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Epigenetics, genomic imprinting and assisted reproductive technology
Annales d’Endocrinologie 71 (2010) 237–238
Journées Klotz 2010
Epigenetics, genomic imprinting and assisted reproductive technology Epigénétique, empreinte génomique et aide médicale à la procréation Y. Le Bouc a,b,∗ , S. Rossignol a,b , S. Azzi b , V. Steunou b , I. Netchine a,b , C. Gicquel c a
Explorations fonctionnelles endocriniennes, hôpital d’Enfants Armand-Trousseau, AP–HP, 75571 Paris, France UPMC/Inserm U938, hôpital Trousseau, 26, avenue du Docteur Arnold-Netter, 75571 Paris cedex 12, France c Baker Medical Research Institute, Australia
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Available online 2 April 2010 Presented by Jacques Young
Résumé Les mécanismes épigénétiques jouent un rôle clé dans la régulation de l’expression des gènes. L’une des caractéristiques de ces modifications est la méthylation de l’ ADN au niveau de résidus cytosine des dinucléotides CpG dans les gènes promoteurs, les transposons et les régions de contrôle de l’empreinte. L’empreinte génomique se réfère à un marquage épigénétique des gènes qui induit une expression monoallélique dépendant de leur origine parentale. Il existe deux périodes critiques de la reprogrammation épigénétique : la gamétogenèse et la phase de développement préimplantatoire précoce. Une reprogrammation majeure a lieu dans les cellules germinales primordiales au cours de laquelle l’empreinte parentale est supprimée et la totipotence restaurée [1]. Les marques d’empreinte sont ensuite réétablies au cours de la spermatogenèse ou de la maturation des ovocytes en fonction du sexe [1–3]. Lors de la fécondation, une déméthylation globale du génome survient, suivie par une vague de méthylation de novo, les deux mécanismes épargnant les loci soumis à l’empreinte [4]. Un profil épigénétique est en général fidèlement maintenu de fac¸on stable au cours du développement. Néanmoins, cette stratégie échoue parfois, entraînant des perturbations de ce canevas épigénétique et des pathologies humaines. Par exemple, deux maladies de la croissance fœtale : le syndrome de Beckwith-Wiedemann (BWS) et de Silver-Russell (SRS) qui ont des phénotypes opposés, sont provoqués par une méthylation anormale du ADN au niveau du locus 11p15 soumis à l’empreinte [5–7] : ainsi, une perte de méthylation au niveau du centre d’empreinte no 2 (imprinting region center) ICR2 ou un gain de méthylation au niveau d’ICR1 survienent dans le BWS et au contraire une perte de méthylation au niveau de l’ICR1 dans le SRS. L’embryogenèse précoce est une période critique de la régulation épigénétique et cette étape est sensible aux facteurs environnementaux. L’utilisation des techniques de procréation médicalement assistées peut entraîner des altérations épigénétiques et affecter la croissance et le développement fœtal [8–11]. Chez l’homme, plusieurs anomalies de l’empreinte notamment chez le BWS surviennent plus fréquemment chez des enfants conc¸us par procréation médicalement assistée lorsqu’on les compare à des enfants conc¸us spontanément [12,13]. La cause de ces anomalies de l’empreinte d’origine épigénétique succédant à une procréation médicalement assistée (cause de l’infertilité, hyperstimulation hormonale, fécondation in vitro, injection intracytoplasmique de spermatozoïdes, micromanipulation de gamètes, exposition à un milieu de culture, maturation in vitro de l’ovocyte, période de transfert), reste pour l’instant inconnue. Cependant, des travaux récents ont montré que, chez les patients présentant un BWS ou un SRS, incluant ceux nés après technique de procréation médicalement assistée, un défaut de méthylation de l’ADN atteignait d’autres loci soumis à empreinte en plus de ceux de la région 11p15 [14,15] (région 11p15 : site de liaison CTCF au niveau de l’ICR1, H19 et IGF2 DMR, KCQ1OT1 [ICR2], SNRPN [chromosome 15q11-13], PEG/MEST1 [chromosome 7q31], récepteur de type 2 de l’IGF et ZAC1 [chromosome 6q26 et 6q24 respectivement], DLK1/GTL2-IG-DMR [chromosome 14q32] et locus GNAS [chromosome 20q13,3]). Cela suggère que la non fidélité de la maintenance des marques de de la méthylation de l’ADN suivant une fécondation implique une dysrégulation de facteurs régulateurs agissant en trans qui pourraient être altérés par les techniques de procréation médicalement assistée. © 2010 Publi´e par Elsevier Masson SAS. Mots clés : Épigénétique ; Empreinte génomique ; Aide médicale à la procréation
Abstract Epigenetic mechanisms play a key role in regulating gene expression. One hallmark of these modifications is DNA methylation at cytosine residues of CpG dinucleotides in gene promoters, transposons and imprinting control regions. Genomic imprinting refers to an epigenetic marking ∗
Corresponding author. E-mail address: [email protected] (Y. Le Bouc).
