifférenciation de novo à
partir du réticulum [17].
Enfin, au niveau cellulaire, l’hérédité corticale révèle que
l’organisation globale n’est pas « génétiquement programmée » dans
les détails : la cellule utilise des éléments structurés et des
marqueurs de polarité existants. Ainsi, la géométrie des réseaux
microtubulaires dépend de la localisation d’un centre de nucléation
et d’interactions avec d’autres structures dans la cellule [18].
Chez la levure, des protéines comme Rax2p marquent de manière
stable le site de formation des bourgeons successifs [19]. Comme
les cailloux blancs du Petit Poucet, la cellule utilise des
éléments structurés et des marqueurs de polarité, stables ou
relayés au cours des divisions, pour localiser et orienter
complexes supramoléculaires et édifices subcellulaires. Cette
utilisation des structures existantes offre une certaine
flexibilité à l’hérédité cellulaire.

Figure 2. L’organisation corticale et son hérédité. A. Vue des
surfaces ventrale et dorsale d’une paramécie sauvage.
L’immunomarquage des corps basaux (petits cercles jaunes) et de la
racine ciliaire émanant de chacun d’eux (flèches blanches) révèle
l’organisation générale du cortex en rangées parallèles de corps
basaux. La face ventrale est marquée par l’ouverture de la cavité
buccale, dans l’axe d’une ligne de suture ; ce méridien oral
définit une asymétrie droite/gauche (D/G). Sur la face dorsale, les
rangées parallèles s’étendent d’un pôle à l’autre sans
discontinuité. B. Duplication des corps basaux et croissance du
cortex. Chaque unité est sous-tendue et entourée par des réseaux
cytosquelettiques formant des mailles ou des écailles, schématisées
ici par un carré. Au centre, chaque corps basal (cercle vert) est
flanqué, sur sa droite, d’une racine ciliaire (mauve) et de 2 «
rubans » de microtubules (verts). Toutes les unités corticales ont
les mêmes polarités, alignées sur les polarités antéropostérieure
et droite-gauche de la cellule. Au moment de la division
cellulaire, la duplication des corps basaux suit une géométrie
stricte : chaque nouveau corps basal se positionne à l’avant de son
père et nuclée des appendices de mêmes polarités que dans l’unité
parentale. Pendant la division, la croissance est essentiellement
longitudinale et, dans les cellules filles, anciennes et nouvelles
unités alternent donc le long de chaque rangée longitudinale. C.
Surface dorsale d’une paramécie présentant des rangées d’unités
corticales à polarité inversée. Les corps basaux (en rouge) sont
marqués par un anticorps monoclonal anti-tubuline et les racines
ciliaires (en vert) par un anticorps polyclonal spécifique. Sur la
surface dorsale, la régularité du profil cortical est interrompue
par deux discontinuités (flèches blanches) dues à l’intercalation
de rangées à polarité inversée. C’. Organisation dans une région
d’inversion de la polarité des unités corticales. L’agrandissement
montre que, dans les rangées inversées (I), les racines ciliaires
pointent vers l’arrière et la gauche de la cellule, tandis que,
dans les rangées normales (N), les racines pointent vers l’avant et
la droite de la cellule, ici vue de dos. L’organisation des unités
corticales au niveau des zones d’inversion est schématisée
au-dessous.
Hérédité macronucléaire
D’autres phénomènes d’hérédité cytoplasmique dépendent de la
différenciation, à chaque génération sexuelle, de deux types de
noyaux, les micronoyaux germinaux et le macronoyau somatique, qui
se forment tous deux à partir de produits de mitose du noyau
zygotique (Figure 3A). Les micronoyaux diploïdes assurent par la
méiose la transmission du patrimoine génétique, mais leur génome
n’est pas exprimé pendant la croissance végétative. À l’inverse, le
macronoyau polyploïde est responsable de l’expression des gènes,
mais le macronoyau parental est perdu après la fécondation et
remplacé par le macronoyau zygotique nouvellement différencié.
