"Une hérédité épigénétique par l’intermédiaire des spermatozoïdes : l‘approche évolutive de Lamarck " par le Dr. Mae-Wan Ho

Rapport ISIS 23/03/2009
La version originale en anglais, avec toutes les références, est intitulée Epigenetic Inheritance through Sperm Cells, the Lamarckian ... ; elle est accessible sur le site suivant
www.i-sis.org.uk/epigeneticInheritanceSpermCells.php
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Lamarck contre Darwin

Pendant près d’un siècle, la grande majorité des biologistes ont été fermement partisans de la vision « néodarwinienne », selon laquelle les organismes vivants sont strictement déterminées par leur constitution génétique, qui est essentiellement détachée de l’environnement : ainsi les caractères acquis au cours de leur durée de vie, ne peuvent jamais être transmis à la génération suivante.

Ainsi, si l’un de vos parents s’est entraîné très durement pour devenir un champion olympique de tennis, vous ne vous attendez pas à être né avec de longs bras ou à être un enfant prodige du tennis, sauf s’il vous était arrivé d’hériter des gènes appropriés de ce parent, et il serait alors sans importance que ce parent ait été formé ou non pour le championnat. C’est parce que les gènes étaient censés rester constants, à l’exception de rares mutations aléatoires ; aléatoire en ce sens que les mutations n’ont aucun rapport avec l’environnement, ainsi l’expérience de vos parents ne peut jamais influencer le cours de votre vie.

Le néo-darwinisme est dérivé d’une combinaison de la théorie de Darwin de la sélection naturelle et de la théorie de Mendel selon laquelle les gènes déterminent les caractéristiques des organismes vivants. Le néo-darwinisme est opposé à « néo-lamarckisme », issu de Lamarck, qui avait proposé que les variations épigénétiques non-aléatoires, résultant de l’expérience vécue par l’organisme au cours du développement, sont l’essence même de l’évolution, car ces variations ne peuvent pas être transmises à la génération suivante.

Des critiques notoires du néo-darwinisme, comme celles émises par Conrad Waddington, un biologiste britannique de l’évolution et du développement, rendent compte que la dimension lamarckienne de l’évolution ne peut pas être ignorée, ce qui explique pourquoi il a mis l’« épigénèse », c’est-à-dire le développement, au centre de la scène. Il a proposé que la dynamique intrinsèque du développement - le « paysage épigénétique » - a été la véritable source des variations non aléatoires pour l’évolution [1] (voir Beyond neo-Darwinism : the Epigenetic Approach to Evolution [2], ISIS publication scientifique, pour plus de détails.).

Depuis lors, les conclusions de la génétique moléculaire ont fait que le néo-darwinisme est devenu de plus en plus intenable à la fois en matière de développement et d’évolution [3, 4] (voir Evolution , ISIS publications scientifiques, et Living with the Fluid Genome, une publication ISIS). Bien que la dynamique du développement reste encore l’un des problèmes les plus difficiles pour la recherche d’une solution, les mécanismes lamarckienne abondent au niveau moléculaire [4, 5] ( (Life Beyond the Central Dogma series, SiS 24).

Une nouvelle étude révèle que vous pourriez obtenir, non pas tant les bons gènes appropriés, mais des « rétro-gènes » de votre père, champion de tennis olympique. C’est une très importante constatation, parce que l’influence de la mère, à travers la cellule œuf et l’utérus, est depuis longtemps reconnue comme une partie importante de l’entrée en jeu de l’environnement (non-génétique) pour le développement, tandis que le père était censé y contribuer aucunement avant la naissance, sauf en ce qui concerne ses propres gènes. Maintenant, il semble que l’expérience vécue par un organisme vivant pourrait également se traduire par l’action de "rétro-gènes" qui pouvant être transmis via le sperme.

Des rétro-gènes délivrés par les spermatozoïdes

Les rétro-gènes sont générés par le processus de transcription inverse, dans laquelle les ARN transcrits, modifiés, amplifiés et testés par l’expérience vécue par la personne, sont ‘copiés en retour’, ADN complémentaire (ADNc), constituant de nouveaux messages génétiques qui peuvent être délivrés depuis les spermatozoïdes vers l’ovule lors de la fécondation [6].

