Méthylation de l'ADN - DNA methylation

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Représentation d'une molécule d' ADN méthylée. Les deux sphères blanches représentent les groupes méthyle . Ils sont liés à deux molécules nucléotidiques de cytosine qui constituent la séquence d'ADN.

La méthylation de l'ADN est un processus biologique par lequel des groupes méthyle sont ajoutés à la molécule d' ADN . La méthylation peut changer l'activité d'un segment d'ADN sans changer la séquence. Lorsqu'elle est située dans un promoteur de gène , la méthylation de l'ADN agit généralement pour réprimer la transcription du gène . Chez les mammifères, la méthylation de l'ADN est essentielle au développement normal et est associée à un certain nombre de processus clés, notamment l'empreinte génomique , l'inactivation du chromosome X , la répression des éléments transposables , le vieillissement et la carcinogenèse .

En 2016, deux nucléobases ont été trouvées sur lesquelles s'effectue la méthylation enzymatique naturelle de l'ADN : l' adénine et la cytosine . Les bases modifiées sont la N 6 -méthyladénine, la 5-méthylcytosine et la N 4 -méthylcytosine.

Base non modifiée Adenin.svg   Cytosine.svg
  Adénine,  A   Cytosine,  C
Formulaires modifiés 6-méthyladénine.svg 5-Méthylcytosine.svg N4-Méthylcytosine.svg
  N 6 -Méthyladénine,  6mA   5-Méthylcytosine,  5mC   N 4 -Méthylcytosine,  4mC

Deux des quatre bases de l'ADN, la cytosine et l' adénine , peuvent être méthylées. La méthylation des cytosines est très répandue aussi bien chez les eucaryotes que chez les procaryotes , même si le taux de méthylation de l'ADN des cytosines peut être très différent d'une espèce à l'autre : 14 % des cytosines sont méthylées chez Arabidopsis thaliana , 4 % à 8 % chez Physarum , 7,6 % chez Mus musculus , 2,3 % dans Escherichia coli , 0,03 % dans Drosophila , 0,006 % dans Dictyostelium et pratiquement aucun (0,002 à 0,0003 %) dans Caenorhabditis ou des champignons tels que Saccharomyces cerevisiae et S. pombe (mais pas N. crassa ). La méthylation de l'adénine a été observée dans l'ADN bactérien, végétal et récemment dans l'ADN de mammifère, mais a reçu beaucoup moins d'attention.

La méthylation de la cytosine pour former la 5-méthylcytosine se produit à la même position 5 sur le cycle pyrimidine où se trouve le groupe méthyle de la thymine de base de l'ADN ; la même position distingue la thymine de l' uracile à base d'ARN analogue , qui n'a pas de groupe méthyle. La désamination spontanée de la 5-méthylcytosine la convertit en thymine. Il en résulte une non-concordance T:G. Les mécanismes de réparation le corrigent ensuite à la paire C:G d'origine; alternativement, ils peuvent substituer A à G, transformant la paire C:G originale en une paire T:A, changeant effectivement une base et introduisant une mutation. Cette base mal incorporée ne sera pas corrigée lors de la réplication de l'ADN car la thymine est une base d'ADN. Si le mésappariement n'est pas réparé et que la cellule entre dans le cycle cellulaire, le brin portant le T sera complété par un A dans l'une des cellules filles, de sorte que la mutation deviendra permanente. L'utilisation quasi universelle de la thymine exclusivement dans l'ADN et de l' uracile exclusivement dans l'ARN peut avoir évolué en tant que mécanisme de contrôle des erreurs, pour faciliter l'élimination des uraciles générés par la désamination spontanée de la cytosine. On pense que la méthylation de l'ADN ainsi que bon nombre de ses ADN méthyltransférases contemporaines ont évolué à partir de l'activité de méthylation de l'ARN primitif du monde primitif et sont étayées par plusieurs sources de données.

Chez les plantes et autres organismes, la méthylation de l'ADN se trouve dans trois contextes de séquences différents : CG (ou CpG ), CHG ou CHH (où H correspond à A, T ou C). Chez les mammifères cependant, la méthylation de l'ADN se trouve presque exclusivement dans les dinucléotides CpG, les cytosines sur les deux brins étant généralement méthylées. Une méthylation non CpG peut cependant être observée dans les cellules souches embryonnaires et a également été indiquée dans le développement neural . De plus, une méthylation non CpG a également été observée dans les cellules progénitrices hématopoïétiques , et elle s'est produite principalement dans un contexte de séquence CpApC.

Fonction conservée de la méthylation de l'ADN

Paysage typique de méthylation de l'ADN chez les mammifères

Le paysage de méthylation de l'ADN des vertébrés est très particulier par rapport à d'autres organismes. Chez les mammifères, environ 75 % des dinucléotides CpG sont méthylés dans les cellules somatiques , et la méthylation de l'ADN apparaît comme un état par défaut qui doit être spécifiquement exclu des emplacements définis. En revanche, le génome de la plupart des plantes, des invertébrés, des champignons ou des protistes présente des schémas de méthylation « en mosaïque », où seuls des éléments génomiques spécifiques sont ciblés, et ils sont caractérisés par l'alternance de domaines méthylés et non méthylés.

Une méthylation élevée de CpG dans les génomes des mammifères a un coût évolutif car elle augmente la fréquence des mutations spontanées. La perte de groupes amino se produit avec une fréquence élevée pour les cytosines, avec des conséquences différentes selon leur méthylation. Les résidus C méthylés se désaminent spontanément pour former des résidus T au cours du temps ; par conséquent, les dinucléotides CpG se désaminent régulièrement en dinucléotides TpG, ce qui est mis en évidence par la sous-représentation des dinucléotides CpG dans le génome humain (ils n'apparaissent qu'à 21 % de la fréquence attendue). (D'autre part, la désamination spontanée des résidus C non méthylés donne lieu à des résidus U, un changement qui est rapidement reconnu et réparé par la cellule.)

Îles CpG

Chez les mammifères, la seule exception à cette déplétion globale en CpG réside dans une catégorie spécifique de séquences riches en GC et CpG appelées îlots CpG qui sont généralement non méthylés et conservent donc la teneur en CpG attendue. Les îlots CpG sont généralement définis comme des régions ayant : 1) une longueur supérieure à 200 pb, 2) une teneur en G+C supérieure à 50 %, 3) un rapport CpG observé/CpG attendu supérieur à 0,6, bien que d'autres définitions soient parfois utilisées. Hors séquences répétées, il existe environ 25 000 îlots CpG dans le génome humain, dont 75 % ont une longueur inférieure à 850 pb. Ce sont des unités régulatrices majeures et environ 50 % des îlots CpG sont situés dans des régions de promoteurs de gènes, tandis que 25 % supplémentaires se trouvent dans des corps de gènes, servant souvent de promoteurs alternatifs. Réciproquement, environ 60 à 70 % des gènes humains ont un îlot CpG dans leur région promotrice. La majorité des îlots CpG sont constitutivement non méthylés et enrichis pour la modification permissive de la chromatine telle que la méthylation H3K4. Dans les tissus somatiques, seuls 10 % des îlots CpG sont méthylés, la majorité d'entre eux étant situés dans des régions intergéniques et intragéniques.

