La majorité des espèces animales peuvent se reproduire sans partenaire sexuel, par activation d’un œuf non fécondé ou parthénogenèse. Les abeilles et les salamandres alternent naturellement entre reproduction sexuée et parthénogenèse au cours de leur vie reproductive. La parthénogenèse peut aussi être déclenchée par une disponibilité limitée en partenaires sexuels : plusieurs cas de naissances parthénogénétiques ont été documentés chez des femelles requins et dragons de Komodo¹ maintenues en captivité prolongée [ 1]. Chez les mammifères en revanche, la reproduction monoparentale est impossible. Des expériences de transfert nucléaire chez la souris ont démontré dans les années 1980 que le développement des mammifères requiert obligatoirement un génome maternel et un génome paternel [ 2, 3]. Nous avons célébré en 2009 les 25 ans de cette preuve formelle de la spécificité reproductive des mammifères liée à l’existence de l’empreinte parentale. Les mammifères ne sont cependant pas tous égaux face à l’empreinte parentale. Des contraintes physiologiques et génomiques ont ainsi contribué à l’émergence et à l’évolution de l’empreinte au cours de la spéciation des différents groupes de mammifères.

La restriction à un mode de reproduction sexué chez les mammifères résulte d’une non-équivalence fonctionnelle des génomes parentaux, dictée par l’empreinte parentale ou empreinte génomique. L’empreinte parentale est un phénomène épigénétique qui affecte une centaine de gènes connus chez la souris et l’homme, leur imposant une expression monoallélique et dépendante de l’origine parentale. Le déterminisme parental résulte d’un marquage par méthylation de l’ADN, différentiellement apposé sur les allèles parentaux au moment de leur passage par la gamétogenèse. La méthylation gamétique est spécifiquement ciblée sur des régions régulatrices appelées ICR (imprinting control regions ou centres d’empreinte) qui contrôlent en cis l’expression d’un ou plusieurs gènes. Les ICR maternelles sont méthylées spécifiquement dans l’ovocyte, tandis que les paternelles le sont dans le spermatozoïde. Ces marques d’empreinte ont la particularité d’être maintenues après la fécondation et interprétées par la répression d’un des deux allèles parentaux. Une question essentielle dans le champ de la biologie de l’empreinte est de comprendre l’identité unique des ICR. En particulier, quels sont les facteurs trans et cis responsables de l’établissement de l’empreinte et du maintien de la mémoire de l’origine parentale ?

La mise en place des marques de méthylation sur les centres d’empreinte est régulée lors de la gamétogenèse par l’ADN méthyltransférase de novo Dnmt3A et son cofacteur Dnmt3L [ 4, 5] (Figure 1). Les marques d’empreinte sont conservées au cours de la vie par l’action de Dnmt1, l’ADN méthyltransférase de maintenance, qui reproduit les profils de méthylation au moment de la réplication [ 6]. Au cours du développement pré-implantatoire (de la fécondation à l’implantation dans l’utérus), les gènes soumis à empreinte doivent résister à des remaniements drastiques des profils de méthylation [ 7]. Les facteurs PGC7/Stella et Zfp57 (KRAB zinc finger protein) jouent un rôle de protection contre la déméthylation qui suit la fécondation [ 8, 9]. Au moment de l’implantation, les allèles non méthylés des gènes soumis à empreinte doivent cette fois résister à la phase de reméthylation que subit l’embryon mais les facteurs responsables ne sont pas connus. Des caractéristiques nucléotidiques et épigénétiques particulières sont impliquées dans le recrutement des facteurs évoqués ci-dessus. Les gènes soumis à empreinte sont notamment préférentiellement associés à des régions riches en dinucléotides CpG, en éléments rétrotransposables de type LINE (long interspersed elements) et en motifs de liaison pour CTCF (CCCTC-binding factor)² [ 10]. Cependant, ces caractéristiques n’étant ni obligatoires ni exclusives, la méthylation parentale des ICR est plus vraisemblablement corrélée à un état chromatinien particulier. Il a ainsi été récemment montré que la mise en place de la méthylation sur les ICR maternelles dans l’ovocyte requiert le retrait des marques de méthylation sur la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4me) par l’histone déméthylase Lsd2 [ 11], en relation avec le caractère répulsif de ces marques envers Dnmt3L [ 12]. Des évènements de transcription qui traversent les ICR maternelles pourraient également participer à ce remodelage chromatinien [ 13]. En conclusion, le statut de l’empreinte d’un gène résulte de sa proximité avec un centre d’empreinte dont l’identité est dictée par une combinaison complexe de motifs génomiques et épigénétiques influençant l’établissement et le maintien des profils de méthylation parentaux.

