Analyse de l’héritabilité des traces épigénétiques dans la reproduction clonale – methylclonome

Grace à des techniques de séquençage haut débit du génome entier après traitement chimique au bisulfite (technique WGBS) et en parallèle des séquençages haut débit de « pull down de fragments d’ADN méthylés (technique dite NGS), nous avons montré que des marques methylées sur l’ADN du puceron et son endosymbiont sont constitutifs des variants obtenus sous pression de l’environnement et ceci dans le cadre de la reproduction clonale. A ce stade du projet il est encore difficile d’établir une causalité directe entre les niveaux d’expression des gènes et la densité des groupes méthyls dans ces mêmes gènes. Par contre il sembler acquis que ces methylations organisent l’espace en 3D des chromosomes permettant les activations ou inhibitions des gènes. Des techniques génétiques sur modèle drosophile qui consistent à visualiser des piques de calcium nous ont permis d’établir la fonctionnalité des récepteurs du goût dans l’aile et leur régulation épigénétique. L’aile facultative du puceron présente des faits évolutifs similaires, ces résultats ayant été démontrés par RNAseq sur le tissue aile. La charge virale de plantes contaminées en lien avec les invasions de puceron vecteurs a été mesuré par le groupe Dombrovsly.

La proposition de ce projet a permis d’ analyser la nature héritable des traces épigénétiques sur un certain nombre de générations afin de réaliser une hérédité flexible et impermanente pour une adaptation plus fine au milieu. Le modèle utilisé (A. pisum) présente des avantages majeurs pour les études épigénétiques : la reproduction parthénogénétique au printemps et l’été et la reproduction sexuée à l’automne conduisant à des embryons capable de diapose l’hiver. De plus le puceron vit en symbiose avec un endosymbionte obligatoire Buchnera aphidicola. Nous avons montré que le génome de Buchnera est méthylé bien qu’il ne possède pas de methylases. Celles ci sont donc importées de l’hôte. Nous avons mis en évidence l’existence de régulation épigénétique croisée et intégrée entre l’hôte et son endosymbionte visant à l’émergence de variants adaptés à leur environnement. Nous avons montré que las ailes de la drosophile expriment des récepteurs gustatifs fonctionnels dont les modalités d’expression fluctuent au gré des facteurs environnementaux. L’aile facultative du puceron également expriment des gènes neurosensoriels qui varient en fonction des contraintes environnementales tant populationnelle (densité de population) que lié aux facteurs climatiques.

Ce travail financé par l’ANR a permis des avancées de connaissance significatives au regard de l’hérédité non mendellienne chez les insectes. Nous avons contribué à montrer l’importance de la seconde couche de régulation des génomes qui ne passe pas par la sélection d’allèles mais qui proviennent de modification chimique des bases. Ces marques chimiques contribuent à réorganiser les « loci » chromosomiques et à modifier l’expression des gènes environnés. Fait surprenant, cette épigénétique constitue une hérédité souple sur plusieurs générations avant de reverser aux phénotypes initiaux lorsque les pressions de sélection disparaissent. La perspective réside donc dans l'analyse comparative de ces évènements dans les innombrables espèces de la classe des insectes. L'exploration des voies épigénétiques chez les insectes devraient apporter des résultats fructueux quant à leur adaptation aux environnements fluctuants. Nous pensons plus particulièrement aux crickets et aux abeilles dont les changements morphologiques ou comportementaux sont spectaculaires.

Adenine methylation may contribute to endosymbiont selection in a clonal aphid population.Victoria Reingold, Neta Luria, Alain Robichon, Aviv Dombrovsky BMC Genomics 2014, 15:999

Environmentally Selected Aphid Variants in Clonality Context Display Differential Patterns of Methylation in the Genome. Claude Pasquier, Mathilde Clément, Aviv Dombrovsky, Stéphanie Penaud, Martine Da Rocha, Corinne Rancurel, Neil Ledger, Maria Capovilla, Alain Robichon. PLoS ONE 2014 9(12):e115022


Functional Gustatory Role of Chemoreceptors in Drosophila Wings. Hussein Raad, Jean-François Ferveur, Neil Ledger, Maria Capovilla, Alain Robichon. Cell Reports, Vol. 15, Issue 7, p1442–1454 2016

Free-flight odor tracking in Drosophila: Effect of natural variation, sex, wing chemosensors and pheromonal gene regulation. Benjamin Houot, Steven Fry, Vincent Gigot, Alain Robichon, Jean-François Ferveur. Scientific reports 9 january 2017

The Mapping of Predicted Triplex DNA:RNA in the Drosophila Genome Reveals a Prominent Location in Development- and Morphogenesis-Related Genes. Claude Pasquier, Sandra Agnel, Alain Robichon . G3 (Bethesda). 2017;7:2295-2304