Répression des promoteurs denses en CpG

La méthylation de l'ADN était probablement présente dans une certaine mesure chez les tout premiers ancêtres eucaryotes. Dans pratiquement tous les organismes analysés, la méthylation dans les régions promotrices est en corrélation négative avec l'expression des gènes. Les promoteurs CpG-denses de gènes activement transcrits ne sont jamais méthylés, mais, réciproquement, les gènes transcriptionnellement silencieux ne portent pas nécessairement un promoteur méthylé. Chez la souris et l'homme, environ 60 à 70 % des gènes ont un îlot CpG dans leur région promotrice et la plupart de ces îlots CpG restent non méthylés indépendamment de l'activité transcriptionnelle du gène, dans les types cellulaires différenciés et indifférenciés. À noter, alors que la méthylation de l'ADN des îlots CpG est sans ambiguïté liée à la répression transcriptionnelle, la fonction de la méthylation de l'ADN dans les promoteurs pauvres en CG reste incertaine ; bien qu'il y ait peu de preuves qu'il pourrait être fonctionnellement pertinent.

La méthylation de l'ADN peut affecter la transcription des gènes de deux manières. Premièrement, la méthylation de l'ADN lui-même peut physiquement entraver la liaison des protéines transcriptionnelles au gène, et deuxièmement, et probablement plus important, l'ADN méthylé peut être lié par des protéines connues sous le nom de protéines du domaine de liaison méthyl-CpG (MBD). Les protéines MBD recrutent ensuite des protéines supplémentaires dans le locus, telles que les histones désacétylases et d'autres protéines de remodelage de la chromatine qui peuvent modifier les histones , formant ainsi une chromatine compacte et inactive, appelée hétérochromatine . Ce lien entre la méthylation de l'ADN et la structure de la chromatine est très important. En particulier, la perte de methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2) a été impliquée dans le syndrome de Rett ; et la protéine 2 du domaine de liaison au méthyle-CpG (MBD2) médie le silence transcriptionnel des gènes hyperméthylés dans le "cancer".

Répression des éléments transposables

La méthylation de l'ADN est un puissant répresseur transcriptionnel, du moins dans les contextes denses en CpG. La répression transcriptionnelle des gènes codant pour les protéines apparaît essentiellement limitée à des classes de gènes très spécifiques qui doivent être silencieuses en permanence et dans presque tous les tissus. Alors que la méthylation de l'ADN n'a pas la flexibilité requise pour le réglage fin de la régulation des gènes, sa stabilité est parfaite pour assurer le silence permanent des éléments transposables . Le contrôle des transposons est l'une des fonctions les plus anciennes de la méthylation de l'ADN qui est partagée par les animaux, les plantes et plusieurs protistes. Il est même suggéré que la méthylation de l'ADN a évolué précisément dans ce but.

Expansion du génome

La méthylation de l'ADN d'éléments transposables est connue pour être liée à l'expansion du génome. Cependant, le moteur évolutif de l'expansion du génome reste inconnu. Il existe une corrélation claire entre la taille du génome et le CpG, suggérant que la méthylation de l'ADN des éléments transposables a conduit à une augmentation notable de la masse d'ADN.

Méthylation du corps génétique des gènes hautement transcrits

Une fonction qui semble encore plus conservée que l'extinction du transposon est positivement corrélée à l'expression des gènes. Dans presque toutes les espèces où la méthylation de l'ADN est présente, la méthylation de l'ADN est particulièrement enrichie dans le corps des gènes hautement transcrits. La fonction de la méthylation du corps des gènes n'est pas bien comprise. Un ensemble de preuves suggère qu'il pourrait réguler l' épissage et supprimer l'activité des unités transcriptionnelles intragéniques (promoteurs cryptiques ou éléments transposables). La méthylation gène-corps semble étroitement liée à la méthylation H3K36. Chez la levure et les mammifères, la méthylation de H3K36 est fortement enrichie dans le corps de gènes hautement transcrits. Chez la levure au moins, H3K36me3 recrute des enzymes telles que les histones désacétylases pour condenser la chromatine et empêcher l'activation des sites de départ cryptiques. Chez les mammifères, le domaine PWWP DNMT3a et DNMT3b se lie à H3K36me3 et les deux enzymes sont recrutées dans le corps des gènes activement transcrits.

Chez les mammifères

Dynamique de la méthylation de l'ADN au cours du développement embryonnaire de la souris. E3.5-E6, etc., se réfèrent aux jours après la fécondation. PGC : cellules germinales primordiales

Au cours du développement embryonnaire

Article principal: reprogrammation de la méthylation de l'ADN

Les schémas de méthylation de l'ADN sont largement effacés puis rétablis entre les générations chez les mammifères. Presque toutes les méthylations des parents sont effacées, d'abord au cours de la gamétogenèse , puis à nouveau au début de l' embryogenèse , avec une déméthylation et une reméthylation se produisant à chaque fois. La déméthylation au début de l'embryogenèse se produit pendant la période préimplantatoire en deux étapes - d'abord dans le zygote , puis au cours des premiers cycles de réplication embryonnaire de la morula et de la blastula . Une vague de méthylation a alors lieu lors de la phase d'implantation de l'embryon, avec des îlots CpG protégés de la méthylation. Cela entraîne une répression globale et permet aux gènes de ménage d'être exprimés dans toutes les cellules. Au stade post-implantation, les schémas de méthylation sont spécifiques au stade et au tissu, avec des changements qui définiraient chaque type de cellule individuel durablement sur une longue période.

Alors que la méthylation de l'ADN n'est pas nécessaire en soi pour le silençage transcriptionnel, on pense néanmoins qu'elle représente un état « verrouillé » qui inactive définitivement la transcription. En particulier, méthylation de l' ADN apparaît essentiel pour le maintien de silençage mono-allélique dans le contexte de l' empreinte génomique et l' inactivation du chromosome X . Dans ces cas, les allèles exprimés et silencieux diffèrent par leur statut de méthylation, et la perte de méthylation de l'ADN entraîne une perte d'empreinte et une réexpression de Xist dans les cellules somatiques. Au cours du développement embryonnaire, peu de gènes changent leur statut de méthylation, à l'exception importante de nombreux gènes spécifiquement exprimés dans la lignée germinale. La méthylation de l'ADN semble absolument nécessaire dans les cellules différenciées , car le knock-out de l'une des trois ADN méthyltransférase compétentes entraîne une létalité embryonnaire ou post-partum. En revanche, la méthylation de l'ADN est dispensable dans les types cellulaires indifférenciés, tels que la masse cellulaire interne du blastocyste, les cellules germinales primordiales ou les cellules souches embryonnaires. Étant donné que la méthylation de l'ADN ne semble réguler directement qu'un nombre limité de gènes, la précision avec laquelle l'absence de méthylation de l'ADN provoque la mort des cellules différenciées reste une question ouverte.

En raison du phénomène d' empreinte génomique , les génomes maternels et paternels sont marqués différemment et doivent être correctement reprogrammés à chaque passage dans la lignée germinale. Par conséquent, au cours de la gamétogenèse , les modèles de méthylation de l'ADN biparental d'origine des cellules germinales primordiales doivent être effacés et rétablis en fonction du sexe du parent transmetteur. Après la fécondation, les génomes paternel et maternel sont à nouveau déméthylés et reméthylés (sauf pour les régions différentiellement méthylées associées aux gènes empreintes). Cette reprogrammation est probablement nécessaire pour la totipotence de l'embryon nouvellement formé et l'effacement des modifications épigénétiques acquises.

