Introduction

Pour les productions animales et en particulier chez les bovins, l'objectif est d'accroître la productivité tout en respectant la santé et le bien-être des animaux. D'importants efforts de sélection génétique ont été réalisés au cours des cinq dernières décennies, et de nombreux marqueurs génétiques ont été associés à la production laitière, la qualité de la viande, la reproduction et les caractères de croissance (Bouquet et Juga, 2013 ; Boichard et al., 2016). Cependant, la génétique ne permet d'expliquer qu'une partie de la variabilité phénotypique des caractères d'intérêt pour l'éleveur ; les modifications épigénétiques contribuent également à cette variabilité.

Initialement utilisé pour décrire l'influence de l'environnement sur le développement des phénotypes, le terme «&nbspépigénétique&nbsp» a beaucoup évolué depuis son introduction en 1942 par Conrad H. Waddington. L'épigénétique se définit aujourd'hui comme l'ensemble des marques apposées sur le génome qui induisent des changements de l'expression des gènes sans altération de la séquence d'ADN (Berger et al., 2009). Ces marques sont à la fois stables et héritables au cours des divisions cellulaires. L'épigénome d'une cellule est l'ensemble complet des marques épigénétiques, telles que la méthylation de l'ADN, les modifications post-traductionnelles des histones, le remodelage de la chromatine, les ARN non codants et autres molécules qui peuvent transmettre des informations à travers la mitose en régulant l'expression génique.

L'épigénome est très dynamique tout au long de la vie, et est régi par une interaction complexe de facteurs génétiques et environnementaux (Kouzarides, 2007). En effet, toutes les cellules d'un individu possèdent le même patrimoine génétique qu'elles utilisent de façon variable en exprimant plus ou moins fortement des gènes différents en fonction du stade physiologique et du type cellulaire. Cette information spécifique d'un état cellulaire donné est orchestrée par les marques épigénétiques, activatrices ou inhibitrices, qui ont la capacité de modifier l'expression génique et de définir des phénotypes spécifiques. De plus, les marques épigénétiques apposées sur le génome sont modifiables et/ou réversibles en fonction de l'environnement, et ces modifications peuvent aussi avoir des conséquences à long terme (figure 1). Le développement d'un individu (embryon, fœtus et nouveau-né ; mais aussi la différenciation et la maturation des cellules germinales) et de façon plus générale la période qui entoure la conception, représente une fenêtre de temps particulièrement sensible aux différents facteurs environnementaux. Le retour à la totipotence nécessaire à l'initiation du programme développemental implique en effet une grande plasticité des marques épigénétiques en terme de diversité, quantité et durée d'action. Ainsi, des variations environnementales se produisant au cours de la gestation peuvent avoir des conséquences sur le phénotype de la génération suivante, voire au-delà (Junien et al., 2016).

Dans cet article, nous décrivons brièvement les processus épigénétiques, puis nous évoquons, à travers plusieurs exemples principalement issus de travaux menés à INRAE, le rôle majeur de l’épigénome dans la construction du phénotype chez le bovin, avec un accent particulier mis sur les caractères de fertilité, de développement, de santé et de production laitière."

Figure 1. Contribution de l’épigénome à la variabilité des phénotypes.

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Le génome évolue dans le temps sous l’influence de mutations intervenant de manière aléatoire  celles-ci sont maintenues (ou pas) au sein des populations en fonction de leurs répercussions fonctionnelles. L’épigénétique permet une lecture spécifique de l’information génétique contribuant à la mise en place d’états transcriptionnels différentiels au sein de chaque type cellulaire dans chaque tissu. L’épigénome est aussi modifié sous l’influence de facteurs extrinsèques et intrinsèques, permettant une plasticité de l’expression du génome et une déclinaison des réponses phénotypiques.

1. Marques et mécanismes épigénétiques

1.1. Méthylation de l'ADN

Au sein de la séquence d’ADN, les résidus de cytosine des dinucléotides CpG (pour «&nbspcytosine–phosphate–guanine&nbsp») peuvent être méthylés en 5-méthylcytosine (5meC  figure 2). Cette méthylation de l’ADN est connue depuis plus de 50 ans, avec la découverte de la 5meC dans l’embryon d’oursin puis la mise en relation de cette marque épigénétique avec l’activité des gènes au cours du développement. Elle est présente chez presque tous les organismes vivants, mais chez les mammifères, seules 5 à 10&nbsp% des cytosines du génome sont méthylées. Ce pourcentage semble faible, mais rapporté aux dinucléotides CpG, il dépasse bien souvent 80&nbsp%.