0003-4266/$ – see front matter © 2010 Published by Elsevier Masson SAS. doi:10.1016/j.ando.2010.02.004
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Y. Le Bouc et al. / Annales d’Endocrinologie 71 (2010) 237–238
of genes that results in monoallelic expression depending on their parental origin. There are two critical time periods in epigenetic reprogramming: gametogenesis and early preimplantation development. Major reprogramming takes place in primordial germ cells in which parental imprints are erased and totipotency is restored [1]. Imprint marks are then and re-established during spermatogenesis or oogenesis, depending on sex [1–3]. Upon fertilization, genome-wide demethylation occurs followed by a wave of de novo methylation, both of which are resisted by imprinted loci [4]. Epigenetic patterns are usually faithfully maintained during development. However, this maintenance sometimes fails, resulting in the disturbance of epigenetic patterns and human disorders. For example, two fetal growth disorders, the Beckwith-Wiedemann (BWS) and the Silver-Russell (SRS) syndromes with opposite phenotypes, are caused by abnormal DNA methylation at the 11p15 imprinted locus [5–7]: respectively loss of methylation at the Imprinting Region Center (ICR2) or gain of methylation at ICR1 in BWS and loss of methylation at ICR1 in SRS. Early embryogenesis is a critical time for epigenetic regulation, and this process is sensitive to environmental factors. The use of assisted reproductive technology (ART) has been shown to induce epigenetic alterations and to affect fetal growth and development [8–11]. In humans, several imprinting disorders, including BWS, occur at significantly higher frequencies in children conceived with the use of ART than in children conceived spontaneously [12,13]. The cause of these epigenetic imprinting disorders (following ART, unfertility causes, hormonal hyperstimulation, in vitro fertilizationIVF, Intracytoplasmic sperm injection-ICSI, micro-manipulation of gametes, exposure to culture medium, in vitro ovocyte maturation, time of transfer) remains unclear. However, recent data have shown that in patients with BWS or SRS, including those born following the use of ART, the DNA methylation defect involves imprinted loci other than 11p15 [14,15] (11p15 region: CTCF binding sites at ICR1, H19 and IGF2 DMRs, KCNQ1OT1 [ICR2], SNRPN [chromosome 15 q11-13], PEG/MEST1 [chromosome 7q31], IGF type2 receptor and ZAC1 [chromosome 6q26 et 6q24 respectively], DLK1/GTL2-IG-DMR [chromosome 14q32] and GNAS locus [chromosome 20q13.3]). This suggests that unfaithful maintenance of DNA methylation marks following fertilization involves the dysregulation of a trans-acting regulatory factor that could be altered by ART. © 2010 Published by Elsevier Masson SAS. Keywords: Epigenetics; Genomic imprinting; assisted reproductive technology
Conflict of interest The authors have not declared any conflict of interest References [1] Reik W. Stability and flexibility of epigenetic gene regulation in mammalian development. Nature 2007;447:425–32. [2] Lucifero D, Mann MR, Bartolomei MS, Trasler JM. Gene-specific timing and epigenetic memory in oocyte imprinting. Hum Mol Genet 2004;13:839–49. [3] Delaval K, Feil R. Epigenetic regulation of mammalian genomic imprinting. Curr Opin Genet Dev 2004;14:188–95. [4] Morgan HD, Santos F, Green K, Dean W, Reik W. Epigenetic reprogramming in mammals. Hum Mol Genet 2005;14(1):R47–58. [5] Gicquel C, Rossignol S, Cabrol S, Houang M, Steunou V, Barbu V, et al. Epimutation of the telomeric imprinting center region on chromosome 11p15 in Silver-Russell syndrome. Nat Genet 2005;37:1003–7. [6] Gaston V, Le Bouc Y, Soupre V, Burglen L, Donadieu J, Oro H, et al. Analysis of the methylation status of the KCNQ1OT and H19 genes in leukocyte DNA for the diagnosis and prognosis of Beckwith-Wiedemann syndrome. Eur J Hum Genet 2001;9:409–18. [7] Netchine I, Rossignol S, Dufourg MN, Azzi S, Rousseau A, Perin L, et al. 1p15 ICR1 loss of methylation is a common and specific cause of typical Russell-Silver syndrome: clinical scoring system and epigenetic-phenotypic correlations. J Clin Endocrinol Metab 2007;92: 3148–54.