Certains caractères, tels que les types sexuels (désignés O ou E),
sont déterminés au cours de la différenciation du macronoyau à
partir d’un génome micronucléaire totipotent [20]. Transplantations
nucléaires et fusions cytoplasmiques ont depuis longtemps révélé le
rôle déterminant du macronoyau maternel1, encore présent
dans le cytoplasme à ce stade : dans chaque cellule conjugante, il
oriente la différenciation du nouveau macronoyau vers le même type
sexuel, assurant ainsi l’hérédité maternelle (cytoplasmique) du
caractère.
La biologie moléculaire a permis de préciser les mécanismes mis en
jeu dans ce type d’hérédité, baptisé hérédité macronucléaire, en
montrant que le génome macronucléaire, qui gouverne le phénotype,
est une version réarrangée du génome micronucléaire [21]. Il en
diffère par l’excision précise d’un grand nombre de courtes
séquences non codantes qui interrompent fréquemment gènes et
régions intergéniques, et par l’élimination des séquences répétées
(transposons, minisatellites) par un mécanisme imprécis qui
provoque généralement la fragmentation des chromosomes (Figure 3B).
Ces réarrangements programmés permettent une certaine flexibilité
des relations génotype/phénotype car, bien que reproductibles, ils
ne sont pas strictement déterminés par la séquence du génome
micronucléaire.

Figure 3. Cycle sexuel et réorganisation macronucléaire. A.
Événements cellulaires. 1. La paramécie en croissance végétative
possède deux micronoyaux diploïdes (mic, en rouge) et un macronoyau
(mac, en bleu) polyploïde (800 à 1 000 n). Des conditions de jeûne
modéré induisent la réactivité sexuelle : en présence d’un
partenaire de type sexuel complémentaire, la cellule conjuguera ;
sinon, elle subira l’autogamie. 2-3. Conjugaison et autogamie
déclenchent la méiose des micronoyaux, aboutissant à 8 noyaux
haploïdes dont 7 dégénèrent et un seul survit, tandis que le
macronoyau entame un processus de fragmentation. 4. Le noyau
haploïde survivant subit une mitose. 5. Dans le cas de l’autogamie,
les produits de cette mitose fusionnent ; dans le cas de la
conjugaison, il y a échange réciproque de l’un des produits de
cette mitose et fusion dans chaque conjugant pour donner un noyau
zygotique diploïde. 6-7. Le noyau diploïde subit deux mitoses
post-zygotiques. Le macronoyau a achevé sa fragmentation. 8. Les
deux noyaux localisés au pôle postérieur de la cellule se
différencient en macronoyaux. 9. À l’issue de ces processus
sexuels, lors de la première division, les deux macronoyaux
nouvellement formés sont répartis entre les deux cellules filles,
tandis que les deux micronoyaux subissent chacun une mitose. Lors
des divisions suivantes, le macronoyau se divise en même temps que
les micronoyaux, tandis que les fragments de l’ancien macronoyau,
qui ne répliquent plus leur ADN, sont répartis au hasard dans les
cellules filles, et finalement dégradés. B. Événements
moléculaires. La différenciation des nouveaux macronoyaux implique
l’amplification du génome micronucléaire de 2n à 800n, ainsi que
deux types de réarrangements reproductibles qui surviennent après
quelques cycles de réplication. Le premier est l’élimination
imprécise de relativement grandes régions du génome germinal
contenant des séquences répétées telles que transposons et
minisatellites. Faute de religation des séquences flanquantes, ce
processus provoque généralement la fragmentation des chromosomes
micronucléaires (en rouge) en « chromosomes » macronucléaires (en
bleu) plus petits et acentriques, dont les extrémités sont réparées
par l’ajout de novo de télomères. Le deuxième type de
réarrangements est l’excision, précise cette fois, de plus de 50
000 courtes séquences non codantes (en jaune), sorte d’introns
d’ADN qui interrompent fréquemment gènes et régions intergéniques.
