Epigénétique transgénérationnelle : l'environnement embryonnaire impacte-t-il les performances des générations ultérieures via l'épigénome chez la caille ?

Transgenerational epigenetics in quail : does the embryonic environment impact the performance of subsequent generations via the epigenome?

• Auteur / Autrice : Chloé Cerutti
• Direction : Frédérique Pitel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Infectiologie, Physipoathologie, Toxicologie, Génétique et Nutrition
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique Physiologie et Systèmes d'Élevage (Castanet-Tolosan, Haute-Garonne ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Gwennaële Fichant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédérique Pitel, Gwennaële Fichant, Maria Manzanares-Dauleux, Céline Cosseau, Guillaume Devailly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Gabory, Dominique Rocha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épigénétique

Caille japonaise

Mots clés libres

Coturnix japonica

Épigénétique transgénérationnelle

Méthylation de l’ADN

Perturbateurs endocriniens

Bisulfite

Nanopore

Coturnix japonica

Transgenerational epigenetics

DNA methylation

Endocrine disruptors

Bisulfite

Nanopore

Résumé

Le changement climatique, les contraintes économiques et les préoccupations sociétales pour une agriculture durable vont fortement influencer les systèmes de production animale et nécessitent une caractérisation plus fine de la capacité d’adaptation du génome des animaux à des fluctuations environnementales tout au long de leur vie, dès le stade embryonnaire. L’impact environnemental au niveau du génome est notamment caractérisé par la variabilité de marques épigénétiques (notamment de la méthylation de l’ADN). Elles interviennent dans la régulation de l’expression des gènes et peuvent également être transmissibles à la descendance. L’analyse des marques épigénétiques est rendue possible grâce au développement de technologies de séquençage haut-débit innovantes et d’outils bioinformatiques adaptés. La question scientifique majeure de cette thèse est l’étude chez l’oiseau des effets de l’environnement (injection de molécules contaminantes) pendant le développement embryonnaire, et de leur transmission entre générations. Les travaux ont été réalisés chez la caille, excellente espèce modèle d’intérêt agronomique pour l’étude de ces phénomènes. Le premier objectif consiste à caractériser la réponse de l’organisme face aux variations de l’environnement embryonnaire par l’analyse de (i) données phénotypiques (ponte et croissance) et (ii) de méthylation de l’ADN (RRBS et WGBS) issues de cailles ayant reçu directement une injection dans l’oeuf de génistéine, bisphénol A (perturbateurs endocriniens) ou 5Aza (inhibiteur de l’ADN méthyltransférase). Un effet significatif des différentes molécules injectées sur la croissance des cailles a été mis en évidence, les individus injectés ayant un poids plus faible que les individus non injectés, sans impacter les caractères de ponte. L’analyse de méthylation a été réalisée au moyen d’un pipeline bioinformatique permettant d’effectuer une analyse différentielle du taux de méthylation entre plusieurs conditions expérimentales. Ces analyses ont permis d’identifier des régions différentiellement méthylées entre les conditions expérimentales, mettant en évidence un effet des molécules sur des gènes liés aux voies métaboliques (croissance), au comportement (développement du système nerveux central, transport des lipides et réponse au cholestérol) et à la reproduction (maturité sexuelle). La deuxième partie consiste à caractériser la réponse de l’épigénome aux effets de l’environnement trois générations après l’injection dans l’oeufs de la molécule génistéine (phytooestrogène présent notamment dans le soja). Deux ’épilignées’ de caille (Epi+ et Epi-) ont été produites en utilisant des oeufs fécondés provenant de la même population fondatrice. L’analyse des données de méthylation de l’ADN, issues de deux techniques de séquençage différentes (WGBS et ONT) réalisées sur des échantillons de la troisième génération de ce dispositif, a pu mettre en évidence que l’exposition à la génistéine, lors du développement embryonnaire, impacte la méthylation de l’ADN de la descendance trois générations après injection. L’analyse de méthylation différentielle entre les deux épilignées a permis d’identifier des régions différentiellement méthylées en lien avec des gènes impliqués dans des voies métaboliques, dans le développement du cerveau et dans la reproduction. Ces résultats sont en accord avec les effets observés sur les caractères de reproduction et de comportement. Même si les effets génétiques ont été minimisés, une cause génétique à certains différentiels de méthylation observés n’a pas pu être écartée. Cependant, parmi les régions identifiées, certaines semblent bien être liées à une transmission épigénétique transgénérationnelle des effets de l’environnement. L’information de ces marques épigénétiques pourrait être prise en compte dans les schémas de sélection par l’utilisation de modèles de “transmissibilité” incluant les informations génétiques et épigénétiques de chaque individu.

Climate change, economic constraints and societal concerns about sustainable agriculture are going to have a major impact on animal production systems, requiring more detailed characterisation of the capacity of the animal genome to adapt to environmental fluctuations throughout an individual’s life, from the embryonic stage onwards. The environmental impact on the genome is characterized in particular by the variability of epigenetic marks (particularly DNA methylation). These marks play a role in regulating gene expression and could also be passed on to offspring. The analysis of epigenetic marks has been made possible by the development of innovative highthroughput sequencing technologies and appropriate bioinformatics tools. The major scientific question of this thesis is the study in birds of the effects of the environment (injection of contaminating molecules) during embryonic development, and their intergenerational transmission. This work has been done in quail, which is a good model species of agronomic interest for the study of these phenomena. The first objective was to characterise the organism’s response to variations in the embryonic environment by analysing (i) phenotypic data (laying and growth) and (ii) DNA methylation data (RRBS and WGBS) from quails injected directly into the egg with genistein, bisphenol A (endocrine disruptors) or 5Aza (a DNA methyltransferase inhibitor). A significant effect of the different molecules injected on quail growth was demonstrated, with injected individuals weighing less than non-injected individuals, without any impact on egg-laying characteristics. Differential methylation analysis was made possible by the development of a bioinformatics pipeline enabling differential analysis of the methylation rate between several experimental conditions. These analyses enabled us to identify regions that were differentially methylated between experimental conditions, highlighting an effect of the molecules on genes linked to metabolic pathways (growth), behaviour (development of the central nervous system, lipid transport and response to cholesterol) and reproduction (sexual maturity). The second part consists of characterising the response of the epigenome to the effects of the environment three generations after the injection into the egg of genistein (a phytoestrogen found notably in soya). Two quail ’epilines’ (Epi+ and Epi-) were produced using fertilised eggs from the same founder population. Analysis of DNA methylation data from two different sequencing techniques (WGBS and ONT) from the third generation of this animal design showed that exposure to genistein during embryonic development has an impact on DNA methylation in the offspring three generations after injection. Differential methylation analysis between the two epilines identified differentially methylated regions linked to genes involved in metabolic pathways, brain development and reproduction. These results are consistent with the effects observed on reproductive and behavioural traits. Although genetic effects were minimised, a genetic cause for some of the observed methylation differentials could not be ruled out. However, some of the regions identified appear to be linked to transgenerational epigenetic transmission of environmental effects. Information from these epigenetic marks could be taken into account in selection schemes by using a ’transmissibility’ model that includes the genetic and epigenetic information of each individual.