[8] Doherty AS, Mann MR, Tremblay KD, Bartolomei MS, Schultz RM. Differential effects of culture on imprinted H19 expression in the preimplantation mouse embryo. Biol Reprod 2000;62:1526–35. [9] Khosla S, Dean W, Brown D, Reik W, Feil R. Culture of preimplantation mouse embryos affects fetal development and the expression of imprinted genes. Biol Reprod 2001;64:918–26. [10] Mann MR, Lee SS, Doherty AS, Verona RI, Nolen LD, Schultz RM, et al. Selective loss of imprinting in the placenta following preimplantation development in culture. Development 2004;131:3727–35. [11] Young LE, Fernandes K, McEvoy TG, Butterwith SC, Gutierrez CG, Carolan C, et al. Epigenetic change in IGF2R is associated with fetal overgrowth after sheep embryo culture. Nat Genet 2001;27:153–4. [12] Gicquel C, Gaston V, Mandelbaum J, Siffroi JP, Flahault A, Le Bouc Y. In vitro fertilization may increase the risk of Beckwith-Wiedemann syndrome related to the abnormal imprinting of the KCN1OT gene. Am J Hum Genet 2003;72:1338–41. [13] Arnaud P, Feil R. Epigenetic deregulation of genomic imprinting in human disorders and following assisted reproduction. Birth Defects Res C Embryo Today 2005;75:81–97. [14] Rossignol S, Steunou V, Chalas C, Kerjean A, Rigolet M, Viegas-Pequignot E, et al. The epigenetic imprinting defect of patients with BeckwithWiedemann syndrome born after assisted reproductive technology is not restricted to the 11p15 region. J Med Genet 2006;43:902–7. [15] Azzi S, Rossignol S, Steunou V, Sas T, Thibaud N, Danton F, et al. Multilocus methylation analysis in a large cohort of 11p15-related foetal growth disorders (Russell Silver and Beckwith Wiedemann syndromes) reveals simultaneous loss of methylation at paternal and maternal imprinted loci. Hum Mol Genet 2009;18:4724–33.
Journées Klotz 2010
Epigenetics, genomic imprinting and assisted reproductive technology Epigénétique, empreinte génomique et aide médicale à la procréation Y. Le Bouc a,b,∗ , S. Rossignol a,b , S. Azzi b , V. Steunou b , I. Netchine a,b , C. Gicquel c a
Explorations fonctionnelles endocriniennes, hôpital d’Enfants Armand-Trousseau, AP–HP, 75571 Paris, France UPMC/Inserm U938, hôpital Trousseau, 26, avenue du Docteur Arnold-Netter, 75571 Paris cedex 12, France c Baker Medical Research Institute, Australia
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Available online 2 April 2010 Presented by Jacques Young
Résumé Les mécanismes épigénétiques jouent un rôle clé dans la régulation de l’expression des gènes. L’une des caractéristiques de ces modifications est la méthylation de l’ ADN au niveau de résidus cytosine des dinucléotides CpG dans les gènes promoteurs, les transposons et les régions de contrôle de l’empreinte. L’empreinte génomique se réfère à un marquage épigénétique des gènes qui induit une expression monoallélique dépendant de leur origine parentale. Il existe deux périodes critiques de la reprogrammation épigénétique : la gamétogenèse et la phase de développement préimplantatoire précoce. Une reprogrammation majeure a lieu dans les cellules germinales primordiales au cours de laquelle l’empreinte parentale est supprimée et la totipotence restaurée [1]. Les marques d’empreinte sont ensuite réétablies au cours de la spermatogenèse ou de la maturation des ovocytes en fonction du sexe [1–3]. Lors de la fécondation, une déméthylation globale du génome survient, suivie par une vague de méthylation de novo, les deux mécanismes épargnant les loci soumis à l’empreinte [4]. Un profil épigénétique est en général fidèlement maintenu de fac¸on stable au cours du développement. Néanmoins, cette stratégie échoue parfois, entraînant des perturbations de ce canevas épigénétique et des pathologies humaines. Par exemple, deux maladies de la croissance fœtale : le syndrome de Beckwith-Wiedemann (BWS) et de Silver-Russell (SRS) qui ont des phénotypes opposés, sont provoqués par une méthylation anormale du ADN au niveau du locus 11p15 soumis à l’empreinte [5–7] : ainsi, une perte de méthylation au niveau du centre d’empreinte no 2 (imprinting region center) ICR2 ou un gain de méthylation au niveau d’ICR1 survienent dans le BWS et au contraire une perte de méthylation au niveau de l’ICR1 dans le SRS. L’embryogenèse précoce est une période critique de la régulation épigénétique et cette étape est sensible aux facteurs environnementaux. L’utilisation des techniques de procréation médicalement assistées peut entraîner des altérations épigénétiques et affecter la croissance et le développement fœtal [8–11]. Chez l’homme, plusieurs anomalies de l’empreinte notamment chez le BWS surviennent plus fréquemment chez des enfants conc¸us par procréation médicalement assistée lorsqu’on les compare à des enfants conc¸us spontanément [12,13]. La cause de ces anomalies de l’empreinte d’origine