Chacune de ces IES (internal eliminated sequences) semble présente
en copie unique dans le génome haploïde.
1 Les ciliés sont des organismes hermaphrodites et la
conjugaison est une fécondation réciproque, chacun des deux
partenaires fécondant l’autre. On peut cependant définir, pour
chacun des descendants F1, une mère (la cellule parentale ayant
fourni le cytoplasme et une copie du génome haploïde) et un père
(la cellule parentale dont la contribution est limitée à une copie
du génome haploïde).
La capacité du macronoyau maternel à déterminer, à travers le
cytoplasme, le choix de réarrangements alternatifs fut tout d’abord
établie par l’étude d’une souche variante incapable d’exprimer
l’antigène de surface A (Figure 4). Les analyses moléculaires
montrèrent que le gène A était délété dans le génome macronucléaire
de cette souche [22]. Pourtant, la génétique indiquait un génome
micronucléaire entièrement sauvage, la délétion macronucléaire
étant héritée de manière cytoplasmique, et non mendélienne, dans
les croisements avec la souche sauvage [23]. De plus, la
réintroduction du gène A par micro-injection dans le macronoyau
mutant permettait de restaurer l’amplification du gène dans le
macronoyau de la génération sexuelle suivante, après méiose des
micronoyaux sauvages [24].
D’autres expériences ont montré que ce phénomène ne dépend pas
d’une particularité du gène A, mais témoigne d’un contrôle général
des réarrangements par des effets maternels dépendants de
l’homologie [25, 26]. De telles délétions macronucléaires peuvent
être créées expérimentalement pour à peu près n’importe quel gène :
il suffit pour cela d’induire son extinction par interférence par
l’ARN2 avant la méiose, par exemple en nourrissant les
cellules avec des bactéries produisant de l’ARN double-brin
homologue de ce gène. Le silencing végétatif s’accompagne de
l’accumulation de petits ARN double-brin d’environ 23 nucléotides
(siRNA, short interfering RNA) qui sont apparemment capables, après
la méiose, de cibler la délétion du même gène dans le nouveau
macronoyau de manière dépendante de l’homologie [27].
Une fois induites expérimentalement, ces délétions macronucléaires
sont reproduites spontanément dans les générations sexuelles
suivantes, toujours suivant la même hérédité maternelle. Pour
programmer les réarrangements du génome dans le macronoyau en
développement, la paramécie semble donc comparer la séquence du
génome micronucléaire à la version précédemment réarrangée contenue
dans le macronoyau maternel. Une telle comparaison de séquences
entre différents noyaux a également été proposée chez le cilié
apparenté Tetrahymena thermophila pour expliquer des phénomènes
similaires, et fait probablement intervenir une autre classe de
petits ARN, distincts des siRNA précédemment cités parce qu’ils ne
dépendent pas d’un phénomène de silencing et parce qu’ils sont
produits par le génome micronucléaire au cours de la méiose [28].
Ces scnRNA (scan RNA) seraient exportés dans le macronoyau maternel
où ils seraient triés par des appariements avec les séquences du
génome réarrangé : ceux qui n’y trouvent pas de séquence homologue,
c’est-à-dire ceux qui correspondent à des séquences spécifiquement
micronucléaires, seraient réexportés vers le nouveau macronoyau en
développement pour y cibler les délétions. Ce ciblage se fait
vraisemblablement par l’intermédiaire de la formation
d’hétérochromatine (méthylation de l’histone H3 sur la lysine 9),
puisqu’il a été montré chez T. thermophila que cette modification
est nécessaire et suffisante pour programmer l’élimination d’ADN
pendant le développement macronucléaire [29]. Une partie de ces
mécanismes n’est pas propre aux ciliés : de petits ARN produits par
interférence par l’ARN ont récemment été impliqués dans la
formation d’hétérochromatine chez de nombreux autres eucaryotes
[30]. Ainsi, le rôle de l’interférence par l’ARN dans la
programmation épigénétique des réarrangements génomiques chez les
ciliés semble être un aspect particulier d’un mécanisme conservé
qui assure plus généralement la régulation épigénétique de
l’expression du génome.

