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Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 25, Numéro 3, Mars 2009
Page(s) 234 - 235
Section Nouvelles
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2009253234
Publié en ligne 15 mars 2009

Activation et inactivation des chromosomes X dans les cellules pluripotentes

Les mammifères femelles ont beau posséder deux chromosomes X, l’activité simultanée des deux n’est pas compatible avec la survie de l’individu. Ainsi, l’un des deux X est sous une forme inactive dans la très grande majorité des cellules, et ce dès le tout début du développement. Chez la souris, c’est le chromosome X qui vient du père (Xp) qui est systématiquement inactivé au cours des premières divisions cellulaires [13]. Au moment de l’implantation cependant, alors que se séparent les lignages embryonnaires et extra-embryonnaires, une transition importante se produit dans les cellules de la masse interne (ICM). En effet, dans ces cellules considérées comme pluripotentes par leur capacité à générer tous les tissus de l’embryon, le Xp est réactivé et les deux chromosomes X sont maintenant actifs [1, 2, 11]. Les cellules souches embryonnaires (ES) femelles, dérivées de l’ICM et pluripotentes elles aussi, maintiennent également leurs deux chromosomes X actifs. La différenciation de ces cellules pluripotentes in vitro, tout comme celle des cellules de l’ICM au cours du développement, s’accompagne d’une vague d’inactivation aléatoire, qui concerne cette fois soit le Xp, soit le X maternel (Xm). Les cellules ES représentent ainsi un modèle de choix pour l’étude de l’inactivation aléatoire. Une fois mise en place, l’inactivation aléatoire est stable et héritée de manière clonale au cours des divisions cellulaires, à l’exception des cellules de la lignée germinale dont le X se réactive avant l’entrée en méiose.

Xist, Tsix et la dynamique de l’inactivation de l’X au cours du développement

La dynamique de l’inactivation au cours du développement suggère donc un lien inverse entre inactivation du X et pluripotence. En effet, la réversibilité de cette inactivation ne se produit qu’en deux occasions, toutes deux liées à l’apparition de cellules pluripotentes : dans l’ICM et dans les cellules germinales primordiales. De plus, la dé-différenciation, ou reprogrammation, de cellules somatiques femelles en cellules pluripotentes, que ce soit par fusion avec des cellules pluripotentes, par transfert nucléaire ou plus récemment par transfert de gènes codant pour des facteurs associés à la pluripotence (iPS, induced pluripotent stem cells), s’accompagne de la réactivation du X initialement inactif [46]. Pour comprendre les mécanismes moléculaires permettant de connecter pluripotence et inactivation, nous nous sommes intéressés au gène contrôlant l’inactivation, Xist. Contrairement à la majorité des gènes, Xist produit un ARN non-codant nucléaire qui recouvre le chromosome à partir duquel il est transcrit et l’éteint. Xist est essentiel à l’inactivation, et le processus ne peut avoir lieu que lorsque des niveaux élevés de Xist sont produits. De même, la réactivation du Xp qui précède l’inactivation aléatoire nécessite que la copie active de Xist sur le Xp soit réprimée. C’est également le cas pour les cellules ES, dans lesquelles la présence de deux chromosomes X actifs s’accompagne d’une répression importante de Xist. Comprendre la régulation de Xist est donc un enjeu primordial pour comprendre la régulation de l’inactivation et sa dynamique au cours du développement embryonnaire. Bien que Tsix, un transcrit antisens à Xist [12], agisse en bloquant l’accumulation de transcrits Xist en cis, nous avons montré, en utilisant des cellules ES portant des mutations de Tsix, que ce transcrit ne joue pas de rôle direct dans la répression transcriptionnelle de Xist [7]. Restait alors à identifier les acteurs de cette répression, et c’est là que nous avons cherché un lien direct avec la pluripotence [8].