Dans le cancer

Articles principaux: méthylation de l'ADN dans le cancer et Régulation de la transcription dans le cancer

Dans de nombreux processus pathologiques, tels que le cancer , les îlots CpG du promoteur du gène acquièrent une hyperméthylation anormale, ce qui entraîne un silence transcriptionnel qui peut être hérité par les cellules filles après la division cellulaire. Les altérations de la méthylation de l'ADN ont été reconnues comme un élément important du développement du cancer. L'hypométhylation, en général, survient plus tôt et est liée à l'instabilité chromosomique et à la perte d'empreinte, tandis que l'hyperméthylation est associée à des promoteurs et peut survenir secondairement à l'extinction du gène (suppresseur d'oncogène), mais pourrait être une cible pour la thérapie épigénétique .

L'hypométhylation globale a également été impliquée dans le développement et la progression du cancer par différents mécanismes. Typiquement, il existe une hyperméthylation des gènes suppresseurs de tumeurs et une hypométhylation des oncogènes .

Généralement, lors de la progression vers le cancer, des centaines de gènes sont réduits au silence ou activés . Bien que l'extinction de certains gènes dans les cancers se produise par mutation, une grande partie de l'extinction de gènes cancérigènes est le résultat d'une méthylation de l'ADN altérée (voir Méthylation de l'ADN dans le cancer ). La méthylation de l'ADN provoquant l'extinction dans le cancer se produit généralement au niveau de plusieurs sites CpG dans les îlots CpG qui sont présents dans les promoteurs des gènes codant pour les protéines.

Les expressions altérées des microARN font également taire ou activent de nombreux gènes en progression vers le cancer (voir microARN dans le cancer ). MicroRNA expression altérée se produit à travers l' hyper / l' hypo-méthylation des sites CpG dans les îlots CpG dans les promoteurs qui contrôlent la transcription des microARN .

L'extinction des gènes de réparation de l'ADN par méthylation des îlots CpG dans leurs promoteurs semble être particulièrement importante dans la progression vers le cancer (voir méthylation des gènes de réparation de l'ADN dans le cancer ).

Dans l'athérosclérose

Des modifications épigénétiques telles que la méthylation de l'ADN ont été impliquées dans les maladies cardiovasculaires, y compris l' athérosclérose . Dans les modèles animaux d'athérosclérose, les tissus vasculaires, ainsi que les cellules sanguines telles que les cellules sanguines mononucléées, présentent une hypométhylation globale avec des zones d'hyperméthylation spécifiques aux gènes. Les polymorphismes de méthylation de l'ADN peuvent être utilisés comme biomarqueur précoce de l'athérosclérose car ils sont présents avant l'observation des lésions, ce qui peut constituer un outil précoce de détection et de prévention des risques.

Deux des types cellulaires ciblés pour les polymorphismes de méthylation de l'ADN sont les monocytes et les lymphocytes, qui subissent une hypométhylation globale. Un mécanisme proposé derrière cette hypométhylation globale est des niveaux élevés d' homocystéine provoquant une hyperhomocystéinémie , un facteur de risque connu de maladie cardiovasculaire. Des taux plasmatiques élevés d'homocystéine inhibent les ADN méthyltransférases, ce qui provoque une hypométhylation. L'hypométhylation de l'ADN affecte les gènes qui modifient la prolifération des cellules musculaires lisses, provoquent un dysfonctionnement des cellules endothéliales et augmentent les médiateurs inflammatoires, qui sont tous essentiels à la formation de lésions athéroscléreuses. Des niveaux élevés d'homocystéine entraînent également une hyperméthylation des îlots CpG dans la région promotrice du gène du récepteur des œstrogènes alpha (ERα), provoquant sa régulation négative. ERα protège contre l'athérosclérose en raison de son action en tant que suppresseur de croissance, ce qui permet aux cellules musculaires lisses de rester dans un état de repos. L'hyperméthylation du promoteur ERα permet ainsi aux cellules musculaires lisses intimales de proliférer de manière excessive et de contribuer au développement de la lésion athéroscléreuse.

Un autre gène qui subit un changement de statut de méthylation dans l'athérosclérose est le transporteur de monocarboxylate (MCT3), qui produit une protéine responsable du transport du lactate et d'autres corps cétoniques hors de nombreux types de cellules, y compris les cellules musculaires lisses vasculaires. Chez les patients atteints d'athérosclérose, il y a une augmentation de la méthylation des îlots CpG dans l'exon 2, ce qui diminue l'expression de la protéine MCT3. La régulation négative de MCT3 altère le transport du lactate et augmente considérablement la prolifération des cellules musculaires lisses, ce qui contribue davantage à la lésion athéroscléreuse. Une expérience ex vivo utilisant l'agent déméthylant Decitabine (5-aza-2-deoxycytidine) a montré qu'elle induisait l'expression de MCT3 de manière dose-dépendante, car tous les sites hyperméthylés dans l'îlot CpG de l'exon 2 sont devenus déméthylés après le traitement. Cela peut servir de nouvel agent thérapeutique pour traiter l'athérosclérose, bien qu'aucune étude humaine n'ait été menée jusqu'à présent.

Dans l'insuffisance cardiaque

En plus de l' athérosclérose décrite ci-dessus, des changements épigénétiques spécifiques ont été identifiés dans le cœur humain défaillant. Cela peut varier selon l'étiologie de la maladie. Par exemple, dans l'insuffisance cardiaque ischémique, des modifications de la méthylation de l'ADN ont été liées à des modifications de l'expression génique qui peuvent diriger l'expression génique associée aux modifications connues du métabolisme cardiaque. D'autres formes d'insuffisance cardiaque (par exemple, la cardiomyopathie diabétique) et les comorbidités (par exemple, l'obésité) doivent être explorées pour déterminer la fréquence de ces mécanismes. De manière plus frappante, dans le cas d'un cœur humain défaillant, ces changements dans la méthylation de l'ADN sont associés au statut racial et socio-économique qui ont un impact supplémentaire sur la façon dont l'expression des gènes est modifiée et peuvent influencer la façon dont l'insuffisance cardiaque de l'individu doit être traitée.

En vieillissant

Chez l'homme et d'autres mammifères, les niveaux de méthylation de l'ADN peuvent être utilisés pour estimer avec précision l'âge des tissus et des types de cellules, formant ainsi une horloge épigénétique précise .

Une étude longitudinale d' enfants jumeaux a montré qu'entre l'âge de 5 et 10 ans, il y avait une divergence des modèles de méthylation due à des influences environnementales plutôt que génétiques. Il y a une perte globale de méthylation de l'ADN au cours du vieillissement.

Dans une étude qui a analysé les méthylomes complets de l'ADN des cellules CD4 + T chez un nouveau-né, un individu de 26 ans et un individu de 103 ans ont observé que la perte de méthylation est proportionnelle à l'âge. Les CpG hypométhylés observés dans les ADN centenaires par rapport aux nouveau-nés couvraient tous les compartiments génomiques (promoteurs, régions intergéniques, introniques et exoniques). Cependant, certains gènes deviennent hyperméthylés avec l'âge, notamment les gènes du récepteur des œstrogènes , p16 , et du facteur de croissance analogue à l'insuline 2 .

