Montréal Québec
December 2, 2008
Plant researchers from
McGill University and the
University of California, Berkeley have announced a major
breakthrough in a developmental process called epigenetics. They
have demonstrated for the first time the reversal of what is
called epigenetic silencing in plants.
The findings are important to develop a better understanding of
gene regulation in the continuing quest to breed enhanced crops
that produce higher yields, are more resistant to disease and
can better tolerate environmental stress – all keys to helping
improve the world's food supply. But perhaps even more
important, the discovery may lead to new insights into how
epigenetic processes work in the human body, which could assist
in developing new ways of modifying our genetic makeup to help
us avoid such diseases as cancer.
Although nearly every cell in our body is genetically identical,
the researchers explained, each cell type expresses a distinct
set of genes. Changes to the proteins around which DNA is wound
are called "epigenetic" modifications, because they alter
patterns of this gene expression without changing the actual DNA
sequence. However, like changes in DNA sequence, epigenetic
modifications can be passed on from parent cell to daughter
cell, ensuring each cell line has the proper characteristics
consistently over many generations.
This process must be repeated each generation, and there is good
evidence in animals that, during early development, there is a
wave of epigenetic reprogramming that effectively "resets" this
system. Some genes, it seems, must be more actively reset than
others. And genes that do the same thing in every cell,
regardless of tissue type, may not have to be reset at all.
One kind of gene is quite distinct from all of the others,
because it is nearly always epigenetically inactivated. These
are the genes carried by transposons, or "jumping genes."
Transposons are mutagens, genes that can modify their host cell
in different ways, and lead to a predisposition to cancer, for
example.
The researchers' experiments with corn – technically known as
"maize" – suggest the propensity to maintain epigenetic states
can vary depending on the position of the transposons within the
genome.
Many organisms, from worms to humans to plants, have learned to
tame transposons by epigentically "silencing" them: if they
can't express their genes they can't jump. If they can't jump
for long enough, their DNA sequence slowly accumulates errors,
and they become molecular fossils. Most transposons in most
organisms are silenced in this way, but some remain quite
active.
In previous studies from the laboratory of two of the article's
authors, UC Berkeley professors Damon Lisch and Michael
Freeling, with the support of the National Science Foundation at
UC Berkeley, epigenetic silencing was triggered in maize. Once
triggered, the maize plant "remembers," and keeps the transposon
"silenced" generation after generation, even after the trigger
is lost.
"However, we have found that at some positions in the genome,
this is not the case. At these positions, although the trigger
works fine, and the transposon is silenced, once the trigger is
lost, the transposon reawakens," said Jaswinder Singh, a
professor in the Plant Sciences Department at McGill University,
and lead author of the new article. The study, "A Position
Effect on the Heritability of Epigenetic Silencing," was
published in October in the journal PLoS Genetics.
This "molecular amnesia" has never before been documented in
plants and no one has seen it associated with a particular
position in the genome of any species before. These data suggest
the epigenetic landscape of plant genomes may be more subtle and
interesting than previously thought, with the ability to
remember epigenetic silencing varying depending on position.
"This may relate to the degree to which a given gene or group of
genes must be reprogrammed each generation," Singh said. "We can
now use transposons to probe for variations in the epigenetic
landscape of the maize genome. It may turn out that forgetting
can be as important as remembering. Our findings suggest that
erasure of heritable information may be an important component
of epigenetic machinery."
Other news
from the University of
California, Berkeley
Les plantes présentent une forme d' «amnésie moléculaire» -
Decouverte d'une etape importante dans la recherche genomique et
l'amelioration des cultures
Des chercheurs en phytologie de l'Université McGill et de
l'Université de Californie à Berkeley, ont annoncé une
découverte importante dans un processus de développement connu
sous le nom d'épigénétique. Ils sont en effet les premiers à
démontrer l'inversion du processus de mise sous silence
épigénétique chez les végétaux.
Ces résultats sont importants car ils permettront éventuellement
de mieux comprendre les processus de régulation génétique dans
la recherche de meilleures espèces végétales, afin d'améliorer
le rendement des récoltes et cultiver des espèces plus
résistantes aux maladies et capables de mieux tolérer les stress
environnementaux, autant de qualités essentielles pour améliorer
l'approvisionnement en denrées alimentaires de la planète. Mais
cette découverte a surtout le mérite de lever le voile sur les
processus épigénétiques qui se jouent dans le corps humain et
pourrait, à terme, permettre de trouver les moyens de modifier
notre patrimoine génétique afin de nous éviter certaines
maladies, comme le cancer.
