Epigénétique, Reprogrammation et Thérapie...
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11/06/2018 1 Edith HEARD, Institut Curie et Collège de France Epigénétique, Reprogrammation et Thérapie Cellulaire 4 « statutaires » (postes, CNRS, INSERM ou Collège de France 2 étudiants en thèse (3-4 ans pour une thèse, bourse) 2 étudiants en « master » (6mois – 1 an) 4 techniciens/ingenieurs (payés en CDD ou poste CNRS) 7 post doctorants (payés par mes subventions, ou propre bourse) 50% femmes / 50% hommes Plusieurs nationalités Mon équipe de recherche à l’Institut Curie
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Edith HEARD, Institut Curie et Collège de France
Epigénétique,Reprogrammation etThérapie Cellulaire
4 « statutaires » (postes, CNRS, INSERM ou Collège de France2 étudiants en thèse (3-4 ans pour une thèse, bourse)2 étudiants en « master » (6mois – 1 an)4 techniciens/ingenieurs (payés en CDD ou poste CNRS)7 post doctorants (payés par mes subventions, ou propre bourse)
50% femmes / 50% hommesPlusieurs nationalités
Mon équipe de recherche à l’Institut Curie
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Les organismes multicellulaires tels que l’être humain sont composés d’un très grand nombre de cellules, chacune d’entre elles contenant le patrimoine génétique = ADN = chromosomes= génome
Cellules et patrimoine génétique
cellule
chromosomes
noyau
membrane
cytoplasme
Watson et Crick, 1953
L’ADN constitue un code qui consiste en l’enchaînement de 4 bases/lettres: A, T, G, C
L’ADN/le génome humain, c est…
- 3,3.109 (3 300 000 000) bases- réparties sur 23 chromosomes (en paires)- Et qui codent pour environ 21 000 gènes (unités
fonctionnelles codant pour des protéines)
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2001: Séquençage complet du génome humain, tous les gènes sont connus, le secret de l’héritabilité, des phénotypes (traits morphologiques) et des pathologies révélé….
Le patrimoine génétique humain décodé
Avec un patrimoine génétique commun, les quelques centaines de types de cellules de notre corps ont pourtant des identités et propriétés (=phénotypes)
différentes. COMMENT?
L’ADN ne fournit pas une information « linéaire »
?
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1paire de bases (0,3nm)
10 um
30nm
11 nm
2 mètres d’ADN dans le noyau d’une cellule humaine
Histones
Nucleosome
ADN
Une structure d’empaquetage de l’ADN dans le noyau des cellules eucaryotes
La cellule
L’ADN n’est pas libre dans le noyau mais organisé en « chromatine »
Le noyau
8 histones+ADN
L’ ADN et ses protéines architecturales subissent des modifications « épi » génétiques
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8 histones+ADN
ADN: méthyléHistones: lysine9 et lysine27 méthyléesChromatine: compactée
ADN: non méthyléHistones: acétylées, lysine4 méthyléesChromatine: relaxée
Gène « OFF »Non accessible
Gène « ON »Accessible>ARN messager
L’ ADN et ses protéines architecturales subissent des modifications « épi » génétiques
Définition développementale
# Etude des relations entre génotype et phénotype
Définition moléculaire
# Modification stable, héritable et réversible de
l’expression des gènes sans changement de la séquence d’ADN
Conrad Waddington (1942)
Robin Holliday (1987)
L’épigénétique: définitions
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L’épigénétique: définitions
La génétique et l’épigénétique
Mutation génétique Modification épigénétique
AATTGCG AAGTGCG
Stable, héritable,
irréversibleStable, héritable,
réversible
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Comment l’information épigénétique se met-elle en place?
Les modifications épigénétiques ne sont ni pro-actives, ni aléatoires…. mais agissent en réponse à une décision de la cellule, programmée par des signaux
1. Signal
CH3
CH3
CH3
3. Consolidation épigénétiqueMéthylation de l’ADN, Modifications des histones…
Cellule
Noyau
Cytoplasme
2. RéponseGènes cibles activés ou réprimés
Facteur de transcription
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CH3
CH3
CH3
Stabilité épigénétiqueMémoire en absence du signal inducteur/stimulusLa cellule maintient son identité, grâce aux marques épigénétiques.
Héritabilité épigénétiqueLes cellules filles maintiennent la même identité, bien que n’ayant jamais été soumises au signal initial. Transmission « autonome » des marques épigénétiques.
signal
archivage/ mémoire cellulaire indispensable à la constitution de tissus/d’organes homogènes au cours du développement
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L’épigénétique permet la diversification de l’information génétique
Cellule sanguine
Cellulemusculaire
CellulepancréatiqueNeurone
Cellulereproductrice
hémoglobine
insuline
myosine
adrénaline
actine
acrosine
Les cellules n’utilisent pas leurs 21 000 gènes.
Multiples identités, fonctions (phénotypes)
Génome unique, mêmes gènes (génotype)
EPIGENETIQUE
Demultiples
« épigénomes »
Un génome
Signaux
Différenciation
RéprogrammationEffecement programmé de de mémoire
Perte de mémoire accidentale(eg cancer)
L’épigénétique permet la diversification de l’information génétique
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Mémoire cellulaire et reprogrammation épigénétique au cours du développement
fécondation
implantation
fécondation
Cellule souche pluripotenteembryonnaire
naissance
L’épigénétique permet la diversification de l’information génétique
Mémoire cellulaire
Changements d’expression génique stables mais reversibles
Traitement avec un « epidrogue »
• Endogenously programmed epigenetics:Development, X inactivation, imprinting…
• Stochastic epigenetic events:Differences in twins, clones… Disease « epimutations »
• Exogenously / environmentally programmed epigenetics : Bees, ants - nutritionVernalisation in plants - climate
0 3 6Weeks of vernalization ( 4oC )
Heritable changes in gene function that cannot be explained by changes in DNA sequence.