En exercice

Il a été démontré que l'exercice de haute intensité entraîne une réduction de la méthylation de l'ADN dans le muscle squelettique. La méthylation des promoteurs de PGC-1α et PDK4 a été immédiatement réduite après un exercice de haute intensité, tandis que la méthylation de PPAR-γ n'a été réduite que trois heures après l'exercice. Dans le même temps, six mois d'exercice chez des hommes d'âge moyen auparavant sédentaires ont entraîné une augmentation de la méthylation du tissu adipeux . Une étude a montré une augmentation possible de la méthylation globale de l'ADN génomique des globules blancs avec plus d'activité physique chez les non-hispaniques.

Dans la différenciation des cellules B

Une étude qui a étudié le méthylome des cellules B tout au long de leur cycle de différenciation, en utilisant le séquençage au bisulfite du génome entier (WGBS), a montré qu'il existe une hypométhylation des stades les plus précoces aux stades les plus différenciés. La plus grande différence de méthylation se situe entre les stades des cellules B du centre germinatif et les cellules B mémoire. De plus, cette étude a montré qu'il existe une similitude entre les tumeurs des cellules B et les cellules B à longue durée de vie dans leurs signatures de méthylation de l'ADN.

Dans le cerveau

Deux revues résument les preuves que les altérations de la méthylation de l'ADN dans les neurones du cerveau sont importantes pour l'apprentissage et la mémoire. Le conditionnement contextuel de la peur (une forme d'apprentissage associatif) chez les animaux, tels que les souris et les rats, est rapide et extrêmement robuste pour créer des souvenirs. Chez la souris et le rat, le conditionnement contextuel de la peur, en 1 à 24 heures, est associé à des méthylations altérées de plusieurs milliers de cytosines d'ADN dans les gènes des neurones de l' hippocampe . Vingt-quatre heures après le conditionnement contextuel de la peur, 9,2 % des gènes dans les neurones de l' hippocampe du rat sont méthylés de manière différentielle. Chez la souris, lors d'un examen quatre semaines après le conditionnement, les méthylations et déméthylations de l'hippocampe avaient été réinitialisées aux conditions naïves d'origine. L' hippocampe est nécessaire pour former des souvenirs, mais les souvenirs n'y sont pas stockés. Pour ces souris, quatre semaines après le conditionnement contextuel de la peur, des méthylations et déméthylations CpG différentielles substantielles se sont produites dans les neurones corticaux pendant le maintien de la mémoire, et il y avait 1 223 gènes différentiellement méthylés dans leur cortex cingulaire antérieur. Des changements actifs dans la méthylation et la déméthylation de l'ADN neuronal semblent agir comme des contrôleurs de la mise à l'échelle synaptique et du trafic des récepteurs du glutamate dans l' apprentissage et la formation de la mémoire .

ADN méthyltransférases (chez les mammifères)

Voies possibles de la méthylation et de la déméthylation de la cytosine. Abréviations : S-adénosyl-L-homocystéine ( SAH ), S-adénosyl-L-méthionine ( SAM ), ADN méthyltransférase ( DNA MTase ), Uracil-DNA glycosylase ( UNG )

Dans les cellules de mammifères, la méthylation de l'ADN se produit principalement à la position C5 des dinucléotides CpG et est réalisée par deux classes générales d'activités enzymatiques : la méthylation d'entretien et la méthylation de novo .

L'activité de méthylation d'entretien est nécessaire pour préserver la méthylation de l'ADN après chaque cycle de réplication de l'ADN cellulaire. Sans l' ADN méthyltransférase (DNMT), la machinerie de réplication elle-même produirait des brins filles non méthylés et, au fil du temps, conduirait à une déméthylation passive. DNMT1 est la méthyltransférase d'entretien proposée qui est responsable de la copie des modèles de méthylation de l'ADN sur les brins filles pendant la réplication de l'ADN. Les modèles de souris avec les deux copies de DNMT1 supprimées sont létal embryonnaire à environ le jour 9, en raison de l'exigence de l'activité DNMT1 pour le développement dans les cellules de mammifères.

On pense que DNMT3a et DNMT3b sont les méthyltransférases de novo qui établissent les modèles de méthylation de l'ADN au début du développement. Le DNMT3L est une protéine homologue aux autres DNMT3 mais n'a pas d'activité catalytique. Au lieu de cela, le DNMT3L aide les méthyltransférases de novo en augmentant leur capacité à se lier à l'ADN et en stimulant leur activité. Les souris et les rats possèdent une troisième enzyme de novo méthyltransférase fonctionnelle nommée DNMT3C, qui a évolué en tant que paralogue de Dnmt3b par duplication en tandem chez l' ancêtre commun des rongeurs Muroidea. Le DNMT3C catalyse la méthylation de promoteurs d'éléments transposables au cours de la spermatogenèse précoce, une activité qui s'est avérée essentielle pour leur répression épigénétique et leur fertilité masculine. Il n'est pas encore clair si chez d'autres mammifères qui n'ont pas de DNMT3C (comme les humains) s'appuient sur DNMT3B ou DNMT3A pour la méthylation de novo des éléments transposables dans la lignée germinale. Enfin, DNMT2 (TRDMT1) a été identifié comme un homologue de l'ADN méthyltransférase, contenant les 10 motifs de séquence communs à toutes les ADN méthyltransférases ; cependant, DNMT2 (TRDMT1) ne méthyle pas l'ADN mais méthyle à la place la cytosine-38 dans la boucle anticodon de l'ARN de transfert d'acide aspartique.

Étant donné que de nombreux gènes suppresseurs de tumeurs sont réduits au silence par la méthylation de l'ADN au cours de la cancérogenèse , il y a eu des tentatives pour réexprimer ces gènes en inhibant les DNMT. La 5-Aza-2'-désoxycytidine ( décitabine ) est un analogue nucléosidique qui inhibe les DNMT en les piégeant dans un complexe covalent sur l'ADN en empêchant l'étape de -élimination de la catalyse, entraînant ainsi la dégradation des enzymes. Cependant, pour que la décitabine soit active, elle doit être incorporée dans le génome de la cellule, ce qui peut provoquer des mutations dans les cellules filles si la cellule ne meurt pas. De plus, la décitabine est toxique pour la moelle osseuse, ce qui limite la taille de sa fenêtre thérapeutique. Ces écueils ont conduit au développement de thérapies à ARN antisens qui ciblent les DNMT en dégradant leurs ARNm et en empêchant leur traduction . Cependant, il est actuellement difficile de savoir si le ciblage de DNMT1 seul est suffisant pour réactiver les gènes suppresseurs de tumeurs réduits au silence par la méthylation de l'ADN.

Dans les plantes

Des progrès significatifs ont été réalisés dans la compréhension de la méthylation de l'ADN chez la plante modèle Arabidopsis thaliana . La méthylation de l'ADN chez les plantes diffère de celle des mammifères : alors que la méthylation de l'ADN chez les mammifères se produit principalement sur le nucléotide de la cytosine dans un site CpG , chez les plantes, la cytosine peut être méthylée aux sites CpG, CpHpG et CpHpH, où H représente n'importe quel nucléotide mais pas la guanine . Dans l'ensemble, l' ADN d' Arabidopsis est fortement méthylé, l' analyse par spectrométrie de masse a estimé à 14 % les cytosines à modifier.

