CE20 - Biologie des animaux, des organismes photosynthétiques et des microorganismes

Maturité fœtale à l'interface fœto-maternelle : contribution des génomes fœtal et maternel et perturbations des métabolismes tissulaires – CO-LOcATION

Maturité fœtale à l'interface fœto-maternelle : contribution des génomes fœtal et maternel et perturbations des métabolismes tissulaires

L’augmentation substantielle de la mortalité des porcelets avant le sevrage est une préoccupation majeure en production porcine. La période la plus critique est la période périnatale, essentiellement les 24 premières heures après la naissance. La mortalité précoce des porcelets dépend grandement de leur maturité à la naissance. En particulier, les interactions fœto-maternelles régulent la répartition des ressources entre la mère et le fœtus, impactant son développement et sa santé future.

Objectifs

Jusqu'à présent, aucun levier génétique ou nutritionnel améliorant la survie n'a été clairement identifié chez les porcelets nouveau-nés. Des études suggèrent que la maturité (état du développement permettant la survie à la naissance) des porcelets est un déterminant important de la survie ultérieure. Les principales études disponibles se sont focalisées sur des paramètres génétiques avec des facteurs prédictifs, ou sur l'impact des nutriments en association avec l'homogénéité du poids de naissance au sein de la portée, mais pas sur la maturité. La survie dépend, 1- de la capacité du fœtus à maximiser les échanges fœto-maternels dans un contexte de capacité utérine contrainte et de forte compétition pour l'accès aux nutriments, 2- de l'expression du potentiel génétique maternel pour la mobilisation des réserves corporelles et de la disponibilité des nutriments via l'endomètre et, 3- des interactions entre les génomes maternel et fœtal. Les interactions entre le placenta et l’endomètre sont peu décrites en fin de gestation et encore moins avec une approche intégrative.<br />Le projet COLOcATION souhaite comprendre comment les génomes maternel et fœtal affectent le métabolisme et l'expression des gènes impliqués dans la maturité fœtale.<br />Nous proposons d'explorer le dialogue fœto-maternel associé à la maturité fœtale, en utilisant une approche intégrative (transcriptome, métabolome et lipidome) et en interrogeant simultanément les deux tissus adjacents (placenta/endomètre) acteurs des interactions fœto-maternelles. Nous utiliserons la collection unique d'échantillons de placenta et d'endomètre du projet PORCINET (ANR-09-GENM-005-01). La puissance de ce dispositif expérimental est d'avoir en interaction étroite deux génomes fœtaux différents (purs et croisés) dans un même utérus (génome maternel). Pour cela nous utilisons deux races extrêmes, Large White et Meishan (avec respectivement une mortalité néonatale importante et faible des porcelets) à 90 et 110 jours de gestation, période de maturation des organes. Ce dispositif est particulièrement pertinent pour évaluer les interactions entre les génomes maternel et fœtaux. Le degré de maturité est évalué à l'aide d'indicateurs biométriques déjà connus et de paramètres physiologiques.<br />Nous utiliserons une stratégie axée sur des régulations à plusieurs niveaux pour atteindre des objectifs spécifiques :<br />1. Établir un premier réseau tissulaire de co-expression du placenta et de l'endomètre en fin de gestation,<br />2. Évaluer les contributions des génomes fœtaux et maternels pour expliquer les interactions fœto-maternelles,<br />3. Identifier l'expression globale des gènes et les métabolites qui varient en fonction de la maturité fœtale à la fin de la gestation dans les échantillons des deux tissus et mettre en évidence les signatures moléculaires impactées par une plus faible maturité.<br />4. Envisager de nouvelles stratégies nutritionnelles ou génétiques pour améliorer la survie des porcelets.