Les sites CpG ne se répartissent pas de manière uniforme le long du génome. Les régions les plus denses en sites CpG sont nommées «&nbspîlots CpG&nbsp» et sont en général méthylées lorsqu’elles sont associées aux éléments répétés du génome, tels que les rétrotransposons (éléments mobiles du génome, d’origine virale accumulés au cours de l’évolution) et les séquences satellites centromériques et péricentromériques. La méthylation de l’ADN au niveau des rétrotransposons, est nécessaire pour prévenir leur réplication et protéger le génome contre leur invasion. La méthylation des séquences satellites péricentromériques intervient quant à elle dans la formation de l’hétérochromatine constitutive, essentielle pour limiter les recombinaisons et ségrégations chromosomiques indésirables. Au niveau des régions flanquant les îlots CpG, la méthylation de l’ADN est particulièrement dynamique en fonction du type cellulaire, du stade de développement, de la physiologie de l’animal ou de l’environnement.

Associée à des éléments régulateurs ou à des promoteurs, la méthylation de l’ADN inhibe l’expression des gènes, tandis qu’au niveau intragénique elle aurait un rôle activateur en limitant les démarrages de transcription illégitimes (Schubeler, 2015). La méthylation de l’ADN intervient également dans l’inactivation du chromosome X, qui permet de compenser le double dosage allélique chez les femelles, ainsi que dans les processus d’empreinte parentale décrits pour une centaine de gènes chez l’Homme et la souris. Les gènes soumis à empreinte s’expriment de manière mono-allélique en fonction de l’origine parentale de l’allèle ; cette expression mono-allélique est indispensable au bon déroulement du développement et à une croissance harmonieuse du fœtus. Ces gènes ne semblent pas complètement conservés entre espèces, et leur liste chez le bovin n’est à ce jour pas exhaustive.

Les fonctions de la méthylation de l’ADN sont médiées par des protéines nucléaires portant un domaine de liaison à l’ADN méthylé et capables de recruter des répresseurs transcriptionnels ou des enzymes de modification des marques d’histones. Les DNMT (ADN méthyltransférases) sont les enzymes qui catalysent le transfert des groupes méthyle sur la position 5 des cytosines à partir du métabolite S-adénosylméthionine (produit à partir d’acide folique apporté par l’alimentation). Les enzymes DNMT3A et DNMT3B sont impliquées dans la méthylation de novo qui se met en place lors des processus de différenciation cellulaire, mais également en réponse à un stimulus dans les cellules différenciées. L’enzyme DNMT1, qui reconnaît les sites CpG hémiméthylés issus de la réplication de l’ADN, assure le maintien et la propagation des patrons de méthylation à travers la division cellulaire (Lyko, 2018). La déméthylation peut ainsi résulter d’une absence d’activité de DNMT1, la méthylation de l’ADN étant progressivement diluée au cours des cycles cellulaires. Des mécanismes de déméthylation active de l’ADN sont également observés lors des vagues de reprogrammation épigénétique ayant lieu dans les précurseurs des cellules germinales et l’embryon préimplantatoire. Ces mécanismes mettent en jeu la conversion des 5meC par les enzymes TET en dérivés oxydés comme la 5-hydroxyméthylcytosine (5hmC), qui sont ensuite dilués pendant la réplication ou remplacés par des cytosines non méthylées par la machinerie de réparation de l’ADN (Wu et Zhang, 2017).

Figure 2. Régulation épigénétique de l’expression génique.

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A. La méthylation de l’ADN sur les cytosines des dinucléotides CpG, les modifications d’histones au cœur des nucléosomes et les ARN non codants qui adoptent parfois des structures spécifiques appelées «&nbsptige-boucle&nbsp» sont les principaux régulateurs épigénétiques présentés ici. Dans le cas des modifications d’histones, on citera d’abord l’histone ciblée, le résidu et sa position par rapport à la queue N-terminale puis le type et le nombre de modifications (par exemple H3K9me3 pour la tri-méthylation de l’histone H3 sur la lysine en position 9).

