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Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 28, Numéro 6-7, Juin–Juillet 2012
Page(s) 574 - 577
Section Nouvelles
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2012286006
Publié en ligne 16 juillet 2012

Chez de nombreux organismes, l’introduction artificielle d’un fragment d’ARN double brin (ARNdb) correspondant à la séquence d’un gène inactive spécifiquement l’expression de ce gène. Ce phénomène d’interférence à l’ARN (ARNi) a été mis en évidence chez le nématode C. elegans [1], un petit ver d’un millimètre qui est devenu un organisme modèle de laboratoire. L’ARNi est devenu un outil pratique d’inactivation des gènes, et cette découverte a valu le prix Nobel de médecine à Andy Fire et Craig Mello en 2006. Des résultats récents montrent que la réponse ARNi peut être transmise de génération en génération en affectant l’état des histones et la régulation transcriptionnelle du gène. Le rôle physiologique de cette transmission héréditaire pourrait-il être la défense antivirale ?

Inactivation post-transcriptionnelle… mais aussi transcriptionnelle

Le mécanisme de l’ARNi a été amplement étudié depuis 15 ans [2]. Chez C. elegans, l’injection ou l’ingestion d’un ARNdb peut déclencher la réponse d’interférence. La ribonucléase Dicer/DCR-1 clive dans le cytoplasme l’ARNdb en fragments de 21 nucléotides, nommés siARN (si pour small interfering) (Figure 1). Ces siARN-1 recrutent et guident la protéine Argonaute RDE-1 vers une autre copie de l’ARN messager complémentaire (ARNm) qui sert de matrice à la synthèse de siARN 2° antisens par une ARN polymérase dépendante de l’ARN. Ces siARN 2° amplifiés lient alors d’autres protéines Argonaute, et ces complexes induisent la dégradation des ARNm correspondants. Ceci conduit à l’extinction post-transcriptionnelle (PTGS pour post-transcriptional gene silencing) du gène.

thumbnail Figure 1.

Mécanismes transcriptionnels et post-transcriptionnels de l’extinction de gènes par l’ARN double-brin et transmission multigénérationnelle. A. Dans le parent P0 exposé à des ARNdb, deux mécanismes de répression de l’expression du gène correspondant peuvent être déclenchés. L’ARNdb (en vert) est fragmenté par l’enzyme DCR-1. Les petits siARN 1° produits (extrémité 5’ monophosphate) sont pris en charge par l’Argonaute RDE-1. Ce complexe s’hybride à son ARNm complémentaire et produit des siARN antisens dits 2° (extrémité 5’ triphosphate). Ces derniers vont, soit participer directement au clivage des ARNm correspondants (voie PTGS ou post-transcriptional gene silencing, en orange), soit être pris en charge par l’Argonaute NRDE-3. Le complexe siARN 2°/NRDE-3 entre dans le noyau et réprime la transcription du gène correspondant (voie TGS ou transcriptional gene silencing, en bleu). B. Transmission de l’extinction du gène dans les générations suivantes (F1, etc.). Des siARN (vraisemblablement 1°) semblent être transmis dans les gamètes et, même en absence d’ARNdb exogène dans la descendance, permettent l’extinction des gènes ciblés via la méthylation de l’ADN. La quantité de siARN transmis décroît au fil des générations.

Un second mécanisme d’action des siARN 2° a été mis en évidence chez C. elegans par le laboratoire de Scott Kennedy. Les siARN 2° se lient à la protéine Argonaute NRDE-3, et le complexe entre dans le noyau. L’extinction du gène correspondant se fait alors au niveau de la transcription (TGS pour transcriptional gene silencing) (Figure 1). Les gènes impliqués dans ce phénomène ont été identifiés par un crible génétique et appelés nrde (nuclear-RNAi deficient).

Extinction transgénérationnelle de certains gènes à partir d’un ARNdb spécifique

Chez C. elegans, l’ARNi peut, dans certains cas, persister pendant plusieurs générations, mimant les effets transgénérationnels de l’extinction de gènes connus chez certains champignons et plantes. Ainsi, chez C. elegans, l’extinction d’un transgène exprimant la protéine fluorescente GFP (green fluorescent protein) peut être transmise jusqu’à 20 générations après l’ingestion d’ARNdb spécifique de la GFP [3]. Cette transmission de l’extinction fonctionne pour certains gènes seulement (13/171 gènes testés sont ainsi éteints sur plusieurs générations) [35], sans que l’on comprenne pour l’instant ce qui les caractérise.

Une diminution de la quantité d’ARNdb injectée réduit la durée de l’extinction du gène, suggèrant que la transmission de l’effet ARNi est diluée au fil des générations [5]. La même étude du laboratoire d’Andrew Fire révèle que les deux types de gamètes, mâle et femelle, sont capables de transmettre ces facteurs, mais que les spermatozoïdes le font plus efficacement.