Les principales enzymes ADN méthyltransférase d' Arabidopsis , qui transfèrent et fixent de manière covalente les groupes méthyle sur l'ADN, sont DRM2, MET1 et CMT3. Les protéines DRM2 et MET1 partagent une homologie significative avec les méthyltransférases mammifères DNMT3 et DNMT1, respectivement, alors que la protéine CMT3 est unique au règne végétal. Il existe actuellement deux classes d'ADN méthyltransférases : 1) la classe de novo ou les enzymes qui créent de nouvelles marques de méthylation sur l'ADN ; 2) une classe de maintenance qui reconnaît les marques de méthylation sur le brin parental de l'ADN et transfère la nouvelle méthylation aux brins filles après la réplication de l'ADN. DRM2 est la seule enzyme qui a été impliquée en tant qu'ADN méthyltransférase de novo . DRM2 a également été montré, avec MET1 et CMT3 pour être impliqués dans le maintien des marques de méthylation par la réplication de l'ADN. D'autres ADN méthyltransférases sont exprimées dans les plantes mais n'ont pas de fonction connue (voir la Chromatin Database ).

On ne sait pas comment la cellule détermine les emplacements de la méthylation de l'ADN de novo , mais les preuves suggèrent que pour de nombreux emplacements (mais pas tous), la méthylation de l'ADN dirigée par l'ARN (RdDM) est impliquée. Dans RdDM, des transcrits d'ARN spécifiques sont produits à partir d'une matrice d'ADN génomique, et cet ARN forme des structures secondaires appelées molécules d'ARN double brin. Les ARN double brin, par le biais des voies des petits ARN interférents ( siARN ) ou des microARN ( miARN ), dirigent la méthylation de novo de l'ADN de l'emplacement génomique d'origine qui a produit l'ARN. On pense que ce type de mécanisme est important dans la défense cellulaire contre les virus à ARN et/ou les transposons , qui forment tous deux souvent un ARN double brin qui peut être mutagène pour le génome de l'hôte. En méthylant leurs localisations génomiques, par un mécanisme encore mal compris, elles sont fermées et ne sont plus actives dans la cellule, protégeant le génome de leur effet mutagène. Récemment, il a été décrit que la méthylation de l'ADN est le principal déterminant de la formation de cultures embryogènes à partir d'explants de plantes ligneuses et est considérée comme le principal mécanisme expliquant la faible réponse des explants matures à l'embryogenèse somatique chez les plantes (Isah 2016).

Chez les insectes

Informations complémentaires : Epigénétique chez les insectes

Divers ordres d'insectes présentent des schémas variés de méthylation de l'ADN, allant de niveaux presque indétectables chez les mouches à de faibles niveaux chez les papillons et plus élevés chez les vrais insectes et certains cafards (jusqu'à 14% de tous les sites de CG à Blattella asahinai ).

La méthylation fonctionnelle de l'ADN a été découverte chez les abeilles mellifères. Les marques de méthylation de l'ADN se trouvent principalement sur le corps du gène, et les opinions actuelles sur la fonction de la méthylation de l'ADN sont la régulation des gènes via l'épissage alternatif

Les niveaux de méthylation de l'ADN chez Drosophila melanogaster sont presque indétectables. Les méthodes sensibles appliquées à l'ADN de drosophile suggèrent des niveaux compris entre 0,1 et 0,3 % de la cytosine totale. Ce faible niveau de méthylation semble résider dans des schémas de séquences génomiques très différents des schémas observés chez l'homme ou chez d'autres espèces animales ou végétales à ce jour. La méthylation génomique chez D. melanogaster a été trouvée au niveau de motifs courts spécifiques (concentrés dans des motifs de séquence de 5 bases spécifiques qui sont riches en CA et CT mais appauvris en guanine) et est indépendante de l'activité de DNMT2. En outre, des approches de spectrométrie de masse hautement sensibles ont maintenant démontré la présence de niveaux faibles (0,07 %) mais significatifs de méthylation de l'adénine au cours des premiers stades de l'embryogenèse de la drosophile.

Dans les champignons

De nombreux champignons ont de faibles niveaux (0,1 à 0,5 %) de méthylation de la cytosine, tandis que d'autres champignons ont jusqu'à 5 % du génome méthylé. Cette valeur semble varier à la fois entre les espèces et entre les isolats de la même espèce. Il existe également des preuves que la méthylation de l'ADN peut être impliquée dans le contrôle spécifique de l'état de l'expression des gènes chez les champignons. Cependant, à une limite de détection de 250 attomoles en utilisant la spectrométrie de masse ultra-sensible , la méthylation de l'ADN n'a pas été confirmée dans des espèces de levures unicellulaires telles que Saccharomyces cerevisiae ou Schizosaccharomyces pombe , indiquant que les levures ne possèdent pas cette modification de l'ADN.

Bien que la levure de bière ( Saccharomyces ), la levure à fission ( Schizosaccharomyces ) et Aspergillus flavus n'aient pas de méthylation de l'ADN détectable, le champignon filamenteux modèle Neurospora crassa a un système de méthylation bien caractérisé. Plusieurs gènes contrôlent la méthylation chez Neurospora et la mutation de l'ADN méthyl transférase, dim-2 , élimine toute méthylation de l'ADN mais n'affecte pas la croissance ou la reproduction sexuée. Alors que le génome de Neurospora a très peu d'ADN répété, la moitié de la méthylation se produit dans l'ADN répété, y compris les reliques de transposon et l'ADN centromérique. La capacité d'évaluer d'autres phénomènes importants dans un contexte génétique déficient en ADN méthylase fait de Neurospora un système important pour étudier la méthylation de l'ADN.

Chez les autres eucaryotes

La méthylation de l'ADN est largement absente de Dictyostelium discoidium où elle semble se produire à environ 0,006 % des cytosines. En revanche, la méthylation de l'ADN est largement répandue chez Physarum polycephalum où la 5-méthylcytosine représente jusqu'à 8 % de la cytosine totale.

Dans les bactéries

Toutes les méthylations chez un procaryote . Dans certains organismes procaryotes, les trois types de méthylation de l'ADN précédemment connus sont représentés (N4-méthylcytosine : m4C, 5-méthylcytosine : m5C et N6-méthyladénine : m6A). Six exemples sont présentés ici, dont deux appartiennent au domaine Archaea et quatre appartiennent au domaine Bacteria. Les informations proviennent de Blow et al. (2016). Dans la colonne de gauche se trouvent les noms d'espèces des organismes, à droite se trouvent des exemples de motifs d'ADN méthylé. Les noms complets des archées et des souches bactériennes sont selon la taxonomie NCBI : "Methanocaldococcus jannaschii DSM 2661", "Methanocorpusculum labreanum Z", "Clostridium perfringens ATCC 13127", "Geopsychrobacter electrodiphilus DSM 16401", "Rhodopseudomonas009 palust" Salmonella enterica sous-espèce enterica sérovar Paratyphi A str. ATCC 9150 "

La méthylation de l' adénine ou de la cytosine est médiée par des systèmes de modification de restriction de nombreuses bactéries , dans lesquels des séquences d'ADN spécifiques sont méthylées périodiquement dans tout le génome. Une méthylase est l'enzyme qui reconnaît une séquence spécifique et méthyle l'une des bases dans ou à proximité de cette séquence. Les ADN étrangers (qui ne sont pas méthylés de cette manière) qui sont introduits dans la cellule sont dégradés par des enzymes de restriction spécifiques à la séquence et clivés. L'ADN génomique bactérien n'est pas reconnu par ces enzymes de restriction. La méthylation de l'ADN natif agit comme une sorte de système immunitaire primitif, permettant aux bactéries de se protéger de l'infection par le bactériophage .