Ce processus a été observé lors de la fécondation in vitro, indépendamment du fait que les spermatozoïdes intacts sont incubés avec molécules exogènes d’ADN ou d’ARN. Les séquences transcrites de cette manière inversée et transférées dans les embryons lors de la fécondation, sont propagées en mosaïque dans les tissus des animaux fondateurs, et transmis par la suite à leur descendance, chez lesquelles elles sont maintenues dans des structures en petits nombres de copies (épisomes) à l’extérieur des chromosomes.

Il est maintenant largement admis que les cellules du sperme de pratiquement toutes les espèces animales, peuvent prendre des molécules d’ADN et les délivrer dans l’ovule lors de la fécondation : c’est ce qui a été exploité pour faire des animaux génétiquement modifiés avec une efficacité variable. Mais le sort de l’ADN lié au sperme, après la livraison à l’ovule, n’est pas encore clair, en particulier si des acides nucléiques étrangers se trouvent intégrés dans le génome hôte, ou s’ils restent en dehors des chromosomes.

Des expériences menées en laboratoire indiquent que les structures épisomiques non intégrées, sont souvent générés lorsque des molécules d’ADN étranger sont directement incubées avec des cellules de sperme intact qui sont ensuite utilisées pour féconder les ovules. L’insertion dans le génome de l’hôte est rare dans ces conditions, et à ce jour, elle a été revendiquée par un seul groupe de recherche ayant conduit une expérimentation sur les porcs. Le même groupe de chercheurs a également rapporté plus tard la transmission de séquences non intégrées.
En revanche, l’intégration semble être favorisée par des protocoles qui permettent d’éviter une interaction directe entre les molécules d’acide nucléique exogène et la membrane des spermatozoïdes, tels que l’emballage les acides nucléiques étrangers dans des lipides membranaires, ou par une incubation de l’ADN étranger avec des cellules de sperme sans membranes, suivie d’une micro-injection dans les ovules.

Le transfert de gènes par l’intermédiaire du sperme dépend de la transcription inverse

Corrado Spadafora de l’Université de Rome en Italie a identifié la plupart des facteurs impliqués dans ce sperm-mediated gene transfer (SMGT), le transfert de gène par l’intermédiaire des spermatozoïdes [6].

Les acides nucléiques étrangers sont absorbés et ils atteignent le dispositif nucléaire des spermatozoïdes, où ils sont réorganisés par les nucléases et où ils subissent une recombinaison qui conduit finalement à leur intégration dans le génome des spermatozoïdes. L’analyse a révélé que l’intégration se produit dans un, ou seulement dans un très petit nombre de sites préférentiels dans le génome de la souris : l’intégration des acides nucléiques est donc un phénomène très rare. Les molécules d’ADN extérieures activent une ou plusieurs nucléases dans le sperme, où l’ADN étranger est fortement dégradé et éventuellement une composante mineure de la chromatine se trouve également clivée.

Ces résultats suggèrent qu’il existe des sites discrets de sensibilité vis-à-vis de la nucléase au sein desquels de la chromatine très compactée dans les cellules spermatiques à maturité, constitue des cibles préférentielles pour l’intégration de l’ADN étranger.

La fraction de la chromatine des spermatozoïdes des souris ressemble étroitement à la chromatine active des cellules somatiques, en étant sensible à la nucléase et en présentant le même taux faible de méthylation. Cette fraction de chromatine spermatique est aussi, de manière tout à fait inattendue, enrichie en rétrotransposons à ADN, parmi lesquels les plus abondants sont des séquences LINE1 codant pour la transcriptase inverse (RT). Cette constatation intéressante a incité l’équipe de recherche de Spadafor à incuber les cellules du sperme de souris avec des molécules d’ARN étrangers, puis à rechercher les preuves de la transcription inverse en ADNc.