Russo, V.E.A., R.A. Martienssen & A.D. Riggs Eds. (1996) "Epigenetic mechanisms of gene regulation.” CSHL Press.
L’epigénétique et l’environnement
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Clonage somatiqueTransfert dans ovocyte
Reprogrammation directeExpression forcée
Facteurs de pluripotence
FusionAvec cellule
embryonnaire souche
Sir John Gurdon Shinya Yamanaka
Prix Nobel 2012
« pour la découverte que les cellules matures/spécialisées peuvent être
reprogrammées vers un état pluripotent"
Reprogrammation épigénétique artificielle vers la pluripotence
PLURIPOTENCEPseudo-cellule souche embryonnaire
UNIPOTENCECellule spécialisée
NuclearTransferStem cell
InducedPluripotent Stem
cell
Pluripotent hybrid cell
Les cellules souches pluripotentes induites
Cellules murines (2006)
• Pas de formation de colonies pluripotentes avec chaquegène individuel• Besoin d’un “Cocktail magique”: Oct4, Sox2, Klf4 and c-myc (OSKM)
Fibroblasteadulte
InducedPluripotent Stem cell(iPS)
• Expression forcée de 24 gènescodant pour des facteurs de pluripotence
=EmbryonicStem cell
Démonstration de leur pluripotence
cartilage neurones
muscletissu adipeux
Formation de tératomes
Participation au développement
Takahashi and Yamanaka, Cell, 2006
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Bugganim, Faddah and Jaenisch, NRG, 2013
Les barrières épigénétiques limitent l’efficacité de la reprogrammation
ARN Polymerase
H3K4me3 H3Ace
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
H3K9me3HP1
ARN messager
Gènes de pluripotenceMis sous silence par H3K9me3
et méthylation de l’ADN
Gènes de pluripotenceActifs, transcrits, décorés par
H3K4me3 et H3Ace
Notion de « barrière épigénétique », limite l’efficacité du processus
Reprogrammation
Différenciation
Cellule différenciée Cellule pluripotente
Bugganim, Faddah and Jaenisch, NRG, 2013
Notion de « barrière épigénétique », limite l’efficacité du processus
Les barrières épigénétiques limitent l’efficacité de la reprogrammation
ARN Polymerase
H3K4me3 H3Ace
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
H3K9me3HP1
ARN messager
Gènes de pluripotenceMis sous silence par H3K9me3
et méthylation de l’ADN
Gènes de pluripotenceActifs, transcrits, décorés par
H3K4me3 et H3Ace
Reprogrammation
Différenciation
Cellule différenciée Cellule pluripotente
Besoin de faire sauter cette barrière pour passer d’un état à l’autreLe rendement des cellules iPS peut passer à 10% lorsqu’on perturbe les
processus épigénétiques!!
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Adapté d’après Saha and Jaenisch, Cell Stem Cell, 2009
Régénérer divers types cellulaires d’un patient à partir de ses propres cellules
Biopsie de peau
Reprogrammation directeFacteurs de pluripotence
Cellules iPS du patient
Ectoderme Mesoderme Endoderme
Cellules du foie du patient
Neuronesdu patient
Cellules de la peaudu patient
Cellules sanguinesdu patient
Clone de cellules iPS
Greffe/transplantation
Adapté d’après Saha and Jaenisch, Cell Stem Cell, 2009
Corriger les maladies génétiques
Biopsie de peau
Reprogrammation directeFacteurs de pluripotence
Cellules iPS du patientMutation génétique
Ex: myopathie de Duchenne
Clone de cellules iPSmutées
Mesoderme
Cellules musculairesdu patient
Clone de cellules iPScorrigées
Greffe/transplantationdes cellules musculiares corrigées
Correction par génie génétique(CRISPR-Cas9)
d d ddddd
dddddd
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Organoïdes cérébrauxLancaster et al, Nature, 2013
Structures rénales complexesTaguchi et al, Cell Stem Cell, 2013
Induction rapide d’aggrégats flottants combinée à l’administrationtrès précisément contrôlée en dose et en temps de facteurs morphogénétiques
(stimulant la différenciation vers un tissu spécifique tout en réprimant la différenciation vers des tissus non-voulus)
Induction rapide d’aggrégats flottants combinée à l’administrationtrès précisément contrôlée en dose et en temps de facteurs morphogénétiques
(stimulant la différenciation vers un tissu spécifique tout en réprimant la différenciation vers des tissus non-voulus)
Tissus 3D: différenciation en « organoïdes » (des cerveaux, des reins…)
« Mini-cerveau »
Globe oculaireEiraku and Sasai, Nature Prot., 2011
Epithélium de l’oreille interneKoehler et al, Nature, 2013
In vitro In vivo
Tissus 3D: différenciation en « organoïdes » (des yeux, des pavillons internes…)
In vitro In vivo
Les structures formées in vitro à partir de cellules ES ou iPSsont très similaires aux structures formées normalement in vivo, au cours du développement
Les structures formées in vitro à partir de cellules ES ou iPSsont très similaires aux structures formées normalement in vivo, au cours du développement
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Bio-ingénierie d’un système d’épiderme en culture 3D à partir de cellules iPS combinée à un système de greffe in vivo
Takagi et al, Science Adv 2016
Tissus 3D: différenciation en « organoïdes » (de de la peau…)
Merci!