Figure 1. Établissement, maintenance et protection des marques de méthylation associées à l’empreinte parentale. Les courbes rouges et bleues représentent respectivement les allèles maternels et paternels des gènes soumis à empreinte et en noir le reste du génome. L’établissement de l’empreinte par apposition de marques de méthylation spécifiques du sexe se fait au cours de la gamétogenèse. La maintenance de ces marques est assurée tout au long de la vie par Dnmt1. La protection de ces marques, par des facteurs identifiés ou non (?), est essentielle face aux vagues de déméthylation post-fécondation et de reméthylation post-implantatoire que subit le génome de l’embryon précoce.

Figure 1. Établissement, maintenance et protection des marques de méthylation associées à l’empreinte parentale. Les courbes rouges et bleues représentent respectivement les allèles maternels et paternels des gènes soumis à empreinte et en noir le reste du génome. L’établissement de l’empreinte par apposition de marques de méthylation spécifiques du sexe se fait au cours de la gamétogenèse. La maintenance de ces marques est assurée tout au long de la vie par Dnmt1. La protection de ces marques, par des facteurs identifiés ou non (?), est essentielle face aux vagues de déméthylation post-fécondation et de reméthylation post-implantatoire que subit le génome de l’embryon précoce.

Le mécanisme de répression d’un des deux allèles parentaux soulève la question de comment et surtout pourquoi l’empreinte parentale a évolué, sachant qu’elle nie l’avantage de la diploïdie qui peut compenser l’apparition d’une mutation délétère. La distribution phylogénétique de l’empreinte fournit des arguments fonctionnels à cette ambiguïté.

Hétérogénéité de l’empreinte : ornithorynque, marsupiaux, souris et homme

Les premiers signes d’empreinte parentale seraient apparus chez les mammifères il y a environ 150 millions d’années, chez l’ancêtre commun des thériens, après la divergence des monotrèmes (Figure 2). La branche des monotrèmes, dont le représentant actuel le plus connu est l’ornithorynque, est apparemment dépourvue de gènes à expression monoparentale. Les thériens comprennent les marsupiaux, dont le kangourou et l’opossum, et les euthériens, comme la souris et l’homme. Tous sont dotés de locus soumis à empreinte. Cependant, le petit nombre de locus observés chez les marsupiaux suggère que l’empreinte a été préférentiellement consolidée chez les euthériens, en fonction des besoins et de l’adaptation des espèces [ 14].

Figure 2. Apparition de l’empreinte parentale au cours de l’évolution. Trois groupes de mammifères existent : les monotrèmes et les thériens, composés eux-mêmes des marsupiaux et des euthériens. Tous ont recours à l’allaitement, tandis que le placenta est l’apanage des thériens. L’empreinte parentale est apparue avant la divergence des thériens, coïncidant avec l’acquisition du placenta, de Dnmt3L et de l’expansion des transposons. MA = millions d’années.

Figure 2. Apparition de l’empreinte parentale au cours de l’évolution. Trois groupes de mammifères existent : les monotrèmes et les thériens, composés eux-mêmes des marsupiaux et des euthériens. Tous ont recours à l’allaitement, tandis que le placenta est l’apanage des thériens. L’empreinte parentale est apparue avant la divergence des thériens, coïncidant avec l’acquisition du placenta, de Dnmt3L et de l’expansion des transposons. MA = millions d’années.