Dans une de ces expériences, les chercheurs ont incubé les cellules du sperme avec de l’ARN transcrit à partir d’une construction exprimant un gène rapporteur de la beta-galactosidase (-gal). Ils les ont ensuite utilisées pour féconder des ovules in vitro, et pour produire une génération fondatrice F0, suivie d’une descendance F1 par une reproduction normale. L’analyse PCR directe des échantillons d’ADN de deux populations animales F0 et F1 a confirmé que les ADNc contenant -gal ont été générés dans le sperme, puis délivrés dans les ovocytes, et propagés en mosaïque par le biais du développement embryonnaire dans divers tissus des animaux adultes et puis transmis à la génération suivante.

Fait remarquable, ces séquences sont maintenues de façon stable sous forme d’épisomes en un nombre réduit de copies (moins d’une copie par génome), et héritées de façon non mendélienne, sous forme de mosaïque. Plus important encore, l’expression de la protéine -gal a été détectée dans un certain nombre de tissus variés dans les deux générations animales F0 et F1.

Par la suite, les chercheurs ont constaté qu’un processus dépendant de la transcription inverse (RT) est déclenché non seulement lorsque les spermatozoïdes sont incubés avec de l’ARN, mais aussi quand ils sont exposés à de l’ADN. Ils ont incubé les cellules du sperme avec une cassette de rérotransposition contenant une construction d’ADN avec une séquence codant pour une protéine fluorescente verte améliorée (EGFP) comme gène rapporteur, interrompu par un intron de globine placé dans une orientation opposée à celle concernant la protine EGFP.

Pour être exprimé, le gène rapporteur doit passer par la transcription inverse. Tout d’abord la construction d’ADN interagit avec le sperme et elle est reprise dans le noyau : l’ARN primaire est ensuite épissé (pour supprimer l’inetrruption due à l’intron de  globine) et il fait enfin l’objet d’une transcription inverse, passant en ADNc contenant la séquence intacte pour synthétiser la protéine fluorescence verte améliorée (EGFP).
Fait intéressant : seulement une petite proportion de l’ADNc nouvellement synthétisé est retenu dans le sperme, alors que la plus grosse partie de celui-ci est libérée dans le milieu d’incubation et donc disponible pour développer d’autres interactions futures avec les cellules du sperme. Finalement, un état d’équilibre est atteint dans lequel la grande majorité des cellules du sperme sont associées avec l’ADNc étranger, sous forme d’épisomes extrachromosomiques existant en très petit nombre. Ces ADNc sont alors transcrits et le gène rapporteur de la protéine fluorescence verte (EGFP) est exprimé dans les divers tissus des animaux adultes.

De rares événements d’intégration peuvent se produire dans l’ADN chromosomique lié à la matrice qui est sensible à la nucléase et sujette à l’intégration, par opposition à la chromatine non liée à la matrice.
Ces résultats sont impressionnants, mais ils ne concernent que des conditions artificielles in vitro dans lesquelles les spermatozoïdes sont incubés avec de l’ADN étranger ou de l’ARN. Il n’existe à ce jour aucune preuve que les mêmes processus puissent avoir aurait lieu in vivo. Quand est-il effectivement ?

L’hérédité épigénétique in vivo

Une autre équipe de chercheurs dirigée par Minoo Rassoulzadegan à l’Institut national français de la Santé et de la recherche médicale (INSERM) à Nice, a récemment rapporté un cas d’hérédité non mendélienne par l’intermédiaire des ARN, concernant une information extra-génomique chez les souris [7].

Un mutant conçu par une insertion de LacZ dans le gène Kit codant pour le récepteur de la tyrosine se traduit chez les souris par la mort peu après la naissance, chez les animaux à l’état homozygote, alors que les animaux hétérozygotes survivent avec des taches blanches sur la queue et sur les pattes.

Le résultat surprenant est que certains des descendants de ces souris, qui ont hérité des deux copies de type sauvage du gène Kit, présentaient encore les taches blanches caractéristiques des animaux mutants.
Des résultats similaires sont obtenus à partir de mutants hétérozygotes accouplés avec des animaux de type de souris sauvages, quel que soit le sexe du parent porteur du gène mutant. Le phénotype mutant apparaissant dans la descendance de type sauvage homozygote, issue de parents hétérozygotes, est associé à une expression réduite des ARNm, ARM messagers de type sauvage Kit, de manière concomitante avec une accumulation de transcrits d’ARN Kit sans terminaison poly-A (pré-ARNm), de taille anormale dans les tissus, la plupart étant facilement détectés par coloration des ARN dans les spermatozoïdes. La microinjection de cet ARN dans des œufs fécondés induit un phénotype à queue blanche qui est héritable.