Même si presque toutes les cellules de notre corps ont le même
point de départ et sont génétiquement identiques, chacune
d'entre elles expriment un ensemble distinct de gènes,
expliquent les chercheurs. Les changements que subissent les
protéines autour desquelles s'enroule l'ADN portent le nom de
modifications « épigénétiques », car elles modifient
l'expression des gènes, sans pour autant altérer la séquence
d'ADN. Toutefois, à l'instar des changements dans la séquence
d'ADN, les modifications épigénétiques peuvent se transmettre de
la cellule mère à la cellule fille, de sorte que chaque lignée
cellulaire possède les mêmes caractéristiques d'une génération à
l'autre.
Ce processus doit se répéter à chaque génération et on sait que
chez l'animal, il se produit au cours du développement précoce,
une vague de reprogrammation épigénétique qui « reprogramme »
effectivement ce système. Il semble que certains gènes soient
davantage reprogrammés que d'autres et que des gènes qui ont la
même fonction dans chaque cellule, quel que soit le type de
tissu, n'aient pas besoin d'être reprogrammés du tout.
Une catégorie de gène se distingue de toutes les autres, car ils
sont pratiquement toujours épigénétiquement désactivés. Il
s'agit des gènes mobiles ou transposons ou encore « gènes
sauteurs ». Les transposons sont des mutagènes, c'est-à-dire des
gènes qui peuvent modifier leur cellule hôte de différentes
manière et prédisposer par exemple au cancer.
Les expériences que les chercheurs ont menées sur le maïs
donnent à penser que la faculté de maintenir les états
épigénétiques varie selon la position des transposons dans le
génome.
Plusieurs organismes, des vers aux êtres humains en passant par
les végétaux, ont appris à dompter les transposons par un
processus de « mise sous silence » épigénétique : s'ils ne
peuvent pas exprimer leurs gènes, ils ne peuvent pas « sauter ».
S'ils ne peuvent pas sauter pendant un laps de temps assez long,
leur séquence ADN accumule lentement des erreurs et ils se
transforment en fossiles moléculaires. La plupart des
transposons de la grande majorité des organismes sont mis sous
silence de cette manière, mais certains restent relativement
actifs.
Les études antérieures conduites dans le laboratoire de deux des
auteurs de l'article, les professeurs Damon Lisch et Michael
Freeling de l'Université de Californie à Berkeley, et financées
par la National Science Foundation, ont permis de déclencher la
mise sous silence épigénétique dans le maïs. Une fois le
processus déclenché, le maïs en garde la mémoire et maintient le
transposon sous silence d'une génération à l'autre, même si
l'élément déclencheur a disparu.
« Cependant, nous avons découvert qu'il en allait différemment
selon l'endroit où le transposon se trouve dans le génome. En
effet, selon la position d'un transposon donné dans le génome,
dès que l'élément qui permet de le mettre sous silence
disparait, le transposon se réveille », indique Jaswinder Singh,
professeur au département de phytologie de l'Université McGill
et auteur principal de l'article. L'étude intitulée « A Position
Effect on the Heritability of Epigenetic Silencing « (Effet de
la position dans le génome sur l'héritabilité de la mise sous
silence épigénétique » a été publié en octobre dans la revue
PLoS Genetics.
Cette « amnésie moléculaire » n'avait encore jamais été
documentée chez les végétaux et personne jusqu'à présent n'avait
fait le lien entre ce phénomène et la position occupée dans le
génome, quelle que soit l'espèce considérée. Ces données
laissent penser que le paysage épigénétique du génome des
végétaux est peut-être plus subtil et intéressant qu'on ne le
pensait et que la faculté de se souvenir de la mise sous silence
épigénétique varie selon la position dans le génome.
« Il est possible que cela tienne au degré de reprogrammation
qu'un gène donné ou un groupe de gènes doit subir à chaque
génération », indique le professeur Singh. « Nous pouvons
désormais utiliser les transposons pour étudier en profondeur
les variations du paysage épigénétique du génome du maïs. Il se
pourrait donc fort bien que l'oubli soit aussi important que la
mémoire. Nos constatations donnent à penser que le fait
d'effacer les informations héritables est peut-être un élément
important de la machinerie épigénétique ». |
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