Deux mécanismes de transmission transgénérationnelle

La transmission de l’extinction ARNi ne requiert pas que la descendance puisse elle même produire des siRNA 1°. En effet, cette transmission se fait normalement chez un descendant incapable de produire des siARN 1° (mutant rde-1 ou rde-4) [4]. En revanche, les gènes nécessaires à l’amplification des siARN 2°, comme mut-7 ou rde-2, doivent, eux, être fonctionnels dans la descendance [4], comme doivent l’être aussi les gènes nrde-2, nrde-3 et nrde-4 nécessaires à la voie de régulation transcriptionnelle en aval des siARN 2° [6]. La transmission transgénérationnelle requiert donc, à chaque génération, la formation de siARN 2° et, en aval, une voie de répression transcriptionnelle intacte (Figure 1).

La répression transcriptionnelle par les siARN 2° semble passer par des modifications d’histones. Les histones sont des protéines de la chromatine qui régulent le degré de condensation et l’accessibilité de cette dernière pour que s’enclenche la transcription. En effet, la voie nucléaire des siARN active la méthylation de la lysine 9 de l’histone 3 (H3K9me) [6], une modification qui inhibe localement la transcription. De plus, la transmission de l’extinction d’expression génique est abolie chez des mutants affectant la structure chromatinienne [3].

Gu et al. [7], du laboratoire d’Andrew Fire, ont récemment réussi à suivre la quantité de siARN 2° spécifiques et le taux de méthylation de H3K9 au locus correspondant chez un ver adulte ayant absorbé des ARNdb spécifiques et dans sa descendance pendant quatre générations. Dans la génération parentale (P0), la synthèse des siARN spécifiques est d’abord détectée, puis une marque H3K9me au niveau du gène ciblé est observée. Les siARN 2° et la méthylation sont ensuite détectés chez les descendants et ce jusqu’à trois générations dans cette étude, mais avec un marquage d’intensité décroissante au fil des générations [7].

Quel peut être le facteur transmis par les gamètes qui permet l’héritabilité de l’extinction transcriptionnelle ? Les modifications d’histones sont transmissibles lors des divisions cellulaires, mais elles sont généralement « réinitialisées » dans la lignée germinale chez C. elegans. De plus, l’extinction transcriptionnelle peut aussi s’appliquer à une copie du gène nouvellement introduite par croisement, et l’action des siARN 2° sur la méthylation des histones semble devoir être répétée à chaque génération. La transmission de siARN via les gamètes pourrait permettre une persistance et une réamplification de l’extinction transcriptionnelle de certains gènes au fil des générations. Pour l’instant, il n’est pas clair s’il s’agit de siARN 2° ou 1° (voir plus loin).

L’enjeu évolutif de la transmission de l’ARNi serait-il l’immunisation de la descendance contre des pathogènes naturels ?

En principe, la transmission transgénérationnelle du statut de l’expression des gènes permet à un parent de transmettre à sa descendance les conséquences qu’ont imprimées à son organisme les influences de l’environnement (effet « lamarckien »). Ceci peut concerner par exemple la défense antivirale. En effet, chez C. elegans comme chez les plantes et les insectes, la voie d’ARNi joue un rôle dans la défense antivirale - de nombreux virus ayant un génome de type ARNdb.

Le virus d’Orsay - découvert récemment - est le premier virus naturel de C. elegans [8]. Son génome s’apparente à celui des nodavirus et est composé de deux segments d’ARN simple brin positif (ARN1 et ARN2). L’ARN1 code pour une ARN polymérase dépendante de l’ARN (RdRP) qui synthétise le brin complémentaire des ARN viraux et, par conséquent, crée des ARNdb. Ceux-ci déclenchent alors une réponse siARN contre le génome viral. Les mutants C. elegans des gènes impliqués dans la réponse siARN sont plus sensibles au virus que le génotype sauvage de référence [8]. La réponse siARN est donc requise pour la défense antivirale chez C. elegans.

La réponse à un virus peut-elle se transmettre d’une génération à l’autre, et ainsi « immuniser » plusieurs générations ? Chez C. elegans, nous n’avons pas encore la réponse avec un virus infectieux comme le virus d’Orsay, mais un système artificiel a testé cette hypothèse.

Un système transgénique artificiel reconstituant la réplication du Flock house virus (FHV), un nodavirus d’arthropode qui n’infecte pas naturellement C. elegans, a été mis au point il y a quelques années [9]. Le génome du virus FHV est composé de deux ARN dont l’un code pour une RdRP et pour la protéine B2 qui inhibe la réponse ARNi de l’hôte. En remplaçant cette protéine B2 par la GFP et en construisant un ver transgénique dans lequel les séquences ADN correspondant à RdRP et B2 sont sous le contrôle d’un promoteur inductible par un choc thermique, la réplication de l’ARN1 viral dans le ver (qui est assurée ensuite de façon autonome par la RdRP) et la réponse d’extinction peuvent être reconstituées et suivies en mesurant l’expression ou l’extinction de la GFP [9]. Rechavi et al. [10] ont récemment étudié la transmissibilité intergénérationnelle de petits ARN antiviraux dérivés de l’expression d’un tel transgène. Comme c’est le cas pour un gène endogène ou la GFP (voir plus haut), l’extinction des ARN viraux peut se transmettre en absence de la machinerie de formation des siARN 1° chez les descendants (mutant rde-1), et peut se transmettre à une nouvelle copie du gène testé introduite par croisement. Cependant, cette réponse requiert à chaque génération l’amplification de siARN 2° - elle est abolie dans le mutant rrf-1 affectant une RdRP du ver. Des siARN 1° correspondant aux séquences virales peuvent être détectés sur plusieurs générations, quoique en très petit nombre dès la troisième génération. Ceci suggère donc que la transmission peut s’effectuer via les siARN 1°, qui pourraient enclencher l’amplification de novo de siARN 2° à chaque génération.