Les trois groupes de mammifères utilisent des modes de reproduction différents et il est possible de corréler l’évolution de l’empreinte parentale à des spécificités physiologiques. L’allaitement, associé à la présence de mamelles chez les femelles, est le dénominateur commun à tous les mammifères. Le développement in utero, ou viviparité, est une autre caractéristique des mammifères, mais n’est cependant pas universelle. Ainsi, les femelles monotrèmes allaitent leurs petits, mais sont ovipares. À la différence des oiseaux et des reptiles, la ponte de l’œuf est ici précédée d’une période relativement longue d’incubation dans le tractus maternel. Les marsupiaux, chez qui l’on retrouve une empreinte moins étendue que chez les euthériens, possèdent un placenta rudimentaire associé à un développement in utero très court. Chez le kangourou par exemple, la gestation dure 26 jours et s’achève par la migration du fœtus dans la poche, où la lactation prend le relais et peut s’étendre jusqu’à 10 mois. Par contraste, le groupe des euthériens arbore un placenta très développé, associé à une période de gestation longue et à un développement beaucoup plus abouti que chez les autres mammifères. Si l’on compare la masse relative des nouveau-nés par rapport à leur mère au moment de la naissance, celle-ci est très inférieure chez les monotrèmes (0,08 %) et les marsupiaux (0,12 %) à ce qu’elle est chez les euthériens (15 %). Ces inégalités sont cependant compensées au moment du sevrage : la masse relative du nouveau-né y est équivalente dans les 3 groupes mammifères, ce qui illustre le rôle prédominant de la lactation pour le transfert de nutriments chez les monotrèmes et les marsupiaux (Figure 3) [ 15]. En conclusion, l’émergence de l’empreinte parentale chez les mammifères serait liée à l’apparition du placenta, et son amplification à la sophistication de cet organe.

Figure 3. Différences physiologiques dans la reproduction des mammifères : proportion relative entre développement in utero et lactation. La lactation contribue de façon majeure au développement des petits chez les monotrèmes (82 %) et les marsupiaux (92 %) par rapport aux euthériens (60 %). Ces derniers ont en revanche recours à une phase intra-utérine nettement plus importante. MR = masse relative des nouveau-nés par rapport à celle de la mère.

Figure 3. Différences physiologiques dans la reproduction des mammifères : proportion relative entre développement in utero et lactation. La lactation contribue de façon majeure au développement des petits chez les monotrèmes (82 %) et les marsupiaux (92 %) par rapport aux euthériens (60 %). Ces derniers ont en revanche recours à une phase intra-utérine nettement plus importante. MR = masse relative des nouveau-nés par rapport à celle de la mère.

L’analyse génomique des espèces dotées et dépourvues d’empreinte a fourni des informations clefs quant à l’évolution du processus d’empreinte. Une centaine de gènes soumis à empreinte sont connus chez les euthériens, et seulement 5 sont répertoriés chez les marsupiaux. Seulement 2 de ces gènes sont de plus associés à des ICR porteuses de marques de méthylation gamétique. Ceci suggère un déploiement spécifique des ICR chez les euthériens ou, alternativement, l’utilisation par les marsupiaux d’un mode de régulation indépendant de la méthylation. Le consortium SAVOIR (sequence analysis of vertebrate orthologous imprinted regions) a entrepris depuis plusieurs années l’analyse comparative systématique chez le poulet, le wallaby/kangourou et l’ornithorynque des régions orthologues des locus soumis à empreinte connus [ 21]. La publication récente de la séquence du génome de l’ornithorynque a facilité l’identification des régions synténiques et des éléments fonctionnels importants, en relation avec l’évolution des génomes [ 22]. L’organisation des locus soumis à empreinte est généralement conservée chez tous les mammifères, avec une expansion des régions chez les euthériens, due à des phénomènes de duplication et de transposition. Cette observation, liée au fait que le génome de l’ornithorynque est relativement pauvre en éléments transposables, suggère une évolution coïncidente de l’empreinte avec la nécessité de contrôler une masse critique d’éléments génomiques parasites chez les mammifères supérieurs [ 23]. Le degré de conservation des facteurs impliqués dans la mise en place développementale des marques de méthylation est aussi instructif. Dnmt3A est présent chez tous les mammifères, tandis que Dnmt3L est spécifique des thériens [ 24]. Or Dnmt3L est aussi requis pour le contrôle par méthylation des éléments transposables dans les gamètes mâles chez la souris [ 25]. Le placenta, l’expansion génomique des transposons, Dnmt3L et l’empreinte parentale ont donc émergé de façon concomitante au cours de l’évolution des mammifères (Figure 2), sans que l’on puisse désigner les relations de cause à effet entre ces évènements. Le scénario le plus accepté est : (1) l’acquisition du gène Dnmt3L comme élément de défense gamétique contre les transposons colonisant le génome des thériens, et (2) la cooptation de ce facteur pour la régulation de l’expression monoparentale d’une poignée de gènes, en relation avec la fonction d’un organe placentaire complexe. Le plus grand nombre de gènes soumis à empreinte dans le placenta murin par rapport à l’homme suggère que la monogamie et la production moyenne d’un seul fœtus par gestation auraient induit une pression de sélection moindre dans l’espèce humaine [ 26].

