gènes et retards de croissance intra-utérin

Altérations de l’expression des gènes dans les Retards de Croissance Intra-Utérin

Modifications of gene expression in Intra-Uterine Growth Restriction

¹ Team 21, Institut Cochin, Université Paris Descartes, CNRS (UMR 8104).
² Inserm, U567, Paris, France.
³ Laboratoire de Biochimie et Biologie Moléculaire, Hôpital la Conception, APHM, Marseille, INSERM U608, Physiopathologie de l’endothélium.
⁴ Institut de Puériculture de Paris, 26, boulevard Brune, Paris, France.

Résumé

Les retards de croissance intra-utérins constituent des complications fréquentes de la grossesse (3-5 %), caractérisées par une rupture de la courbe de croissance des foetus in utero. Dans les cas les plus graves le RCIU entraîne une souffrance fœtale chronique, qui en fait la troisième cause de létalité après la prématurité et les malformations. Dans de rares cas, le retard de croissance a été associé à des maladies impliquant l’empreinte génétique. De nombreux travaux se sont focalisés sur ce point probablement à la suite de l’identification des effets de l’invalidation du gène soumis à empreinte IGF2 au début des années 1990. Indépendamment de l’empreinte, le lien de cause à effet entre mutation d’un gène particulier et RCIU n’a été démontré que dans de très rares cas et en général dans le contexte de syndromes complexes. C’est le cas des mutations de la culline 7 dans le syndrome dit « 3M ». L’hétérogénéité évidente du RCIU provient de sa définition clinique extrêmement vague, et nécessitant des subdivisions. On peut par exemple distinguer des causes « endogènes » liées à des défauts de gènes impliqués dans le développement foeto-placentaire, et des causes vasculaires induites par un dysfonctionnement placentaire, comme dans le défaut trophique induit par la prééclampsie. Cette dernière catégorie de « RCIU vasculaires » est elle-même caractérisée par une très grande hétérogénéité. Un axe de recherche important part néanmoins de l’hypothèse que les conséquences physiologiques du RCIU pourraient présenter des tendances générales. Ces tendances peuvent être analysées sur le placenta, mais aussi sur des organes pérennes de l’individu, comme les reins, le foie, le cerveau, etc. La pérennisation des altérations nutritionnelles de la grossesse pourrait passer par des modifications « mémorisables » par les cellules, en particulier par exemple par l’intermédiaire d’un tissu commun à tous les organes : l’endothélium vasculaire. Les mécanismes qui permettent la transmission de l’information, la mémorisation d’un stress précoce sont matérialisés dans la chromatine par des mécanismes dits « épigénétiques ». Les modifications épigénétiques sont héritables mais ne modifient pas la séquence de l’ADN. On ne parle pas de mutations, mais d’épimutations. Elles sont réalisées par trois mécanismes complémentaires : des modifications chimiques de la molécule d’ADN (méthylation des cytosines dans les séquences CG), des modifications chimiques des histones (influant sur la structure de la chromatine, son état « ouvert », transcriptionnellement actif, ou « fermé », et des ARNs non codants capables de bloquer l’expression de gènes de façon ciblée). Le RCIU peut être induit expérimentalement par le régime alimentaire dans des modèles animaux (revue exhaustive dans Mc MILLEN et ROBINSON, Physiol Reviews, 2005). C’est ce que nous avons réalisé chez le rat par restriction protidique pendant la grossesse. Nous avons ensuite analysé les altérations trasncriptomiques dans cinq organes cibles : le placenta, le rein, le cœur, le foie et le poumon. L’analyse approfondie des altérations placentaires a suggéré l’implication du gène Pdx1 comme coordinateur majeur des altérations expressionnelles placentaires, en parallèle avec celles de nombreuses protéines à doigt de zinc. L’analyse comparée avec l’humain a révélé qu’une proportion élevée de facteurs coordonnant les altérations transcriptomiques est modifiée comme chez le rat, renforçant l’idée d’une unité dans les altérations placentaires (BUFFAT et al., 2007a). L’analyse des effets de PDX1 se poursuit dans un modèle cellulaire (GASCOIN-LACHAMBRE et al., en préparation). Parmi les acteurs révélés par des approches globales ou ciblées indépendantes, on retrouve une famille de 7 protéines appelées cullines. En particulier, la culline 4B et la culline 7 semblent altérées au niveau transcriptionnel par le RCIU, chez l’homme comme chez les rongeurs. Nous avons récemment montré que le RCIU induit des modifications subtiles de l’épissage de ces gènes, tout en altérant leur régulation expressionnelle, et leur marquage épigénétique au niveau de séquences CG spécifiques. Les cullines sont impliquées dans l’échafaudage de protéines cytoplasmiques structurant la cellule, ainsi que dans l’acheminement de protéines spécifiques vers le protéasome. Ce sont donc des acteurs importants de la physiologie et de l’homéostasie cellulaire, qui pourraient donc temporiser les effets du RCIU, et donc être systématiquement activées dans cette pathologie. En ce qui concerne les altérations des organes induites chez les fœtus par le RCIU, nous les avons analysées en détail dans le cas du rein. Nous avons pu montrer une augmentation massive de gènes impliqués dans la coagulation et l’activation du complément dans cet organe, ce qui est corrélé à la diminution du nombre de glomérules et donc globalement à un fonctionnement probablement moins efficace (BUFFAT et al., 2007b). L’analyse transcriptomique globale des cinq organes analysés dans le modèle rat conduit à l’idée que le placenta et le rein servent de « filtres » à deux niveaux entre la mère et le fœtus, car ces deux organes ont des altérations expressionnelles corrélées tandis que les trois autres organes fœtaux analysés (cœur, foie, poumon) sont corrélés entre eux. L’étude des effets à long terme sur les organes pérennes suite au RCIU est un sujet encore neuf, qui pose de très nombreuses questions en termes de régulation, d’adaptation des organes à un environnement agressif. La meilleure compréhension des effets du RCIU pourrait permettre par des apports nutritionnels ciblés, d’améliorer le pronostic à court et a long terme.