Pour ce qui est de la portée de cette étude sur la transmission d’une défense antivirale, on peut regretter que les séquences virales y soient portées par un transgène artificiel. En effet, il est possible que l’interférence agisse ici exclusivement au niveau transcriptionnel. Ce ne peut pas être le cas avec un virus relativement proche, tel que celui d’Orsay, dont le génome n’existe pas sous une forme ADN.

En conclusion

L’extinction d’un gène par l’ARNdb correspondant peut se transmettre au fil des générations chez des animaux, comme chez les plantes et les champignons. Chez C. elegans, elle semble utiliser l’amplification de petits ARN spécifiques et la répression transcriptionnelle à chaque génération. L’impact de ce processus de transmission sur l’adaptation phénotypique des organismes en milieu naturel reste cependant à démontrer. Il est possible que la cible principale de cette extinction multigénérationnelle soit les transposons insérés dans le génome. ◊

Liens d’Intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Remerciements

L’équipe est financée par le CNRS, l’ENS, l’Inserm, et pour la recherche sur les virus, la subvention de l’ANR11 BSV3 01301. Nous remercions Valérie Robert (ENS Lyon) pour ses commentaires.

Références

  1. Fire A, Xu S, Montgomery MK, et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 1998 ; 391 : 806–811. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  2. Fischer SEJ. Small RNA-mediated gene silencing pathways in C elegans. Int J Biochem Cell Biol 2010 ; 42 : 1306–1315. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  3. Vastenhouw NL, Brunschwig K, Okihara KL, et al. Gene expression: long-term gene silencing by RNAi. Nature 2006 ; 442 : 882. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  4. Grishok A, Tabara H, Mello CC. Genetic requirements for inheritance of RNAi in C elegans. Science 2000 ; 287 : 2494–2497. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  5. Alcazar RM, Lin R, Fire AZ. Transmission dynamics of heritable silencing induced by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Genetics 2008 ; 180 : 1275–1288. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  6. Burton NO, Burkhart KB, Kennedy S. Nuclear RNAi maintains heritable gene silencing in Caenorhabditis elegans. Proc Natl Acad Sci USA 2011 ; 108 : 19683–19688. [CrossRef] [Google Scholar]
  7. Gu SG, Pak J, Guang S, et al. Amplification of siRNA in Caenorhabditis elegans generates a transgenerational sequence-targeted histone H3 lysine 9 methylation footprint. Nat Genet 2012 ; 44 : 157–164. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  8. Félix M-A, Ashe A, Piffaretti J, et al. Natural, experimental infection of Caenorhabditis nematodes by novel viruses related to nodaviruses. PLoS Biol 2011 ; 9 : e1000586. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  9. Lu R, Maduro M, Li F, et al. Animal virus replication and RNAi-mediated antiviral silencing in Caenorhabditis elegans. Nature 2005 ; 436 : 1040–1043. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  10. Rechavi O, Minevich G, Hobert O. Transgenerational inheritance of an acquired small RNA-based antiviral response in C elegans. Cell 2011 ; 147 : 1248–1256. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]

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Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Mécanismes transcriptionnels et post-transcriptionnels de l’extinction de gènes par l’ARN double-brin et transmission multigénérationnelle. A. Dans le parent P0 exposé à des ARNdb, deux mécanismes de répression de l’expression du gène correspondant peuvent être déclenchés. L’ARNdb (en vert) est fragmenté par l’enzyme DCR-1. Les petits siARN 1° produits (extrémité 5’ monophosphate) sont pris en charge par l’Argonaute RDE-1. Ce complexe s’hybride à son ARNm complémentaire et produit des siARN antisens dits 2° (extrémité 5’ triphosphate). Ces derniers vont, soit participer directement au clivage des ARNm correspondants (voie PTGS ou post-transcriptional gene silencing, en orange), soit être pris en charge par l’Argonaute NRDE-3. Le complexe siARN 2°/NRDE-3 entre dans le noyau et réprime la transcription du gène correspondant (voie TGS ou transcriptional gene silencing, en bleu). B. Transmission de l’extinction du gène dans les générations suivantes (F1, etc.). Des siARN (vraisemblablement 1°) semblent être transmis dans les gamètes et, même en absence d’ARNdb exogène dans la descendance, permettent l’extinction des gènes ciblés via la méthylation de l’ADN. La quantité de siARN transmis décroît au fil des générations.

Dans le texte

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