L' ADN adénine méthyltransférase (Dam) d' E. coli est une enzyme d'environ 32 kDa qui n'appartient pas à un système de restriction/modification. La séquence de reconnaissance cible pour E. coli Dam est GATC, car la méthylation se produit à la position N6 de l'adénine dans cette séquence (G meATC). Les trois paires de bases flanquant chaque côté de ce site influencent également la liaison ADN-Dam. Dam joue plusieurs rôles clés dans les processus bactériens, notamment la réparation des mésappariements, le moment de la réplication de l'ADN et l'expression des gènes. À la suite de la réplication de l'ADN, l'état des sites GATC dans legénome d' E. coli passe de complètement méthylé à hémiméthylé. En effet, l'adénine introduite dans le nouveau brin d'ADN n'est pas méthylée. La reméthylation se produit en deux à quatre secondes, au cours desquelles les erreurs de réplication dans le nouveau brin sont réparées. La méthylation, ou son absence, est le marqueur qui permet à l'appareil de réparation de la cellule de faire la différence entre la matrice et les brins naissants. Il a été démontré que la modification de l'activité de Dam chez les bactéries entraîne une augmentation du taux de mutation spontanée. La viabilité bactérienne est compromise chez les mutants dam qui manquent également de certaines autres enzymes de réparation de l'ADN, fournissant une preuve supplémentaire du rôle de Dam dans la réparation de l'ADN.

Une région de l'ADN qui conserve son statut hémiméthylé plus longtemps est l' origine de réplication , qui a une abondance de sites GATC. Ceci est au cœur du mécanisme bactérien de synchronisation de la réplication de l'ADN. SeqA se lie à l'origine de réplication, la séquestrant et empêchant ainsi la méthylation. Parce que les origines de réplication hémiméthylées sont inactives, ce mécanisme limite la réplication de l'ADN à une fois par cycle cellulaire.

L'expression de certains gènes, par exemple ceux codant pour l' expression de pilus dans E. coli , est régulée par la méthylation des sites GATC dans la région promotrice de l'opéron du gène. Les conditions environnementales des cellules juste après la réplication de l'ADN déterminent si Dam est empêché de méthyler une région proximale ou distale de la région du promoteur. Une fois que le modèle de méthylation a été créé, la transcription du gène pilus est verrouillée en position marche ou arrêt jusqu'à ce que l'ADN soit à nouveau répliqué. Dans E. coli , ces opérons pili jouent un rôle important dans la virulence des infections des voies urinaires. Il a été proposé que les inhibiteurs de Dam puissent fonctionner comme des antibiotiques.

D'autre part, l'ADN cytosine méthylase cible les sites CCAGG et CCTGG pour méthyler la cytosine en position C5 (C meC(A/T)GG). L'autre enzyme méthylase, EcoKI, provoque la méthylation des adénines dans les séquences AAC(N 6 )GTGC et GCAC(N 6 )GTT.

Chez Clostridioides difficile , il a été démontré que la méthylation de l'ADN au niveau du motif cible CAAAAA avait un impact sur la sporulation , une étape clé dans la transmission de la maladie, ainsi que sur la longueur des cellules, la formation de biofilm et la colonisation de l'hôte.

Clonage moléculaire

La plupart des souches utilisées par les biologistes moléculaires sont des dérivés d' E. coli K-12 et possèdent à la fois Dam et Dcm, mais il existe des souches disponibles dans le commerce qui sont dam-/dcm- (manque d'activité de l'une ou l'autre méthylase). En effet, il est possible de déméthyler l'ADN extrait des souches dam+/dcm+ en le transformant en souches dam-/dcm-. Cela aiderait à digérer les séquences qui ne sont pas reconnues par les enzymes de restriction sensibles à la méthylation.

L' enzyme de restriction DpnI peut reconnaître les sites 5'-GmeATC-3' et digérer l'ADN méthylé. Étant un motif si court, il se produit fréquemment dans des séquences par hasard et, en tant que tel, son utilisation principale pour les chercheurs est de dégrader l'ADN matrice après les PCR (les produits de PCR manquent de méthylation, car aucune méthylase n'est présente dans la réaction). De même, certaines enzymes de restriction disponibles dans le commerce sont sensibles à la méthylation au niveau de leurs sites de restriction apparentés et doivent, comme mentionné précédemment, être utilisées sur l'ADN passé à travers une souche dam-/dcm- pour permettre la coupe.

Détection

La méthylation de l'ADN peut être détectée par les tests suivants actuellement utilisés dans la recherche scientifique :