B. En fonction de l’environnement, différentes marques épigénétiques peuvent être présentes, notamment au niveau des îlots CpG en amont du site d’initiation de la transcription des gènes, conférant une structure plus ou moins «&nbspouverte&nbsp» à la chromatine. Les modifications épigénétiques sont réversibles. Ce processus est médié par plusieurs familles d’enzymes aux activités antagonistes&nbsp: DNMT et TET pour la méthylation de l’ADN, KMT et KDM pour la méthylation des histones, HAT et HDAC pour l’acétylation des histones. Figure réalisée sur www.mindthegraph.com

2. Fertilité, reproduction et développement

2.1. Reprogrammation épigénétique dans les cellules germinales

La différentiation des cellules germinales prend place dans les gonades mâles (testicules) et femelles (ovaires). Au cours de la vie fœtale, les gonades apparaissent d’abord sous forme de crêtes génitales puis se différencient en ovaire ou testicule selon le sexe de l’individu. Cette orientation de la gonade vers une voie mâle ou femelle conditionne le devenir de la lignée germinale et la nature des remaniements épigénétiques associés. L’établissement des lignées germinales mâle et femelle requiert trois étapes successives&nbsp: i) spécification des Cellules Germinales (CG) primordiales à partir de l’épiblaste embryonnaire en début de gastrulation, ii) migration vers les crêtes génitales, iii) différenciation en fonction de l’environnement testiculaire ou ovarien.

Alors que les CG mâles arrêtent de proliférer et entrent en quiescence (la méiose démarrant à la puberté), les CG femelles entrent en méiose dès la vie fœtale. Ces 3 étapes reposent sur un programme transcriptionnel spécifique au sexe et orchestré par des remaniements épigénétiques de grande ampleur. Le patron de méthylation de l’ADN caractérisant l’épiblaste embryonnaire est ainsi effacé sur l’ensemble du génome lorsque les CG primordiales colonisent la gonade ; la méthylation de l’ADN est ensuite réapposée selon une dynamique différente dans les CG mâles et femelles (figure 3).

Figure 3. Évolution de la méthylation de l’ADN dans les cellules germinales (CG) au cours du développement.

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L’intensité de couleur des flèches explicite les niveaux de méthylation de l’ADN des CG en fonction des stades de développement chez la souris. Ainsi, lors de leur migration, puis de la colonisation des crêtes génitales, les CG déméthylent progressivement leur génome, pour atteindre le niveau de méthylation le plus bas au stade précédent la méiose dans l’ovaire et l’arrêt des mitoses des CG dans le testicule. Chez les mâles une nouvelle méthylation est rapidement apposée, alors que chez les femelles, la méthylation de l’ADN de l’ovocyte débutera lors de la maturation ovocytaire des follicules en croissance. L’évolution de la méthylation de l’ADN dans les CG fœtales bovines n’est pas connue  l’équivalence des stades de développement est mentionnée à titre indicatif. Jpc&nbsp: jour post conception  CGP&nbsp: CG primordiales.

L'essentiel des connaissances concernant la dynamique d'effacement de la méthylation de l'ADN repose sur les données issues du modèle murin et dans une moindre mesure, d'informations acquises chez l'Homme. L'effacement de la méthylation touche d'abord la majeure partie des îlots CpG dans l'ADN des CG primordiales en migration, puis des régions plus spécifiques du génome lors de la colonisation des crêtes génitales. Cet effacement n'est pas total&nbsp: certaines régions génomiques, comme les éléments répétés, conservent de la méthylation à un degré différent selon le sexe et l'espèce (Seisenberger et al., 2012  Guo et al., 2015). En parallèle de la déméthylation de l'ADN, les niveaux des marques d'histones répressives augmentent, afin d'éviter qu'une activité transcriptionnelle massive ne se mette en place suite à l'hypométhylation du génome (Gkountela et al., 2015). La perte de 5meC, mais aussi de marques d'histones répressives et le gain en 5hmC sont essentiels à l'expression de gènes de la différenciation germinale et à la progression de la gamétogenèse, en particulier chez les femelles où elle précède de peu l'initiation de la méiose (Hill et al., 2018).

