Mécanismes épigénétiques de la différenciation cellulaire

Toutes les cellules d'un organisme possèdent le même ADN, pourtant un neurone et une cellule musculaire sont très différents. Cette spécialisation résulte de l'expression différentielle des gènes : certains sont actifs, d'autres silencieux. L'épigénétique regroupe les modifications chimiques réversibles qui contrôlent cette expression sans changer la séquence nucléotidique. On peut comparer l'ADN à une partition et l'épigénétique aux annotations qui indiquent quelles notes jouer ou taire.

La méthylation de l'ADN consiste en l'ajout d'un groupement méthyle (-CH3) sur certaines cytosines, surtout dans les régions promotrices riches en dinucléotides CpG. Cette modification attire des protéines qui condensent la chromatine, empêchant les facteurs de transcription de se fixer. Le gène devient alors silencieux de façon stable. C'est un mécanisme essentiel pour éteindre les gènes non nécessaires à une cellule différenciée, comme l'inactivation d'un chromosome X chez les femelles mammifères.

L'ADN s'enroule autour de protéines appelées histones pour former la chromatine. L'acétylation des histones neutralise leur charge positive, ce qui relâche l'association avec l'ADN et ouvre la chromatine : la transcription est favorisée. À l'inverse, la désacétylation resserre la chromatine et réprime l'expression génique. La méthylation des histones a un effet variable selon l'acide aminé modifié : elle peut activer ou réprimer un gène. Par exemple, lors de la différenciation musculaire, l'acétylation des histones du gène de la myosine permet sa transcription spécifique.

Les marques épigénétiques sont transmises lors de la mitose, ce qui permet aux cellules filles de conserver la même identité que la cellule mère : c'est la mémoire épigénétique. Cependant, ces marques ne sont pas figées : l'alimentation, le stress ou des substances toxiques peuvent les modifier, entraînant des changements d'expression génique. Un exemple frappant est celui des abeilles : les larves nourries à la gelée royale deviennent des reines fertiles, car ce régime modifie la méthylation de leur ADN. Ainsi, l'épigénome est un pont entre les gènes et l'environnement.