Aperçu: G.M.
CONTEXTE:
Un trait caractéristique de la reproduction sexuée est la transmission d'informations génomiques des deux parents à la progéniture. Il existe maintenant des preuves convaincantes que la transmission de telles informations génétiques s'accompagne de marques épigénétiques supplémentaires, ou d'informations stables héritables, qui ne sont pas expliquées par des variations dans la séquence de l'ADN. La nature réversible des marques épigénétiques, associée à de multiples cycles de reprogrammation épigénétique qui effacent la majorité des modèles existants, ont rendu difficile la recherche de ce phénomène. Cependant, les progrès continus des méthodes moléculaires permettent d’examiner de plus près les modifications dynamiques de la composition des histones et des profils de méthylation de l’ADN qui accompagnent le développement, et en particulier la manière dont ces modifications peuvent survenir dans la lignée germinale d’un individu et être transmises à la génération suivante. Bien que les mécanismes sous-jacents permettant cette forme de transmission transgénérationnelle restent flous, il apparaît de plus en plus qu’une combinaison de modifications génétiques et épigénétiques joue un rôle majeur dans la détermination des phénotypes des individus et de leur progéniture.
OBJECTIF ET JUSTIFICATION:
Les informations relatives à l'héritage transgénérationnel ont été systématiquement examinées, en se concentrant principalement sur les cellules de mammifère, à l'exclusion de l'hérédité chez les plantes, en raison des différences inhérentes aux moyens de transmission de l'information entre les générations. Les effets des facteurs environnementaux et des processus biologiques sur les informations épigénétiques et génétiques ont été examinés afin de déterminer leur contribution à la modulation des phénotypes héréditables.
METHODES DE RECHERCHE:
Les articles indexés dans PubMed ont été recherchés à l'aide de mots-clés liés à l'héritage transgénérationnel, aux modifications épigénétiques, aux traits héréditaires paternels et maternels et aux facteurs environnementaux et biologiques influant sur les modifications transgénérationnelles. Nous avons cherché à clarifier le rôle des événements de reprogrammation épigénétiques au cours du cycle de vie des mammifères et à fournir une analyse complète de la manière dont la composition génomique et épigénomique des progéniteurs peut déterminer le phénotype de ses descendants.
RÉSULTATS:
Nous avons trouvé des preuves solides soutenant le rôle des modèles de méthylation de l'ADN, des modifications d'histone et même de l'ARN non-codant pour la protéine dans la modification de la composition épigénétique des individus et la production d'effets épigénétiques stables transmis des parents à la progéniture, chez l'homme et les rongeurs. Il a été constaté que plusieurs domaines génomiques et plusieurs sites de modification d'histones résistent à la déméthylation et supportent des événements de reprogrammation à l'échelle du génome. Il a été démontré que les modifications épigénétiques intégrées dans le génome des individus modulent l’expression et l’activité des gènes dans les domaines activateur et promoteur, tandis que les mutations génétiques modifient la disponibilité des séquences pour la méthylation et la liaison à l’histone. Fondamentalement, des modifications de la composition nucléaire de la lignée germinale en réponse à des facteurs environnementaux, au vieillissement, au régime alimentaire et à l'exposition à des substances toxiques risquent de se transmettre par voie héréditaire.
IMPLICATIONS PLUS LARGES:
L'environnement influence la santé et le bien-être de la progéniture en agissant à travers la lignée germinale pour introduire des mutations génétiques spontanées ainsi que divers changements épigénétiques, notamment des modifications du statut de méthylation de l'ADN et de la modification post-traductionnelle des histones. En termes évolutifs, ces changements créent la diversité phénotypique qui alimente les feux de la sélection naturelle. Cependant, plutôt que d’être adaptative, une telle variation peut également générer une pléthore d’états pathologiques allant des troubles génétiques dominants aux affections neurologiques, y compris la schizophrénie spontanée et l’autisme.
- 1
- Reproductive Science Group, Faculty of Science, The University of Newcastle, Callaghan, NSW 2308, Australia.
- 2
- Priority Research Centre for Reproductive Science, The University of Newcastle, Callaghan, NSW 2308, Australia.
- 3
- Priority
Research Centre for Chemical Biology and Clinical Pharmacology, The
University of Newcastle, Callaghan, NSW 2308, Australia.
- 4
- Faculty of Health and Medicine, The University of Newcastle, Callaghan, NSW 2308, Australia.
Abstract
BACKGROUND:
A
defining feature of sexual reproduction is the transmission of genomic
information from both parents to the offspring. There is now compelling
evidence that the inheritance of such genetic information is accompanied
by additional epigenetic marks, or stable heritable information that is
not accounted for by variations in DNA sequence. The reversible nature
of epigenetic marks coupled with multiple rounds of epigenetic
reprogramming that erase the majority of existing patterns have made the
investigation of this phenomenon challenging. However, continual
advances in molecular methods are allowing closer examination of the
dynamic alterations to histone composition and DNA methylation patterns
that accompany development and, in particular, how these modifications
can occur in an individual's germline and be transmitted to the
following generation. While the underlying mechanisms that permit this
form of transgenerational inheritance remain unclear, it is increasingly
apparent that a combination of genetic and epigenetic modifications
plays major roles in determining the phenotypes of individuals and their
offspring.
OBJECTIVE AND RATIONALE:
Information
pertaining to transgenerational inheritance was systematically reviewed
focusing primarily on mammalian cells to the exclusion of inheritance in
plants, due to inherent differences in the means by which information
is transmitted between generations. The effects of environmental factors
and biological processes on both epigenetic and genetic information
were reviewed to determine their contribution to modulating inheritable
phenotypes.
SEARCH METHODS:
Articles indexed in PubMed
were searched using keywords related to transgenerational inheritance,
epigenetic modifications, paternal and maternal inheritable traits and
environmental and biological factors influencing transgenerational
modifications. We sought to clarify the role of epigenetic reprogramming
events during the life cycle of mammals and provide a comprehensive
review of how the genomic and epigenomic make-up of progenitors may
determine the phenotype of its descendants.
OUTCOMES:
We
found strong evidence supporting the role of DNA methylation patterns,
histone modifications and even non-protein-coding RNA in altering the
epigenetic composition of individuals and producing stable epigenetic
effects that were transmitted from parents to offspring, in both humans
and rodent species. Multiple genomic domains and several histone
modification sites were found to resist demethylation and endure
genome-wide reprogramming events. Epigenetic modifications integrated
into the genome of individuals were shown to modulate gene expression
and activity at enhancer and promoter domains, while genetic mutations
were shown to alter sequence availability for methylation and histone
binding. Fundamentally, alterations to the nuclear composition of the
germline in response to environmental factors, ageing, diet and toxicant
exposure have the potential to become hereditably transmitted.
WIDER IMPLICATIONS:
The
environment influences the health and well-being of progeny by working
through the germline to introduce spontaneous genetic mutations as well
as a variety of epigenetic changes, including alterations in DNA
methylation status and the post-translational modification of histones.
In evolutionary terms, these changes create the phenotypic diversity
that fuels the fires of natural selection. However, rather than being
adaptive, such variation may also generate a plethora of pathological
disease states ranging from dominant genetic disorders to neurological
conditions, including spontaneous schizophrenia and autism.
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The Author(s) 2019. Published by Oxford University Press on behalf of
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