La reméthylation de l'ADN des CG fait appel aux enzymes de méthylation de novo DNMT3A et 3B, mais aussi à DNMT3L, un cofacteur spécifique de la lignée germinale, dépourvu d'activité méthyl-transférase et guidant les DNMT3A et B vers les séquences à méthyler. Cette étape intervient à des stades différents selon le sexe. Chez les mâles, la reméthylation commence dès la vie fœtale. Bien que la majeure partie de la méthylation dans les CG mâles ait été acquise pendant la vie in utero, il semble que des remaniements continuent après la naissance, et même lors de la spermatogenèse (Ly et al., 2015). La dynamique de reméthylation de l'ADN n'est à ce jour pas connue chez le bovin mâle, mais est à l'étude à INRAE (Mandon-Pépin et al., 2017). Chez les femelles, la reméthylation se fait progressivement après la puberté alors que l'ovocyte mature et grossit au cours de la croissance folliculaire. Les premiers signes de reméthylation apparaissent lors de la transition follicule primaire/ follicule secondaire, lorsque l'ovocyte a atteint 110µm chez la vache (O'Doherty et al., 2012). La reméthylation se poursuit ensuite jusqu'à l'ovulation.

Ainsi, la reméthylation de l'ADN des CG se fait principalement pendant la vie fœtale chez les mâles et majoritairement après la puberté chez les femelles. Les CG mâles ou femelles ne présentent donc pas la même sensibilité à l'environnement, notamment au cours de la gestation. Les conditions de vie de la mère peuvent avoir un impact sur la reprogrammation des CG mâles et l'épigénome spermatique à l'âge adulte, avec des conséquences physiologiques, notamment en terme de métabolisme, observables à la génération suivante (Radford et al., 2014). Chez les bovins, le contrôle de l'environnement au cours de la gestation (en particulier l'alimentation des mères hautes productrices) pourrait donc s'avérer crucial pour assurer la future fertilité des taureaux.

2.2. Épigénome spermatique

a. Méthylation de l’ADN

Nous avons montré que les spermatozoïdes bovins présentaient un taux global de 5meC particulièrement faible par rapport aux cellules somatiques bovines mais aussi à des spermatozoïdes de boucs, béliers, Homme, étalon, verrat et souris (Perrier et al., 2018). Cette faible méthylation est observée pour l'ensemble des races bovines étudiées à ce jour et ne semble pas affectée par le processus de congélation de la semence. Pour déterminer les séquences hypométhylées, nous avons comparé le méthylome spermatique avec celui de tissus somatiques bovins par des approches pan-génomiques. De nombreuses positions différenciellement méthylées ont été mises en évidence, dont 81&nbsp% sont hypométhylées spécifiquement dans les spermatozoïdes. Ces sites hypométhylés sont enrichis en gènes de la spermatogenèse ainsi qu'en séquences répétées de type satellite et ADN ribosomique (Perrier et al., 2018). La surreprésentation de ces séquences répétées dans le génome bovin, ainsi que leur faible méthylation, pourraient expliquer pourquoi les spermatozoïdes bovins présentent un taux de 5meC global plus bas que les spermatozoïdes d'autres espèces de mammifères. Ce travail, associé à des études similaires dans d'autres espèces, nous a permis de proposer un profil-type du méthylome spermatique (Kiefer et Perrier, 2019  figure 4).

Les facteurs associés à des variations du méthylome spermatique sont à présent étudiés à partir d'une cohorte de 260 taureaux. La race (Holstein, Montbéliarde, Normande, Charolais, Blanc Bleu Belge et Abondance) semble modeler le méthylome spermatique (Perrier et al., 2019). Un effet majeur de l'âge du taureau au moment de la collecte de semence a également été mis en évidence dans toutes les races étudiées. Cet effet suggère une plasticité inattendue de l'épigénome spermatique, qui était considéré jusqu'à peu comme stable à l'âge adulte puisque la vague de reméthylation de novo est alors achevée. Depuis 2017, plusieurs publications chez la souris, l'Homme et plus récemment chez le bovin (Lambert et al., 2018  Takeda et al., 2019), vont dans le sens de ces observations. Ceci génère des questions par rapport aux conséquences possibles des pratiques actuelles de collecte de semence, réalisées à un âge de plus en plus précoce dans les races laitières. Des approches d'intelligence artificielle sont actuellement en cours pour isoler les meilleurs biomarqueurs prédictifs de fertilité mâle dans le méthylome spermatique.