A new paramutation-like example at the Delta gene of Drosophila. Maria Capovilla, Alain Robichon, Minoo Rassoulzadegan. PLoS One. 2017;12(3):e0172780

Cucumber green mottle mosaic virus: Rapidly Increasing Global Distribution, Etiology, Epidemiology and Management. Aviv Dombrovsky et al. Annual Review of Phytopathology Vol 55, 2017

A New Israeli Tobamovirus Isolate Infects Tomato Plants Harboring Tm-22 Resistance Genes.Luria, Neta., Smith, E., Reingold, V., Bekelman, I., Lapidot, M., Levin, I., Elad, N., Tam, Y., Sela, N., Abu-Ras, A., Ezra, N., Haberman, A., Yitzhak, L. and Dombrovsky, A. PLoS One 2017. 12:e0170429.

The honey bee Apis mellifera contributes to Cucumber green mottle mosaic virus spread via pollination.Darzi, E., Smith, E., Shargil, D., Lachman, O., Ganot, L., Dombrovsky, A. (2017). Plant Pathology (under press)

Les marques épigénétiques sur le génome relèvent d’une hérédité non mendellienne parce que leur transmission sur un nombre limité de générations n’est pas reliée à des mutations ou des changements dans les séquences d’ADN. Essentiellement ces marques sont induites par l’environnement, initient le remodelage de la chromatine et modifient l’expression de gènes. Nous sommes intéressé à analyser les marques épigénétiques qui contribuent à l’émergence de phénotypes durables sélectionné par des évènements environnementaux ayant eu lieu dans le passé. Transmissibles sur un nombre limité de générations et soumises à réversion, ces marques pourraient être à l’origine des variations phénotypiques observées chez certaines plantes.
Nous étions coordonateur d’un projet ANR blanc 2006-09 EXDISUM et l’actuel proposition est en continuité avec nos recherches menées durant cette période. L’objet de EXDISUM relevait des gènes « fréquence et densité dépendant » chez les insectes. Brièvement, nous avions montré avec nos collègues bien avant l’exercice EXDISUM que chez la drosophile cette classe de gènes est contrôlée par l’environnement (densité de population) et provoque l’exploration/dispersion/colonisation de nouvelles niches (science, 1997) ainsi que le passage ouvrière à exploratrice chez l’abeille (Science, 2002). Nous avons récemment publié que ceux-ci contrôlent partiellement la neurogenèse dans l’aile (Plos one, 2008.) ainsi que les processus de détoxification des aldehydes chez la drosophile (Plos one, 2011). De manière surprenante dans l’exercice EXDISUM nous avons observé que cette catégorie de gènes « fréquence dépendent » n’est pas opérante pour déterminer les différents morphes chez le puceron tel ailés et aptères. Par contre, nous avons montré que la clonalité chez le puceron génère un répertoire de variants stochastiquement produits et/ou orientés par les conditions environnementales et que les profiles présentant les meilleurs « fitness » sont sélectionnés (Genome Research, 2009). Dans cet exercice nous rapportons que le génome est hyperméthylé et que ces processus moléculaires sont à l’origine de plasticité phénotypique chez cette espèce. De plus un substantiel effort collectif auquel nous avons participé a permit d’annoter les grandes familles de gènes (Plos biology,2010)
Le but de cette proposition consiste à examiner si une espèce clonale d’insecte est capable de transmettre à travers des générations des marques épigénétiques comme signature d’un épisode transitoire et singulier du climat, de la ressource et de la densité de population. Nous avons donc fait l’hypothèse que le cycle de vie du puceron enregistre les « piques » de climat et « phases » de l’environnement conduisant à une meilleure adaptation des générations futures lors du retour de ce « pique » et de ces « phases ». Le décalage entre les périodicités du cycle vie du puceron et de l’environnement fluctuant suggère fortement que de puissants mécanismes adaptatifs sont à l’œuvre. Nos résultats préliminaires montrent fortement que les méthylations du génome sont une composante forte des processus moléculaires impliqués. La proposition de ce projet vise à analyser la nature héritable des traces épigénétiques sur un certain nombre de générations afin de réaliser une hérédité flexible et impermanente pour une adaptation plus fine au milieu.
Le modèle utilisé (A. pisum) dans cette proposition présente des avantages majeures pour les études épigénétiques : la reproduction parthénogénétique au printemps et l’été et la reproduction sexuée à l’automne conduisant à des embryons capable de diapose l’hiver. Le but essentiel consistera à analyser le statut héréditaire des marques épigénétiques dans un contexte de clonalité et de sexualité dans une espèce modèle ou ces deux modes de reproduction sont séquentielles. Leur transmissibilité sera disséquée quant à leur rôle dans l’adaptation à l’environnement.