Figure 4. Effets maternels dépendants de l’homologie contrôlant
les réarrangements du génome. A. Réarrangements de la région
chromosomique du gène A dans la souche sauvage. Lors de la
reproduction sexuelle, le micronoyau (cercle rouge) de la
génération n donne naissance aux nouveaux micronoyaux et macronoyau
(cercle bleu) de sa descendance cytoplasmique, génération n+1. Au
cours du développement macronucléaire, le chromosome portant le
gène A est réarrangé dans une région située en aval du gène :
l’élimination de longueurs variables de séquences germinales
aboutit à la fragmentation du chromosome et à la formation de
télomères (boîtes rouges) dans trois régions alternatives, qui sont
fidèlement reproduites de génération en génération. B.
Réarrangements de la région chromosomique du gène A dans la souche
variante. Dans cette souche, le chromosome est réarrangé de manière
différente, bien que le génome micronucléaire de cette souche soit
strictement identique à celui de la souche sauvage : les séquences
germinales éliminées sont plus étendues et englobent le gène A, de
sorte que les télomères qui marquent l’extrémité du chromosome
macronucléaire se forment en amont du gène, qui est totalement
absent du génome macronucléaire. Comme dans la souche sauvage, le
réarrangement alternatif est fidèlement reproduit de génération en
génération. Il s’agit donc d’une mutation purement somatique,
cependant héritable (en lignée maternelle) dans les générations
sexuelles suivantes. C. Réversion expérimentale de la délétion
somatique du gène A. La réintroduction du gène A par
micro-injection directe dans le macronoyau mutant permet, après
induction de la méiose dans le clone transformé, de restaurer
l’amplification normale du gène A dans la génération sexuelle
suivante, lorsqu’un nouveau macronoyau se différencie à partir du
micronoyau sauvage. Cette expérience montre que le gène A n’est
maintenu dans le macronoyau zygotique en cours de différenciation
que si ce même gène est déjà présent dans le macronoyau
maternel.
2 L’interférence par l’ARN est un mécanisme
épigénétique conservé chez les eucaryotes, par lequel une molécule
d’ARN double-brin homologue à un gène endogène inhibe l’expression
de celui-ci.
Conclusions et perspectives
La paramécie n’a pas encore livré tous ses secrets, et certains
cas d’hérédité cytoplasmique demeurent inexpliqués. L’héritabilité
du type antigénique au cours de la reproduction sexuelle, par
exemple, ne semble pas, dans le cas général, faire intervenir de
réarrangements alternatifs des gènes concernés : lorsque tous les
gènes d’antigènes sont présents dans le nouveau macronoyau, seul
sera exprimé celui qui était exprimé dans le macronoyau maternel.
Mais qu’il s’agisse de régulation de l’expression des gènes ou, à
l’extrême, de délétions des gènes dans le noyau somatique, l’état
transcriptionnel des gènes maternels (production d’ARN messager ou
silencing par des petits ARN) semble jouer un rôle majeur dans la
programmation épigénétique du génome zygotique de la paramécie.
L’idée commune qui émerge de ces observations est celle d’une
héritabilité cytoplasmique du transcriptome, qui impliquerait
divers types d’ARN non codants agissant de manière dépendante de
l’homologie et qui serait tout aussi essentielle que l’héritabilité
mendélienne du génome lui-même. Les particularités des ciliés
rendent cette double hérédité très visible, et l’hérédité de
structure y rajoute une troisième composante, que l’on pourrait
appeler le « structurome ». Il reste à voir dans quelle mesure ces
mécanismes non mendéliens permettront de mieux expliquer
l’héritabilité des caractères phénotypiques chez les autres
eucaryotes.
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