L’empreinte parentale est donc, comme nous l’avons décrit ci-dessus, hétérogène en quantité (nombre de gènes) mais aussi en qualité (mode de régulation) selon les espèces. Elle représente un phénomène en marche, qui évolue par vagues de sélection au cours de la spéciation des mammifères. On peut définir deux modes de recrutement de nouveaux gènes soumis à empreinte. Les gènes de la première catégorie existent chez les monotrèmes, mais n’ont été sélectionnés pour une expression mono-allélique que chez les thériens. L’ICR fonctionnelle riche en motifs CpG et portant les marques de méthylation gamétique n’est souvent acquise que chez les euthériens, comme dans le cas du gène PEG1 (Figure 4A). Des réarrangements chromosomiques ont aussi participé à la construction de larges locus soumis à empreinte, réunissant plusieurs blocs chromosomiques autour d’une même ICR apparue au même moment. L’exemple le plus connu est celui du locus associé aux syndromes de Prader-Willi et d’Angelman³ (PWS-AS), qui regroupe les gènes SNRPN (small nuclear ribonucleoprotein N) et UBE3A (ubiquitin protein ligase E3A) chez les euthériens, alors qu’ils sont situés sur des chromosomes différents chez les autres mammifères (Figure 4B) [ 27].

Figure 4. Mécanismes évolutifs d’acquisition d’un locus soumis à empreinte, illustration par analyse comparative chez les trois groupes de mammifères. Rouge : gène à expression maternelle, bleu : gène à expression paternelle, gris : gène à expression biallélique, jaune : ICR. A. Acquisition progressive des caractéristiques au sein d’un locus préexistant chez l’ancêtre commun de tous les mammifères. Exemple du gène PEG1, qui existe chez les monotrèmes, mais n’est exprimé paternellement que chez les thériens. L’ICR n’est présente que chez les euthériens. B. Acquisition de l’empreinte par réarrangement chromosomique. Exemple du locus UBE3A-SNRPN. Chez la souris ce locus est situé sur le chromosome 7 et correspond à des blocs séparés sur les chromosomes 1, 7 et 8 chez l’opossum. C. Acquisition par rétrotransposition. Exemple du locus PEG10. Le rétrotransposon nouvellement inséré chez les marsupiaux est devenu le gène Peg10. L’ICR associée au promoteur du gène est présente chez l’opossum suggérant son apparition au moment de l’insertion du gène. La régulation monoparentale s’est ensuite étendue aux gènes voisins chez les euthériens.