Ainsi, les phénotypes ne sont pas exclusivement dus à des gènes chromosomiques, mais ils peuvent dépendre aussi d’une information apparemment stockés dans une classe de molécules d’ARN stables, qui peut dépendre d’une enzyme polymérase d’ARN, et qui est dépendante des ARN.

Commentant ces résultats, Spadafora pense qu’il est possible que la propagation et l’expansion de l’ARN passe par un intermédiaire à ADN, en passant par l’action de la transcriptase inverse [6].

De telles réplications et expansion par l’intermédiaire de la transcription inverse ne prend pas seulement place dans les cellules du sperme et des oeufs, mais elles peuvent peut-être également se produire dans des embryons ainsi que dans des cellules somatiques différenciées, étant donné que la transcription inverse est maintenant connue comme étant susceptible d’opérer et de fonctionner tout au long du processus d’embryogenèse.

L’hypothèse d’hyper-mutation somatique est revisitée

La proposition selon laquelle l’ARN sert d’intermédiaire dans l’hérédité épigénétique n’est pas nouvelle. L’mmunologiste Ted Steele, actuellement à l’université nationale australienne de Canberra, a déjà proposé une telle théorie dans son livre Somatic Selection and Adaptive Evolution : On the Inheritance of Acquired Character, ‘Sélection somatique et évolution adaptative : sur l’hérédité des caractères acquis’, publié en 1981 [8].

Cette proposition est basée sur des résultats expérimentaux très controversés, démontrant l’hérédité de la tolérance immunologique dans un lignage masculin. Bien que certains d’entre nous aient plutôt encouragé le lignage de côté [4], Steele et ses collègues chercheurs ont été violemment rejetés et attaqués par l’establissement scientifique en place dans les années 1980 et 1990, lorsqu’ils continuèrent à repousser les frontières [8], et alors que celles-ci sont maintenant en passe d’être pleinement justifiées.

Essentiellement, Steele et ses collègues avaient proposé que la réponse immunitaire à des antigènes étrangers provoque des taux élevés de mutations (hyper-mutations) dans les globules blancs à travers des cycles de transcription et de traduction inverse, pleines d’erreurs, jusqu’à ce que soient formés des anticorps avec une affinité de liaison élevée avec les antigènes. Les cellules formant de tels anticorps sont sélectionnés par l’antigène étranger qui résulte de la formidable expansion clonale de ces cellules.

Steele pense que les effets spécifiques du gène Kit, observés dans les travaux de Rassoulzadegan et ses collègues de l’INSERM, sont transmis au moins jusqu’à la deuxième génération, le phénomène doit dépendre de quelque chose de plus que la stabilité des ARN. Il est convaincu qu’une transcription inverse et l’étape d’intégration génomique doit intervenir à un certain stade pour fixer l’ADN dans les cellules germinales [9].

Dans le cas de l’important travail de Spadafora, Steele pense que « Les [rares] sites d’intégration centromérique que décrit Spadafora, peuvent être propres à son type de système d’absorption in vitro [et peut être d’une façon spécifique à l’organisme], ‘d’effets génétiques potentiels de quarantaine’, de l’ADN étranger exogène dans le fluide séminal ».

« Mais qu’en est-il de la voie ‘naturelle’, impliquant les ARN / ADN délivrés lors du développement des spermatozoïdes ou des spermatogonies ? , se demande Steele. C’est bien la question cruciale qui demeure dans la mesure où l’évolution adaptative est concernée.
Pour en savoir plus sur le problème du développement et de l’évolution à la lumière des nouvelles observations et découvertes en matière d’épigénétique voir [11] Development and Evolution Revisited (ISIS preprint scientifiques).

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Définitions et compléments en français :

Traduction, définitions et compléments :

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
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