  • La spectrométrie de masse est une méthode analytique très sensible et fiable pour détecter la méthylation de l'ADN. MS, en général, n'est cependant pas informatif sur le contexte de séquence de la méthylation, donc limité dans l'étude de la fonction de cette modification de l'ADN.
  • La PCR spécifique à la méthylation (MSP) , qui est basée sur une réaction chimique du bisulfite de sodium avec l'ADN qui convertit les cytosines non méthylées des dinucléotides CpG en uracile ou UpG, suivie de la PCR traditionnelle . Cependant, les cytosines méthylées ne seront pas converties dans ce processus, et les amorces sont conçues pour chevaucher le site CpG d'intérêt, ce qui permet de déterminer l'état de méthylation comme méthylée ou non méthylée.
  • Séquençage au bisulfite du génome entier , également connu sous le nom de BS-Seq, qui est une analyse à haut débit de la méthylation de l'ADN à l'échelle du génome. Il est basé sur la conversion au bisulfite de sodium susmentionnée de l'ADN génomique, qui est ensuite séquencé sur une plate-forme de séquençage de nouvelle génération . Les séquences obtenues sont ensuite réalignées sur le génome de référence pour déterminer l'état de méthylation des dinucléotides CpG sur la base des mésappariements résultant de la conversion de cytosines non méthylées en uracile.
  • Le séquençage au bisulfite à représentation réduite , également connu sous le nom de RRBS, connaît plusieurs protocoles de travail. Le premier protocole RRBS s'appelait RRBS et vise environ 10% du méthylome, un génome de référence est nécessaire. Plus tard sont venus d'autres protocoles capables de séquencer une plus petite partie du génome et un multiplexage d'échantillons plus élevé. EpiGBS était le premier protocole où vous pouviez multiplexer 96 échantillons dans une voie de séquençage Illumina et où un génome de référence n'était plus nécessaire. Une construction de référence de novo à partir des lectures de Watson et Crick a fait du dépistage de la population des SNP et des SMP simultanément un fait.
  • Le test HELP , qui est basé sur la capacité différentielle des enzymes de restriction à reconnaître et à cliver les sites d'ADN CpG méthylés et non méthylés.
  • Le test GLAD-PCR , qui est basé sur un nouveau type d'enzymes - les endonucléases d'ADN dirigées par méthyle spécifiques au site, qui hydrolysent uniquement l'ADN méthylé.
  • Les tests ChIP-on-chip , qui sont basés sur la capacité des anticorps préparés commercialement à se lier aux protéines associées à la méthylation de l'ADN comme MeCP2.
  • Balayage génomique de point de repère de restriction , un test compliqué et maintenant rarement utilisé basé sur la reconnaissance différentielle par les enzymes de restriction des sites CpG méthylés et non méthylés ; le test est similaire dans son concept au test HELP.
  • Immunoprécipitation d'ADN méthylé (MeDIP), analogue à l'immunoprécipitation de chromatine , l' immunoprécipitation est utilisée pour isoler des fragments d'ADN méthylé à utiliser dans des méthodes de détection d'ADN telles que les puces à ADN (MeDIP-chip) ou le séquençage d'ADN (MeDIP-seq).
  • Pyroséquençage d'ADN traité au bisulfite. Il s'agit du séquençage d'un amplicon réalisé par une amorce sens normale mais une amorce inverse biotinylée pour PCR le gène de choix. Le Pyrosequencer analyse ensuite l'échantillon en dénaturant l'ADN et en ajoutant un nucléotide à la fois au mélange selon une séquence donnée par l'utilisateur. S'il y a un mésappariement, il est enregistré et le pourcentage d'ADN pour lequel le mésappariement est présent est noté. Cela donne à l'utilisateur un pourcentage de méthylation par îlot CpG.
  • Dosage à la lumière de rupture moléculaire pour l'activité de l'ADN adénine méthyltransférase - un dosage qui repose sur la spécificité de l'enzyme de restriction DpnI pour les sites GATC entièrement méthylés (méthylation de l'adénine) dans un oligonucléotide marqué avec un fluorophore et un extincteur. L'adénine méthyltransférase méthyle l'oligonucléotide, ce qui en fait un substrat pour la DpnI. La coupure de l'oligonucléotide par DpnI donne lieu à une augmentation de fluorescence.
  • Le transfert de Southern sensible au méthyle est similaire au test HELP, bien qu'il utilise des techniques de transfert de Southern pour sonder les différences spécifiques aux gènes dans la méthylation à l'aide de digestions de restriction. Cette technique est utilisée pour évaluer la méthylation locale à proximité du site de liaison de la sonde.
  • Les protéines de liaison MéthylCpG (MBP) et les protéines de fusion contenant uniquement le domaine de liaison méthyle (MBD) sont utilisées pour séparer l'ADN natif en fractions méthylées et non méthylées. Le pourcentage de méthylation des îlots CpG individuels peut être déterminé en quantifiant la quantité de la cible dans chaque fraction. Une détection extrêmement sensible peut être réalisée dans les tissus FFPE avec une détection basée sur l'abscription.
  • L' analyse de fusion à haute résolution (HRM ou HRMA) est une technique analytique post- PCR . L'ADN cible est traité avec du bisulfite de sodium, qui convertit chimiquement les cytosines non méthylées en uraciles, tandis que les cytosines méthylées sont préservées. L'amplification par PCR est ensuite réalisée avec des amorces conçues pour amplifier à la fois les matrices méthylées et non méthylées. Après cette amplification, les séquences d'ADN hautement méthylées contiennent un nombre plus élevé de sites CpG par rapport aux matrices non méthylées, ce qui entraîne une température de fusion différente qui peut être utilisée dans la détection quantitative de la méthylation.
  • Reconstruction de la méthylation de l'ADN ancien, une méthode pour reconstruire la méthylation de l'ADN à haute résolution à partir d'échantillons d'ADN anciens. La méthode est basée sur les processus naturels de dégradation qui se produisent dans l'ADN ancien : avec le temps, les cytosines méthylées sont dégradées en thymines, tandis que les cytosines non méthylées sont dégradées en uraciles. Cette asymétrie des signaux de dégradation a été utilisée pour reconstruire les cartes complètes de méthylation de l'homme de Néandertal et de la Denisovan . En septembre 2019, les chercheurs ont publié une nouvelle méthode pour déduire des traits morphologiques à partir des données de méthylation de l'ADN. Les auteurs ont pu montrer que lier des gènes régulés à la baisse aux phénotypes de maladies monogéniques, où une ou deux copies d'un gène sont perturbées, permet une précision d'environ 85 % dans la reconstruction des traits anatomiques directement à partir des cartes de méthylation de l'ADN.
  • Methylation Sensitive Single Nucleotide Primer Extension Assay (msSNuPE), qui utilise des amorces internes annelant directement 5' du nucléotide à détecter.
  • Le test de méthylation Illumina mesure la méthylation de l'ADN spécifique au locus en utilisant l'hybridation sur puce. L'ADN traité au bisulfite est hybridé à des sondes sur des "BeadChips". L'extension de base simple avec des sondes marquées est utilisée pour déterminer l'état de méthylation des sites cibles. En 2016, Infinium MethylationEPIC BeadChip a été publié, qui interroge plus de 850 000 sites de méthylation à travers le génome humain.
  • En utilisant le séquençage des nanopores, les chercheurs ont directement identifié les modifications des bases d'ADN et d'ARN à la résolution des nucléotides, notamment 5mC, 5hmC, 6mA et BrdU dans l'ADN et m6A dans l'ARN, avec détection d'autres modifications épigénétiques naturelles ou synthétiques possibles grâce à la formation d'algorithmes d'appel de base.

Régions à méthylation différentielle (DMR)

Les régions à méthylation différentielle , sont des régions génomiques avec des statuts de méthylation différents parmi plusieurs échantillons (tissus, cellules, individus ou autres), sont considérées comme des régions fonctionnelles possibles impliquées dans la régulation transcriptionnelle des gènes. L'identification des DMR parmi plusieurs tissus (T-DMR) fournit une étude complète des différences épigénétiques entre les tissus humains. Par exemple, ces régions méthylées qui sont uniques à un tissu particulier permettent aux individus de différencier les types de tissus, tels que le sperme et les sécrétions vaginales. Les recherches actuelles menées par Lee et al. ont montré que DACT1 et USP49 identifiaient positivement le sperme en examinant les T-DMR. L'utilisation de T-DMR s'est avérée utile dans l'identification de divers fluides corporels trouvés sur les scènes de crime. Les chercheurs dans le domaine médico-légal recherchent actuellement de nouveaux T-DMR dans les gènes à utiliser comme marqueurs dans l'analyse médico-légale de l'ADN. Les DMR entre le cancer et les échantillons normaux (C-DMR) démontrent la méthylation aberrante dans les cancers. Il est bien connu que la méthylation de l'ADN est associée à la différenciation et à la prolifération cellulaires. De nombreux DMR ont été trouvés dans les stades de développement (D-DMR) et dans la progression reprogrammée (R-DMR). De plus, il existe des DMR intra-individuels (Intra-DMR) avec des changements longitudinaux dans la méthylation globale de l'ADN ainsi que l'augmentation de l'âge chez un individu donné. Il existe également des DMR inter-individuels (Inter-DMR) avec différents schémas de méthylation parmi plusieurs individus.