Abstract

Intra-Uterine Growth Restriction (IUGR) is a frequent complication of pregnancy (3-5 % of the gestations), characterized by a rupture of the growth curve of the foetuses in utero. In the most severe cases, IUGR involves chronic fetal suffering, which makes of it the third cause of lethality in industrialized countries, after prematurity and malformations. IUGR leads to the birth of small-sizes babies, which, at adulthood, may predispose them to the metabolic syndrome [obesity, diabetes of the type II, diseases cardiovascular (BARKER et al., The Lancet, 1989)]. In rare cases, IUGR was associated with diseases involving parental imprinting. Many works were focused on this point probably following the identification of the effects of IGF2 gene invalidation in mice, at the beginning of the 90’s. Independently of imprinting defects, the direct link between mutations in a given gene and IUGR was shown only in very rare occasions, and in general in the context of complex syndromes. It is the case of Cullin7 mutations in the syndrome “3M” (HUBER et al., Nature Genet, 2005). The obvious heterogeneity of IUGR comes from its extremely vague clinical definition, and the different cases need obviously to be subdivided to be biologically meaningful. One can for example distinguish IUGR originating from “endogenous” causes related to defects in genes implied in foeto-placental development on the one hand, and vascular causes induced by a placental dysfunction, as in the trophic defect induced by the preeclampsia, on the other hand. This last category of “vascular IUGR” is by itself characterized by a very great heterogeneity. An important research orientation starts nevertheless from the assumption that the physiological consequences of IUGR could present general tendencies.These tendencies can be analyzed on the placenta, but also on perennial organs of the individual, like the kidneys, the liver, or the brain. The perpetuation of nutritional modifications occurring during the pregnancy could pass through the cell generations by modifications “memorized” in the chromatin of specific cell types; this could in particular be the case with the vascular endothelium, a tissue which is shared by all vascularized organs. The mechanisms which allow the transmission of information such as by “memorizing” an early stress are materialized in chromatin by “epigenetics” mechanisms. The epigenetic modifications are heritable but do not modify the DNA sequence. One does not speak about mutations, but about epimutations. They are carried out by three complementary mechanisms: chemical modifications of the DNA molecule (methylation of cytosines in CG sequences), chemical modifications of the histones (influencing the structure of chromatin, its state being either “opened”, i. e. transcriptionnally active, or “closed”), and of non coding RNAs able to block gene expression in a targeted way. IUGR can be experimentally induced by the diet in animal models (thoroughly reviewed in Mc MILLEN and ROBINSON, Physiol Reviews, 2005). Our team has carried out this type of induction in rats by protein restriction of the mothers during pregnancy.We then analyzed transcriptomic alterations in five target organs: placenta, kidney, heart, liver and lung. The thorough analysis of placental deteriorations suggested the implication of the Pdx1 transcription factor as a major coordinator of placental expressional deteriorations, together with many zinc finger-containing transcription factors. Comparisons with human IUGR revealed that a high proportion of these factors coordinating transcriptomic alterations are modified as in the rat, reinforcing the idea of a physiological unity in IUGR-induced placental alterations (BUFFAT et al., 2007a). The analysis of the effects of PDX1 is now pushed forward in a cellular model (GASCOINLACHAMBRE et al., in preparation). Among the actors revealed independently by global or targeted approaches, a family of 7 proteins called cullins has emerged. In particular, cullin 4B and cullin 7 were modified at the transcriptional level by IUGR, in humans as well as in the rodents.We recently showed that IUGR leads to subtle modifications of the splicing of these genes in the placenta, while deteriorating their expressional regulation, as well as their epigenetic marks at specific CG sequences. Cullins are involved in the cytoplasmic protein scaffolding which structures the cell, as well as in the routing of specific proteins towards the proteasome. They are thus important actors of the cellular physiology and homeostasis, which could thus restrain the effects of IUGR, and consequently, be systematically activated in this pathology.With regard to deteriorations of the organs induced by IUGR in the fetuses, we analyzed them in detail in the case of the kidney.We could show a massive expressional increase of genes implied in coagulation and complement activation in this organ, which is correlated with the reduction in the number of glomeruli, leading overall to a less effective function of the kidney (BUFFAT et al., 2007b). Total transcriptomic analysis of the five organs studied in the rat model led to the idea that the placenta and the kidney serve as a two levels “filter” between the mother and the foetus. These two organs indeed have correlated expressional dysregulations while the three other fetal organs studied (heart, liver, lung) are correlated between them. The study of the long-term effects of IUGR on perennial organs is still a new subject that can be studied only on animal models. It raises many questions in terms of regulation and adaptation of the organs to an aggressive environment. It can be predicted, nevertheless that a better understanding of IUGR effects could allow improving the forecast at short and long-term, by targeted nutritional modifications of the mother diet.