Les données de métabolome, lipidome et transcriptome ont été obtenues sur 224 fœtus parmi les 407 fœtus du projet PORCINET et consistent en 7 répliques biologiques pour les 2 statuts de maturité, 2 sexes,4 génotypes, 2 stades gestationnels et pour les deux tissus endomètre et placenta. La sélection des fœtus sur la maturité a été réalisée en tenant compte des indicateurs biométriques, des paramètres et métabolome plasmatiques.
Les 448 échantillons (224 fœtus, 2 tissus) ont été extraits pour séparer les lipides totaux et les fractions aqueuses. Le métabolome de la fraction aqueuse a été réalisé par 1H-RMN à 600 MHz, identifié et quantifié avec le package R ASICS. La fraction lipidique a été analysée par chromatographie gazeuse couplée à un détecteur FID. Les quantifications des classes de lipides neutres et acides gras totaux sont exprimées par rapport aux étalons internes. Le séquençage des ARN messagers a été effectué sur 9 lignes d'Illumina Novaseq. L’analyse bio-informatique a été menée avec le pipeline Nextflow nf-core RNAseq pour générer des fichiers de comptage par transcrits et gènes.
Les analyses statistiques sont conduites sous environnement R. Les analyses exploratoires (analyse en composantes principales,…) ont décrit les trois jeux de données dans les placentas et l'endomètre séparément. Une analyse différentielle prenant en compte le jour de gestation, les races et leurs interactions est menée sur chaque tissu pour chaque jeu de données, à l'aide de modèles mixtes linéaires suivi d’une correction pour les tests multiples. Enfin, une analyse d’enrichissement des termes ontologiques sur les listes de variables différentielles sera conduite.
Des méthodes non supervisées (Partial Least Square (PLS), Diablo de MixOmics …) seront effectuées pour explorer les interactions entre les variables des différents jeux de données dans chaque tissu et mettre en évidence les modules d'intérêt. La description du dialogue à l'interface fœto-maternelle sera réalisée en établissant des réseaux multi-tissulaires bipartites à partir d'analyses (s)PLS, (r)CCC … et en identifiant les caractéristiques moléculaires coévoluant entre l'endomètre et le placenta.
L'impact du génome maternel, paternel et du sexe sur les variables et dans les deux tissus, sera mis en évidence à l’aide de modèles linéaires mixtes avec la truie en effet aléatoire.
Des méthodes d'apprentissage pour la classification seront ensuite réalisées sur chaque jeu de données de manière supervisée afin de prédire l'état de maturité au niveau tissulaire et de manière non supervisée afin d’identifier des groupes de fœtus présentant des différences de phénotypes. Des approches intégrées seront menées pour combiner jeux de données ou tissus afin de cibler plus spécifiquement un dialogue altéré entre l'endomètre et le placenta. Les méthodes d'apprentissage identifieront des variables clés pour des études ultérieures.
Des règles de traçabilité, sauvegarde des données et des analyses ont été établies.

Objectif 1 : Établir un premier réseau tissulaire de co-expression de l'interface fœto-maternelle en fin de gestation
1-1 Caractérisation des processus biologiques impliqués en fin de gestation :

Une première analyse exploratoire multivariée des données phénotypiques (45 variables) par analyse en composante principale montre que le 1er axe explique 52.7% de la variabilité totale et sépare les deux jours de gestation (Figure 1A). De manière intéressante, nous pouvons noter que quelques fœtus de moindre maturité à 110j de gestation se regroupent avec les fœtus à 90j. Pour chaque temps de gestation, l’axe 2 de l’analyse en composante principale explique entre 11,5 et 13% de la variabilité totale et sépare les fœtus en fonction de leur 4 génotypes.
Les premières analyses statistiques des données multi-omiques montrent un important changement métabolique et transcriptomique dans l’endomètre entre 90 et 110 jours de gestation (JG) ainsi qu’entre les génotypes maternels (Gmat) et fœtaux (Gfoet). Sur 46 métabolites présents dans l’endomètre, les concentrations de 15 et 14 métabolites discriminent respectivement les JG et les Gmat (OPLS-DA, VIP>1). L’analyse transcriptomique identifie un grand nombre de transcrits différentiels (61% des transcrits exprimés (TE); FDR < 0,01) avec beaucoup plus de différences entre les Gmat (52% des TE) qu’entre les JG (34.3% des TE). Dans le placenta, sur les 48 métabolites présents, les concentrations de 20 et 32 métabolites discriminent respectivement les JG et les Gfoet (PLS-DA, VIP>1). Un grand nombre de transcrits varient selon le Gfoet à JG fixé (32% des TE, FDR<0.01) ou selon le JG à Gfoet fixé (33,9% des TE, FDR<0.01) (Figure 1B).

Les résultats de ce projet proposeront une vision intégrée du dialogue fœto-maternel (mère, fœtus et placenta). L’étude identifiera des gènes, des métabolites, des lipides et des processus moléculaires pertinents associés à la variabilité de la maturité fœtale permettant de lever les verrous scientifiques et qui favoriseraient une meilleure survie et robustesse des porcelets à un âge plus avancé. Le projet aboutira à des connaissances cruciales pour stimuler le développement de nouvelles stratégies de sélection génétique et/ou nutritionnelles (par exemple, meilleur compromis métabolique entre la truie et ses porcelets, variabilité génomique de nouvelles régions candidates chez les mères et les pères).

Sans objets

Chez le porcelet, la mortalité néonatale affecte la durabilité de la filière et est essentiellement liée à un manque de maturité à la naissance. Cette maturité dépend des interactions fœto-maternelles qui régulent la répartition des ressources entre la mère et le fœtus, impactant le développement fœtal et la santé du nouveau-né. Pour aborder cette question, le projet CO-LOcATION propose une approche intégrative combinant différents niveaux d’information (transcriptome, métabolome, lipidome, phénotypes de maturité). Il utilisera les échantillons provenant du projet ANR PORCINET, qui a généré des génotypes purs et des croisés réciproques caractérisés par une robustesse contrastée à la naissance. La complexité des phénotypes de maturité sera abordée par l’étude du compromis entre croissance et survie en se focalisant sur les interactions placenta-endomètre avec des approches tout génome. Ce projet proposera de nouvelles hypothèses ou stratégies à évaluer en sélection génétique et/ou en nutrition pour améliorer la maturité et la survie des porcelets

Coordination du projet

Agnès Bonnet (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.

Partenaire

GenPhySE Génétique Physiologie et Systèmes d'Elevage

Aide de l'ANR 319 305 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2020 - 36 Mois

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