Figure 4. Mécanismes évolutifs d’acquisition d’un locus soumis à empreinte, illustration par analyse comparative chez les trois groupes de mammifères. Rouge : gène à expression maternelle, bleu : gène à expression paternelle, gris : gène à expression biallélique, jaune : ICR. A. Acquisition progressive des caractéristiques au sein d’un locus préexistant chez l’ancêtre commun de tous les mammifères. Exemple du gène PEG1, qui existe chez les monotrèmes, mais n’est exprimé paternellement que chez les thériens. L’ICR n’est présente que chez les euthériens. B. Acquisition de l’empreinte par réarrangement chromosomique. Exemple du locus UBE3A-SNRPN. Chez la souris ce locus est situé sur le chromosome 7 et correspond à des blocs séparés sur les chromosomes 1, 7 et 8 chez l’opossum. C. Acquisition par rétrotransposition. Exemple du locus PEG10. Le rétrotransposon nouvellement inséré chez les marsupiaux est devenu le gène Peg10. L’ICR associée au promoteur du gène est présente chez l’opossum suggérant son apparition au moment de l’insertion du gène. La régulation monoparentale s’est ensuite étendue aux gènes voisins chez les euthériens.

La seconde catégorie correspond à des gènes qui sont apparus spécifiquement chez les thériens et ont immédiatement acquis un statut soumis à empreinte. Plusieurs de ces gènes dérivent de rétrotransposons, dont la séquence a été domestiquée et utilisée pour développer de nouvelles fonctions cruciales pour la fonction placentaire. C’est notamment le cas des gènes Peg10 (paternally expressed gene 10) et Rtl1, tous deux dérivés de l’insertion d’un rétrotransposon sushi-ichi⁴ de type LTR (long terminal repeat) et indispensables au développement du placenta murin (Figure 4C) [ 28, 29]. On voit encore ici la coïncidence évolutive entre l’empreinte parentale, l’organe placentaire et la défense de l’organisme contre les éléments transposables qui utilise la méthylation de l’ADN pour réprimer la mobilisation de séquences parasites endogènes et maintenir l’intégrité génomique. Dans cette catégorie de « néogènes soumis à empreinte », on trouve également un nombre important de gènes qui ont détourné la machinerie de rétrotransposition pour se mouvoir et se dupliquer à une autre position génomique. Ce mécanisme est notamment à l’origine de l’acquisition des gènes Nap1l5, U2af1-rs1, Inpp5f-v2 et Mcts2, qui, pour une raison encore inconnue, proviennent systématiquement d’un orthologue originaire du chromosome X [ 30]. Dans tous les cas de gènes dérivés directement ou indirectement de rétrotransposons, l’apparition d’une ICR fonctionnelle est simultanée ou postérieure à l’événement d’insertion. D’une manière générale, on observe aussi que toute nouvelle ICR tend à étendre son influence dans la région (Figure 4), induisant en cis l’expression mono-allélique d’un nombre croissant de gènes chez les euthériens, comme un recrutement fortuit à la cause de l’empreinte parentale.

L’empreinte parentale reflète un mécanisme d’expression singulier, appliqué à une centaine de gènes mammifères et dépendant de déterminants génétiques et épigénétiques. L’empreinte est phylogénétiquement liée à la viviparité et s’est répandue avec la complexité de la placentation. Les gènes soumis à empreinte sont généralement exprimés au cours du développement embryonnaire chez les mammifères placentaires, en accord avec une physiologie reproductive centrée sur la gestation in utero. Notre vision souffre cependant de plusieurs biais qui influencent notre interprétation évolutive de ce phénomène : (1) la majorité des études sont réalisées chez la souris et l’Homme, (2) l’ornithorynque est une espèce protégée et seuls des tissus adultes sont disponibles pour étude, (3) l’allaitement joue un rôle majeur dans l’asymétrie de transfert des ressources parentales chez les marsupiaux et les monotrèmes. Il est concevable de proposer qu’une empreinte associée à la lactation puisse exister chez ces espèces. Les organes liés à la fonction de l’allaitement, comme la glande mammaire et l’hypophyse, devraient être étudiés en priorité chez les marsupiaux et les monotrèmes pour l’identification de gènes à expression monoparentale.

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