Depuis l'avènement de la sélection génomique, la valeur génétique des reproducteurs est établie précocement à partir des génotypes, et de nombreuses pratiques visant à accélérer la maturité sexuelle, et donc la commercialisation des taureaux, sont testées. L'une d'elles consiste à administrer aux jeunes mâles un plan d'alimentation riche pendant les premiers mois de vie, ce qui a pour effet de déclencher la puberté avec un mois d'avance sans effet visible sur la qualité de la semence (Byrne et al., 2018). Nous avons montré que les conséquences du régime et de la puberté avancée sur la méthylation de l'ADN spermatique sont relativement limitées mais existent (Perrier et al., 2020). Ces données suggèrent que l'épigénome des spermatozoïdes contient une mémoire des évènements passés, et que les premiers mois de vie du taureau représentent une fenêtre de sensibilité aux variations environnementales. Il serait important de déterminer dans quelle mesure ces variations de méthylation peuvent altérer le développement et le phénotype de la descendance.

Figure 4. Relations entre éléments fonctionnels du génome, densité en CpG et 5meC dans les cellules somatiques et les spermatozoïdes.

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La densité en CpG (A) et la méthylation de l’ADN (B) pour différents éléments du génome sont schématisés le long d’un chromosome. En B, les lignes pleines illustrent l’hyperméthylation globale du génome, qui semble conservée entre espèces de mammifères et cellules différenciées, alors que la méthylation variable est représentée par des lignes pointillées (jaune&nbsp: cellules somatiques  bleu&nbsp: spermatozoïde). Les marges et facteurs de variation sont représentés par des flèches. Les promoteurs des gènes (1), qui ont une méthylation variable en fonction de l’activité transcriptionnelle dans les cellules somatiques, sont déméthylés dans les spermatozoïdes transcriptionnellement inactifs. Les éléments mobiles du génome (2) et les séquences péricentromériques (3), hyperméthylés dans les cellules somatiques, présentent une méthylation variable en fonction de la famille de rétrotransposons qui les constituent (2) et de l’espèce (3), respectivement. D’après (Kiefer et Perrier, 2019).

b. Petits ARN non-codants

Le contenu en ARN spermatiques a longtemps été considéré comme un vestige de la spermatogénèse. Plus récemment, des études ont montré que les ARN spermatiques étaient transférés dans l'ovocyte et contribuaient à la réussite de la fécondation et des premières étapes du développement de l'embryon. Les petits ARN non-codants (sncARN) en particulier pourraient constituer des biomarqueurs reflétant le bon déroulement de la spermatogénèse et/ou la fonctionnalité de la semence (Bissonnette et al., 2009).

Une analyse exhaustive des profils d'expression des sncARN spermatiques sur une cohorte de 40 taureaux représentant 6 races (Holstein, Montbéliarde, Normande, Charolais, Blanc Bleu Belge et Abondance) a été réalisée (Sellem et al., 2020). Outre des miARN (20&nbsp%), nous avons identifié des ARN interagissant avec PIWI (piARN, 26%) mais aussi des fragments d'ARN ribosomiques (25&nbsp%) et d'ARN de transfert (14&nbsp%). Il est intéressant de noter que les fragments d'ARN de transfert associés à une glycine ou une glutamine sont très représentés parmi l'ensemble des ARN de transfert. Des variations de profils d'expression ont été observées entre races pour toutes les catégories de sncARN.

Seuls 26&nbsp% des miARN spermatiques identifiés dans nos données ont déjà été décrits, la grande majorité étant prédite et potentiellement spécifique de l'espèce bovine. Nous montrons aussi que 2&nbsp% des miARN sont très fortement exprimés dans le spermatozoïde, suggérant une importance fonctionnelle. Des études font état d'une potentielle corrélation entre le profil d'expression des miARN et la fertilité des taureaux (Govindaraju et al., 2012 ; Fagerlind et al., 2015). La présence de ces miARN pourrait favoriser une dépression en ARN messagers ovocytaires correspondant aux gènes cibles de ces miARN et une modification des premières étapes du développement embryonnaire. Suivre les conséquences d'une surexpression ou suppression de ces miARN sur la cinétique et la qualité de développement des embryons permettrait d'explorer leur fonction.

3. Santé et immunité : marques épigénétiques des cellules circulantes

La santé des animaux d'élevage est la clé de voûte de leur bien-être et de la réalisation de leur potentiel génétique. Le concept « animaux robustes et efficients » englobe les notions de santé associées à une résistance aux pathogènes et/ou de réponse immune efficace, d'adaptation aux changements environnementaux (conduites d'élevage, nutrition, climat), de production de qualité et en quantité, tout en limitant les impacts sur l'environnement. Les analyses phénotype/génotype permettent à la sélection génomique d'identifier de tels animaux. S'intéresser à l'épigénome immunitaire est une approche complémentaire. Les réponses immunes innée et adaptative sont les résultantes de processus complexes de différenciation cellulaire, mettant en jeu une succession de profils d'expression génique, régulés avec une grande précision spatio-temporelle par des facteurs de transcription spécifiques et des processus épigénétiques. Largement documenté chez l'Homme ou dans le modèle rongeur (Alvarez-Errico et al., 2015), ce champ reste peu étudié chez le bovin.

3.1. Hématopoïèse et méthylation de l’ADN

Les cellules progénitrices hématopoïétiques pluripotentes, présentes dans la moelle osseuse, sont caractérisées par un état basal de méthylation déterminant un profil transcriptomique en support à leur compétence de renouvellement. L'engagement de ces cellules dans les voies de différenciation myéloïde et lymphoïde est conditionné par une perte ou une augmentation de loci méthylés, respectivement. Les vagues de différenciation en lymphocytes, granulocytes, monocytes, macrophages, éosinophiles, neutrophiles qui s'en suivent sont également sous contrôle épigénétique (Alvarez-Errico et al., 2015) (figure 5A). Les mécanismes épigénétiques contrôlent non seulement la différenciation cellulaire, mais aussi la fonction et l'activation de chaque sous-population, et sont ainsi à la base de la plasticité de la réponse immune. Chaque sous-population immunitaire peut donc être caractérisée par des loci discriminants porteurs d'une signature de méthylation spécifique.

Chez le bovin, différentes sous-populations de leucocytes circulants ont été décrites, ainsi que leurs variations en proportion avec l'âge, le stade physiologique et l'exposition aux pathogènes. Les sous-populations de monocytes en particulier pourraient expliquer la variabilité de réponse à l'infection, à l'inflammation et à la vaccination observée entre individus et en fonction du stade physiologique (Hussen et Schuberth, 2017). En comparant le méthylome de monocytes purifiés, de leucocytes circulants et de fibroblastes à l'aide d'analyses pan-génomiques (Jammes et al., 2017), nous avons mis en évidence un profil de méthylation spécifique des monocytes touchant des gènes impliqués dans la fonction monocytaire (figure 5B). Pour aller plus loin, des analyses complémentaires sont à mener afin d'identifier les mécanismes épigénétiques pilotant la différenciation des sous-populations monocytaires.

Figure 5. Méthylation de l’ADN dans les cellules immunitaires.

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A. Représentation des vagues de différenciation de la lignée hématopoïétique associées à un gain ou une perte de 5meC sur des loci spécifiques (d'après (Alvarez-Errico et al., 2015). Certaines cellules souches («&nbsphaematopoietic stem cells&nbsp», HSC) entrent dans une phase de différenciation en générant des MPP (« multipotent progenitors »), qui se subdivisent en 3 sous-classes : CLP («&nbspcommon lymphoid progenitors&nbsp»), CMP («&nbspcommon myeloid progenitors&nbsp») et CDP («&nbspcommon dendritic progenitors&nbsp») en fonction du profil de méthylation acquis sous l'action de DNMT3A/B pour les CLP (gain de méthylation), et des TET pour les CMP (perte de méthylation). Les variations de méthylation caractérisant les étapes de différenciation ultérieures peuvent être importantes (monocytes, macrophages et granulocytes) ou subtiles (lymphocytes B et T, cellules NK).

B. Gènes bovins présentant un profil de méthylation spécifique dans les monocytes, et impliqués dans la différenciation et la fonction monocytaires (Jammes et al., 2017).

4. Production laitière

4.1. Méthylation de l'ADN dans la glande mammaire

La glande mammaire est un organe qui subit des cycles de croissance, différenciation et régression au cours des périodes de puberté, gestation, lactation puis involution après le tarissement. Au cours de la lactation, la synthèse de lait par les cellules épithéliales mammaires est dépendante de l'expression de nombreux gènes ; des facteurs environnementaux liés à la conduite d'élevage (fréquence de traite, alimentation) ou à la santé des animaux ont un impact sur cette expression ainsi que sur les niveaux de production de lait (Dessauge et al., 2011 ; Boutinaud et al., 2013). Des régulations épigénétiques pourraient également contribuer à la régulation de la production de lait. En effet, des études réalisées chez les rongeurs ou lagomorphes ont montré qu'une combinaison d'évènements épigénétiques (ouverture de la chromatine, formation de boucle de chromatine ancrée dans la matrice nucléaire, acétylation des histones, méthylation de l'ADN) à l'échelle globale ou au niveau de certains gènes intervient au cours du développement de la glande mammaire et sous-tend l'expression des gènes (Rijnkels et al., 2010).

Dans la glande mammaire bovine, une région régulatrice distale en amont du gène de la caséine αs1 (CSN1S1) est importante pour sa régulation en fonction du stade de développement ou de facteurs environnementaux. Cette région contient des sites de fixation du facteur de transcription STAT-5 impliqué dans la transduction du signal hormonal de la prolactine (Vanselow et al., 2006). Nous avons montré que cette région était moins méthylée pendant la lactation qu'à la puberté ou pendant la gestation, et que la réduction de la fréquence de traite à 1 traite par jour induisait une augmentation de la méthylation associée à une réduction de l'expression de CSN1S1. De manière intéressante, une augmentation de la méthylation globale dans les demi-mamelles qui produisent moins de lait après 1 traite par jour a également été observée (à ce stade, le tissu mammaire contient plus de 80&nbsp% des cellules épithéliales mammaires  figure 6) (Nguyen et al., 2014). Même si une tendance à une augmentation de la méthylation globale est observée, la méthylation et l'expression de CSN1S1 ne sont pas significativement affectées par une restriction alimentaire réalisée en début lactation (ration à base de foin et d'ensilage d'herbe comparée à une ration à base d'ensilage de maïs et de luzerne déshydratée complémentée avec 30&nbsp% de concentré  Dessauge et al., 2011). La restriction alimentaire dans cette étude était pourtant responsable d'une baisse de 38&nbsp% de la production de lait et du taux de caséine K (Boutinaud et al., 2016).

D'autres facteurs, comme l'état de santé de la mamelle, modifient ces marques épigénétiques. Une infection par Escherichia coli induit une augmentation de la méthylation de CSN1S1 et une condensation de la chromatine associée à une baisse d'expression (Vanselow et al., 2006), tandis qu'une région située dans le gène CXCR1 codant une cytokine pro-inflammatoire et normalement hyperméthylée dans la glande mammaire saine, se trouve déméthylée en cas de mammite induite par Staphylococcus aureus (Mao et al., 2015). Enfin, une étude a été réalisée chez des vaches clonées et des vaches témoins contemporaines, élevées dans les mêmes conditions, produisant sensiblement la même quantité de lait, mais de composition légèrement différente. Les vaches clonées comparées aux vaches témoins auraient un statut épigénétique particulier lié aux conséquences à long terme de la reprogrammation nucléaire. En effet, malgré un taux de 5meC similaire dans la glande mammaire, l'expression de DNMT1 est plus élevée chez les clones que chez les vaches témoins (Montazer-Torbati et al., 2016).

Figure 6. Méthylation globale de l’ADN dans la glande mammaire et dans différents types cellulaires collectés au cours de 3 études chez la vache laitière.

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Les tissus mammaires sont collectés chez des vaches primipares (n=7) dont les mamelles sont traites deux (2X) ou 1 fois (1X) par jour (Nguyen et al., 2014) et chez des vaches multipares (n=7) alimentées soit avec une ration couvrant 100 % de leur besoin (Témoin) soit avec une alimentation restreinte (Restreint) au cours des 11 premières semaines de lactation (Boutinaud et al., 2016). Les leucocytes du sang (PBMC) et du lait (LL) et les cellules épithéliales mammaires du lait (CEM) sont collectés chez des vaches laitières primipares et multipares (n=24)  (Gasselin et al., 2020). Les histogrammes représentent des moyennes par traitement ± SEM. * pour P < 0,05  t pour P = 0,07 et a, b, c pour des valeurs significativement différentes, P < 0,05. De manière intéressante, les CEM et la glande mammaire présentent le même taux de méthylation globale.

Conclusion

Bien que les recherches en épigénétique aient démarré plus tardivement chez les bovins que chez l’Homme ou les espèces modèles, leur nombre augmente de façon exponentielle si l’on en juge par le nombre de publications. À INRAE, la production de bovins clonés a été à la base de travaux pionniers en épigénétique. Le clonage, qui induit de la variabilité épigénétique à génome constant, a été et reste un très bon modèle pour faire la démonstration du rôle de l’épigénétique dans la construction du phénotype. Les exemples de travaux expérimentaux exposés dans cette revue, qu’ils s’appuient sur le clonage ou non, montrent que toutes les étapes de la construction du phénotype reposent sur des processus épigénétiques - y compris l’élaboration de caractères de production. Les potentialités d’utilisation des marques épigénétiques comme biomarqueurs sont nombreuses, en particulier pour la 5meC ou les miARN du sang, des cellules circulantes, de la semence et du lait.

Cette démonstration accomplie, comment franchir la distance qui sépare le laboratoire de la ferme ? Il faut désormais envisager les processus épigénétiques comme une des multiples sources de variabilité phénotypique pour généraliser une utilisation en élevage. Les bovins d’élevage possèdent en effet des génotypes variables et sont exposés à des environnements moins contrôlés que dans les fermes expérimentales d’instituts de recherche comme INRAE. Aujourd’hui, les génotypes peuvent être facilement déterminés : la technologie existe et est utilisée en routine en sélection génomique. L’impact de l’environnement est difficilement mesurable ; mais les variations épigénétiques peuvent justement refléter une partie des effets des facteurs environnementaux. L’estimation et la prise en compte des variations épigénétiques pourraient contribuer à diminuer la variance phénotypique non expliquée et ainsi améliorer la précision des estimations pour un certain nombre de caractères d’intérêt.

Des approches d’intelligence artificielle sont d’ores et déjà à l’étude pour intégrer l’ensemble des paramètres mesurables et améliorer ainsi la prédiction phénotypique. Les marques épigénétiques qui sont intégrées à ces modèles sont aujourd’hui mesurées avec des technologies « de laboratoire », trop coûteuses pour envisager une utilisation sur le terrain. En outre, la complexité et la multiplicité des marques épigénétiques potentiellement impliquées dans le contrôle des phénotypes rend impossible leur utilisation par des approches exhaustives. Nous anticipons qu’une étape importante vers l’élevage de précision sera franchie le jour où des technologies normées, permettant de quantifier les variations pour un sous-ensemble de marques épigénétiques, à moindre coût et en routine, pourront être déployées à grande échelle.

Remerciements

La majeure partie des travaux référencés et décrits dans ce texte ont été financés par APIS-GENE, l’ANR, l’Union Européenne, le Groupe Pilardière, le département PHASE et INRAE. Les auteurs tiennent à remercier les membres de leurs équipes respectives, leurs collaborateurs ainsi que les entreprises de sélection Évolution, Umotest, Evajura, AWE, XR Repro. Les auteurs tiennent également à remercier tout particulièrement Jean-Paul Renard qui a été un précurseur concernant les recherches sur l’Épigénétique chez le bovin. Les données issues des travaux réalisés dans les laboratoires INRAE n’auraient pu être produites sans l’implication des personnels d’ALLICE, des plateformes et des unités et installations expérimentales. Qu’ils en soient ici remerciés.

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