Nanog, Oct3/4 et Sox2 contrôlent l’activation des chromosomes X

Au cours du développement, l’expression de Nanog, l’un des facteurs clés de la pluripotence, précède dans les cellules de l’ICM la répression de Xist sur le Xp [2]. Nous avons donc tout d’abord regardé l’effet de mutations de Nanog sur l’expression de Xist dans des cellules ES. L’augmentation des niveaux de Xist que l’on observe en l’absence de Nanog, ainsi que la perte de cette augmentation lorsque Nanog est restauré révèle un effet répressif de Nanog sur Xist. Cet effet semble de plus être direct puisque notre étude montre une fixation de ce facteur de transcription au niveau du gène Xist. Cependant, bien que significative, cette augmentation reste modérée, ce qui suggère l’intervention d’autres éléments répresseurs. Oct3/4 et Sox2, deux autres régulateurs de la pluripotence qui agissent souvent de concert avec Nanog, représentent des candidats de choix. Nous avons montré que ces facteurs se fixent, comme Nanog, à Xist et surtout qu’ils restent fixés en l’absence de Nanog, expliquant ainsi l’induction incomplète de Xist dans ces mutants. Par contre, la perte rapide de ces 3 facteurs au niveau de Xist (grâce à une manipulation génétique permettant de contrôler l’expression de Oct3/4 dans des cellules ES) induit une activation massive de Xist analogue à celle que l’on observe lorsque l’inactivation se met en place.

Ces résultats démontrent que Nanog, Oct3/4 et Sox2 sont des répresseurs essentiels de Xist qui agissent en synergie pour coupler l’inactivation à la pluripotence. Leur action est indépendante de celle de Tsix puisque dans les différents mutants testés, l’activation de Xist peut se faire sans perte d’expression de Tsix. Nous proposons que Nanog, Oct3/4 et Sox2 jouent un rôle central au cours du développement précoce dans la transition entre inactivation biaisée et inactivation aléatoire, en permettant la répression de Xist sur le Xp et la réactivation de ce chromosome. Dans la lignée germinale, la ré-expression de Nanog précède l’extinction de Xist à l’origine de la réactivation du X [9, 10]. Dans la mesure où Oct3/4 et Sox2 sont également présents dans ces cellules, il est raisonnable de penser que ces 3 facteurs participent à la reprogrammation de l’inactivation durant la gamétogenèse. Ces facteurs jouent-ils également un rôle essentiel dans le contrôle de l’inactivation de l’X chez l’humain ? Cette question reste encore en suspend, mais l’accès aux cellules souches embryonnaires humaines devrait nous permettre d’y répondre dans un futur proche. Enfin, si l’on comprend mieux maintenant comment l’inactivation du X et la pluripotence sont liées, le pourquoi de ce lien reste toujours mystérieux : la présence d’un chromosome X inactif est-elle incompatible avec l’état pluripotent ?

Références

  1. Okamoto I, Otte AP, Allis CD, et al. Epigenetic dynamics of imprinted X inactivation during early mouse development. Science 2004; 303 : 644–9. [Google Scholar]
  2. Mak W, Nesterova TB, de Napoles M, et al. Reactivation of the paternal X chromosome in early mouse embryos. Science 2004; 303 : 666–9. [Google Scholar]
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  8. Navarro P, Chambers I, Karwacki-Neisius V, et al. Molecular coupling of Xist regulation and pluripotency. Science 2008; 321 : 1693–5. [Google Scholar]
  9. De Napoles M, Nesterova T, Brockdorff N. Early loss of Xist RNA expression and inactive X chromosome associated chromatin modification in developing primordial germ cells. PLoS One 2007; 2 : e860. [Google Scholar]
  10. Sugimoto M, Abe K. X chromosome reactivation initiates in nascent primordial germ cells in mice. PLoS Genet 2007; 3 : e116. [Google Scholar]
  11. Augui S, Heard E.Inactivation du chromosome X : comment une cellule sait compter jusqu’à deux X. Med Sci (Paris) 2008; 24 : 584–5. [Google Scholar]
  12. Vigneau S, Clerc P. Sans Tsix, les mâles aussi inactivent leur chromosome X. Med Sci (Paris) 2006; 22 : 926–8. [Google Scholar]

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