QDMR (Quantitative Differentially Methylated Regions) est une approche quantitative pour quantifier la différence de méthylation et identifier les DMR à partir des profils de méthylation à l'échelle du génome en adaptant l'entropie de Shannon. La nature sans plate-forme et sans espèce de QDMR le rend potentiellement applicable à diverses données de méthylation. Cette approche fournit un outil efficace pour l'identification à haut débit des régions fonctionnelles impliquées dans la régulation épigénétique. Le QDMR peut être utilisé comme un outil efficace pour la quantification de la différence de méthylation et l'identification des DMR sur plusieurs échantillons.

L'analyse de l'ensemble de gènes (alias analyse des voies ; les outils généralement utilisés tels que DAVID, GoSeq ou GSEA) s'est avérée gravement biaisée lorsqu'elle est appliquée à des données de méthylation à haut débit (par exemple, MeDIP-seq, MeDIP-ChIP, HELP-seq, etc. ), et un large éventail d'études ont ainsi rapporté à tort une hyperméthylation de gènes liés au développement et à la différenciation ; il a été suggéré que cela peut être corrigé en utilisant des permutations d'étiquettes d'échantillons ou en utilisant un modèle statistique pour contrôler les différences dans le nombre de sondes CpG/sites CpG qui ciblent chaque gène.

Marques de méthylation de l'ADN

Les marques de méthylation de l'ADN – régions génomiques avec des schémas de méthylation spécifiques dans un état biologique spécifique comme un tissu, un type de cellule, un individu – sont considérées comme des régions fonctionnelles possibles impliquées dans la régulation transcriptionnelle des gènes. Bien que divers types de cellules humaines puissent avoir le même génome, ces cellules ont des méthylomes différents. L'identification et la caractérisation systématiques des marques de méthylation à travers les types de cellules sont cruciales pour comprendre le réseau de régulation complexe pour la détermination du destin cellulaire. Hongbo Liu et al. a proposé un cadre basé sur l'entropie appelé SMART pour intégrer l'ensemble des méthylomes de séquençage au bisulfite du génome dans 42 tissus/cellules humains et a identifié 757 887 segments du génome. Près de 75 % des segments ont montré une méthylation uniforme dans tous les types de cellules. Sur les 25 % restants des segments, ils ont identifié des marques d'hypo/hyperméthylation spécifiques au type de cellule qui étaient spécifiquement hypo/hyperméthylées dans une minorité de types de cellules en utilisant une approche statistique et ont présenté un atlas des marques de méthylation humaine. Une analyse plus poussée a révélé que les marques d'hypométhylation spécifiques au type de cellule étaient enrichies par les sites de liaison de H3K27ac et de facteur de transcription d'une manière spécifique au type de cellule. En particulier, ils ont observé que les marques d'hypométhylation spécifiques au type cellulaire sont associées aux super-amplificateurs spécifiques au type cellulaire qui pilotent l'expression des gènes d'identité cellulaire. Ce cadre fournit une annotation fonctionnelle complémentaire du génome humain et aide à élucider les caractéristiques et les fonctions critiques de l'hypométhylation spécifique au type cellulaire.

L'outil d'analyse et de rapport de méthylation spécifique basé sur l'entropie, appelé "SMART", qui se concentre sur l'intégration d'un grand nombre de méthylomes d'ADN pour l'identification de novo des marques de méthylation spécifiques au type de cellule. La dernière version de SMART se concentre sur trois fonctions principales, notamment l'identification de novo de régions à méthylation différentielle (DMR) par segmentation du génome, l'identification de DMR à partir de régions d'intérêt prédéfinies et l'identification de sites CpG à méthylation différentielle.

Dans l'identification et la détection des fluides corporels

La méthylation de l'ADN permet d'analyser plusieurs tissus en un seul test ainsi que d'identifier de petites quantités de fluide corporel à l'aide d'ADN extrait. Habituellement, les deux approches de la méthylation de l'ADN sont soit des enzymes de restriction sensibles à la méthylation, soit un traitement au bisulfite de sodium. Les enzymes de restriction sensibles méthylées fonctionnent en clivant des CpG spécifiques, la cytosine et la guanine séparés par un seul groupe phosphate, sites de reconnaissance lorsque le CpG est méthylé. En revanche, les cytosines non méthylées sont transformées en uracile et dans le processus, les cytosines méthylées restent méthylées. En particulier, les profils de méthylation peuvent donner un aperçu du moment et de la manière dont les fluides corporels ont été laissés sur les scènes de crime, identifier le type de fluide corporel et l'âge, le sexe et les caractéristiques phénotypiques approximatifs des auteurs. La recherche indique divers marqueurs qui peuvent être utilisés pour la méthylation de l'ADN. Décider quel marqueur utiliser pour un dosage est l'une des premières étapes de l'identification des fluides corporels. En général, les marqueurs sont sélectionnés en examinant les recherches antérieures menées. Les marqueurs d'identification choisis doivent donner un résultat positif pour un type de cellule. Une partie du chromosome qui est une zone d'intérêt lors de la méthylation de l'ADN sont des régions méthylées différentiellement spécifiques aux tissus, les T-DMR. Le degré de méthylation des T-DMR varie en fonction du fluide corporel. Une équipe de recherche a développé un système de marqueurs à deux volets. Le premier marqueur est méthylé uniquement dans le fluide cible tandis que le second est méthylé dans le reste des fluides. Par exemple, si le marqueur sanguin veineux A n'est pas méthylé et que le marqueur sanguin veineux B est méthylé dans un liquide, cela indique la présence uniquement de sang veineux. En revanche, si le marqueur sanguin veineux A est méthylé et que le marqueur sanguin veineux B est non méthylé dans certains fluides, cela indique que le sang veineux se trouve dans un mélange de fluides. Quelques exemples de marqueurs de méthylation de l'ADN sont Mens1 (sang menstruel), Spei1 (salive) et Sperm2 (liquide séminal).

La méthylation de l'ADN fournit un moyen relativement bon de sensibilité lors de l'identification et de la détection des fluides corporels. Dans une étude, seuls dix nanogrammes d'un échantillon ont été nécessaires pour obtenir des résultats positifs. La méthylation de l'ADN permet un bon discernement des échantillons mélangés car elle implique des marqueurs qui donnent des signaux « on ou off ». La méthylation de l'ADN n'est pas imperméable aux conditions extérieures. Même dans des conditions dégradées à l'aide des techniques de méthylation de l'ADN, les marqueurs sont suffisamment stables pour qu'il existe encore des différences notables entre les échantillons dégradés et les échantillons témoins. Plus précisément, dans une étude, il a été constaté qu'il n'y avait pas de changements notables dans les schémas de méthylation sur une longue période de temps.

Prédiction informatique

La méthylation de l'ADN peut également être détectée par des modèles informatiques grâce à des algorithmes et des méthodes sophistiqués. Les modèles informatiques peuvent faciliter le profilage global de la méthylation de l'ADN à travers les chromosomes, et souvent ces modèles sont plus rapides et moins chers à réaliser que les tests biologiques. Ces modèles informatiques à jour incluent Bhasin, et al. , Bock, et al ., et Zheng, et al . Avec l'analyse biologique, ces méthodes facilitent grandement l'analyse de la méthylation de l'ADN.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes