Une approche -omics ciblée et intégrée pour comprendre le rôle des mécanismes d’empreinte génomique dans le déterminisme du poids de naissance chez le porc – PIPETTE
Les gènes soumis à empreinte parentale contribuent-ils à la variabilité du poids de naissance des porcelets?
Alors que la plupart des gènes sont exprimés à partir des deux copies parentales (paternelle et maternelle), un petit groupe de gènes (les gènes soumis à empreinte) sont exprimés uniquement à partir d'une des deux copie, la paternelle ou la maternelle. Ces gènes à empreinte étant essentiels au développement et à la croissance fœtal et postnatal chez l'homme et la souris, qu'en est-il chez le porc, espèce pour laquelle le poids de naissance est lié à des problèmes de mortinatalité?
Le poids de naissance des porcelets, un enjeu pour la durabilité des élevages porcins
Dans l’espèce porcine, le poids de naissance est un caractère qui présente (i) un intérêt économique majeur, car il détermine de manière significative la croissance ultérieure de l’animal et a donc un impact sur les résultats économiques de l’éleveur, et (ii) un intérêt sanitaire et sociétal important, compte tenu de ses liens avec le risque de mortinatalité et mortalité avant sevrage qui sont des critères essentiels au bien-être animal. Par conséquent décrypter le déterminisme génétique du poids de naissance chez le porcelet représente un enjeu majeur pour la filière porcine et contribue à des systèmes de production plus durables. Les gènes soumis à empreinte contribuent à la variabilité des traits complexes chez les mammifères étant donné leurs rôles clefs dans les fonctions de croissance et développement fœtal et post-natal.Cependant la majeure partie des connaissances sur les effets phénotypiques des gènes soumis à empreinte résultent des modèles murins et des pathologies humaines appelées maladies d'empreinte. Peu d'études ont été menées jusqu'à présent chez les espèces d'élevage alors que deux mutations dans les gènes IGF2 et DLK1, gènes soumis à empreinte, ont été associées à une hypermuscularité respectivement chez les espèces porcine et ovine. L'empreinte génomique est un exemple particulièrement intéressant de régulation épigénétique, car dans une même cellule, l'un des deux allèles parentaux est réprimé de manière stable par des modifications épigénétiques, tandis que l'autre allèle est maintenu dans un état actif. Cette régulation spécifique à l'allèle dépend entièrement du fait que l'allèle soit hérité de la mère ou du père. Depuis la découverte de l'empreinte génomique, environ 200 gènes soumis à empreinte ont été identifiés chez les espèces murine et humaine. Chez les animaux d'élevage, seuls une vingtaine ont jusque là été validés expérimentalement. Ainsi, les animaux d'élevage représentent de bons modèles à la fois pour enrichir les connaissances fondamentales sur le nombre de gènes soumis à empreinte chez ces espèces mais également pour comprendre les effets parentaux via la contribution des gènes soumis à empreinte dans les liens génome-phénome. Les objectifs du projet sont multiples. D'un point de vue scientifique, il s'agira d'établir une carte des gènes soumis à empreinte et des leurs régions régulatrices chez le porcelet afin d'enrichir les connaissances sur ce phénomène chez les espèces d'élevage. D'un point de vue méthodologique et technologique, il s'agira de (i) mettre en place un dispositif expérimental dédié pour étudier le poids de naissances des porcelets et (ii) développer des outils moléculaires ciblant les gènes soumis à empreinte chez le porcelet pour des analyses haut-débit. Enfin, d'un point de vue appliqué, il s'agira d'analyser les jeux de données produits pour décortiquer l'architecture moléculaire du poids de naissance des porcelets pour comprendre comment réduire la mortinatalité.
Pour établir la cartes des gènes soumis à empreinte et leurs régions de régulation, deux dispositifs expérimentaux de croisements réciproques entre des animaux de races Large White et Meishan ont été produits. Sur le premier dispositif expérimental, des données de séquençage génomique ont été produites chez tous les individus du croisement (n=15) et des données de séquençage transcriptomique (muscle et hypothalamus) ont été produites chez les porcelets de 1 jour (n=9). Les données de séquençage ont été générées à la plateforme GeT-PlaGe (https://get.genotoul.fr/la-plateforme/get-plage/). Sur le second dispositif expérimental, nous avons récupéré les données issues du projet ANR COLOCATION disponibles sur les bases de données publiques. Les données ont été analysées sur le cluster de calcul de la plateforme Genotoul-bioinof (https://bioinfo.genotoul.fr/) via des outils classiques de bioinformatique et des tests statistiques ont été appliqués.
Pour développer les outils moléculaires haut-débit ciblés sur les gènes soumis à empreinte et leur régions de régulation, nous avons travaillé avec les entreprises de biotechnologies Agilent (https://www.agilent.com) et Twist Biosciences (https://www.twistbioscience.com). Ces développements reposent sur de la capture des régions génomiques d'intérêt couplée ou non à une étape de méthylation de l'ADN pour évaluer les régions régulatrices.
Pour mettre en place le dispositif expérimental dédié, environ 500 portées de porcelets ont été produites en maximisant la diversité génétique paternelle (n=347) et maternelle (n=348). Pour chaque portée, nous avons sélectionné 3 porcelets, le plus léger, le plus lourd et celui de poids moyen. Chacun de ces 1487 porcelets a été pesé à 1 jour, la longueur corporelle et la circonférence abdominale ont également été mesurées.
Pour quantifier les héritabilités directes et indirectes du poids de naissance, tous les individus produits dans le cadre du dispositif expérimental mis en place (n=10000) ont été analysés sur base de leur poids de naissance. Des modèles classiques de génétiques quantitative utilisant la procédure REML du logiciel ASREML a été utilisée pour discriminer les 3 composantes.
Enfin, pour caractériser l'architecture génétique du poids de naissance des porcelets en race Large White, les outils moléculaires haut débit ciblant les gènes soumis à empreinte et leurs régions régulatrices ont été utilisés à partir des prélèvements sanguins sur les individus qui ont été phénotypés dans le cadre du dispositif mis en place au préalable. A partir de ces jeux de données hétérogènes de grande ampleur, des modèles statistiques linéaires de génétique d'association seront utilisés ainsi que des modèles plus subtils visant à évaluer les phénomènes d'empreinte et donc les effets parentaux.
Plusieurs résultats notables sont d'ores et déjà obtenus et valorisés ou en cours de valorisation, d'autres sont à venir:
- L'évaluation des composantes génétiques directe et indirecte de différents caractères des porcelets en race Large White a été déterminée. Au niveau des porcelets, les valeurs estimées de l'héritabilité directe et maternelle étaient les suivantes : h²d=0,02 et h²m=0,13 pour le poids à la naissance montrant que le génome de la truie influence le poids de naissance du porcelet;
- Un total de 141 gènes soumis à empreinte, incluant 70, 48 et 51 dans l'hypothalamus, le muscle et le placenta respectivement, ont été identifiés. Une faible conservation des gènes identifiés entre tissus et avec les espèces murine et humaine a été observée;
- Une cinquantaine de régions différentiellement méthylées selon l'origine parentale a été identifiée. Parmi ces régions, certaines colocalisent avec des gènes à empreinte identifiés et de façon importante tous les centres de contrôle d'empreinte connus chez l'homme et la souris ont été retrouvés;
- Un outil moléculaire de capture dédié aux gènes soumis à empreinte chez le porcelet a été développé puis optimisé pour une production à haut-débit.
Les recherches sur les mécanismes d’empreinte génomique chez les animaux d'élevage offrent des perspectives multiples. Tout d'abord, les connaissances fondamentales acquises via les cartes de gène soumis permettent de décortiquer plus finement les aspects évolutifs de mise en place de l'empreinte chez les artiodactyles. Ensuite, les analyses sur la contribution des gènes soumis à empreinte dans la variabilité du poids de naissance peuvent permettre la prise en compte de ces résultats dans les schémas de sélection afin d'améliorer la durabilité des élevages. Enfin, d'autres caractères importants pour les filières animales (tels que le comportement maternel ou le comportement alimentaire) pourraient également être étudiés via le prisme des gènes soumis à empreinte étant donné leurs rôles majeurs dans les fonctions neurodéveloppementales et dans les caractères de comportement. Par ailleurs, les données générées dans le cadre de ce projet permettent également de répondre à d'autres question scientifiques ciblant le phénomène d'expression allèle-spécifique et le processus d'édition de l'ARN.
Chez le porc, l’amélioration génétique de la prolificité s’est accompagnée d’une augmentation de la mortalité périnatale due à des
retards de croissance induisant des problèmes de bien-être des porcelets et des pertes économiques. Nous proposons d’étudier la
variabilité du poids de naissance via une approche ciblée aux gènes soumis à empreinte parentale sachant leur implication dans la
croissance pré/post-natale. L’empreinte parentale est un mécanisme de régulation épigénétique aboutissant à une expression
monoallélique dépendante de l’origine parentale. Le rôle de ce phénomène dans la variabilité des caractères complexes n’a jamais
été évalué de façon exhaustive chez les animaux d’élevage. Dans le cadre du projet PIPETTE, nous allons (i) mettre en place un dispositif expérimental adapté exploitant des phénotypes extrêmes de poids de naissance, (ii) développer différents outils moléculaires haut débit (génomique, épigénomique et transcriptomique) ciblant spécifiquement les gènes soumis à empreinte et (iii) réaliser diverses analyses d’associations afin d'intégrer les multiples données afin de mieux comprendre et d’évaluer la contribution des gènes soumis à empreinte dans le déterminisme du poids de naissance des porcelets.
Coordination du projet
Julie Demars (Génétique Physiologie et Systèmes d'Elevage)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
GenPhySE Génétique Physiologie et Systèmes d'Elevage
Aide de l'ANR 598 236 euros
Début et durée du projet scientifique :
août 2019
- 48 Mois