épigénétique succédant à une procréation médicalement assistée (cause de l’infertilité, hyperstimulation hormonale, fécondation in vitro, injection intracytoplasmique de spermatozoïdes, micromanipulation de gamètes, exposition à un milieu de culture, maturation in vitro de l’ovocyte, période de transfert), reste pour l’instant inconnue. Cependant, des travaux récents ont montré que, chez les patients présentant un BWS ou un SRS, incluant ceux nés après technique de procréation médicalement assistée, un défaut de méthylation de l’ADN atteignait d’autres loci soumis à empreinte en plus de ceux de la région 11p15 [14,15] (région 11p15 : site de liaison CTCF au niveau de l’ICR1, H19 et IGF2 DMR, KCQ1OT1 [ICR2], SNRPN [chromosome 15q11-13], PEG/MEST1 [chromosome 7q31], récepteur de type 2 de l’IGF et ZAC1 [chromosome 6q26 et 6q24 respectivement], DLK1/GTL2-IG-DMR [chromosome 14q32] et locus GNAS [chromosome 20q13,3]). Cela suggère que la non fidélité de la maintenance des marques de de la méthylation de l’ADN suivant une fécondation implique une dysrégulation de facteurs régulateurs agissant en trans qui pourraient être altérés par les techniques de procréation médicalement assistée. © 2010 Publi´e par Elsevier Masson SAS. Mots clés : Épigénétique ; Empreinte génomique ; Aide médicale à la procréation
Abstract Epigenetic mechanisms play a key role in regulating gene expression. One hallmark of these modifications is DNA methylation at cytosine residues of CpG dinucleotides in gene promoters, transposons and imprinting control regions. Genomic imprinting refers to an epigenetic marking ∗
Corresponding author. E-mail address: [email protected] (Y. Le Bouc).
0003-4266/$ – see front matter © 2010 Published by Elsevier Masson SAS. doi:10.1016/j.ando.2010.02.004
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Y. Le Bouc et al. / Annales d’Endocrinologie 71 (2010) 237–238
of genes that results in monoallelic expression depending on their parental origin. There are two critical time periods in epigenetic reprogramming: gametogenesis and early preimplantation development. Major reprogramming takes place in primordial germ cells in which parental imprints are erased and totipotency is restored [1]. Imprint marks are then and re-established during spermatogenesis or oogenesis, depending on sex [1–3]. Upon fertilization, genome-wide demethylation occurs followed by a wave of de novo methylation, both of which are resisted by imprinted loci [4]. Epigenetic patterns are usually faithfully maintained during development. However, this maintenance sometimes fails, resulting in the disturbance of epigenetic patterns and human disorders. For example, two fetal growth disorders, the Beckwith-Wiedemann (BWS) and the Silver-Russell (SRS) syndromes with opposite phenotypes, are caused by abnormal DNA methylation at the 11p15 imprinted locus [5–7]: respectively loss of methylation at the Imprinting Region Center (ICR2) or gain of methylation at ICR1 in BWS and loss of methylation at ICR1 in SRS. Early embryogenesis is a critical time for epigenetic regulation, and this process is sensitive to environmental factors. The use of assisted reproductive technology (ART) has been shown to induce epigenetic alterations and to affect fetal growth and development [8–11]. In humans, several imprinting disorders, including BWS, occur at significantly higher frequencies in children conceived with the use of ART than in children conceived spontaneously [12,13]. The cause of these epigenetic imprinting disorders (following ART, unfertility causes, hormonal hyperstimulation, in vitro fertilizationIVF, Intracytoplasmic sperm injection-ICSI, micro-manipulation of gametes, exposure to culture medium, in vitro ovocyte maturation, time of transfer) remains unclear. However, recent data have shown that in patients with BWS or SRS, including those born following the use of ART, the DNA methylation defect involves imprinted loci other than 11p15 [14,15] (11p15 region: CTCF binding sites at ICR1, H19 and IGF2 DMRs, KCNQ1OT1 [ICR2], SNRPN [chromosome 15 q11-13], PEG/MEST1 [chromosome 7q31], IGF type2 receptor and ZAC1 [chromosome 6q26 et 6q24 respectively], DLK1/GTL2-IG-DMR [chromosome 14q32] and GNAS locus [chromosome 20q13.3]). This suggests that unfaithful maintenance of DNA methylation marks following fertilization involves the dysregulation of a trans-acting regulatory factor that could be altered by ART. © 2010 Published by Elsevier Masson SAS. Keywords: Epigenetics; Genomic imprinting; assisted reproductive technology
Conflict of interest The authors have not declared any conflict of interest References [1] Reik W. Stability and flexibility of epigenetic gene regulation in mammalian development. Nature 2007;447:425–32. [2] Lucifero D, Mann MR, Bartolomei MS, Trasler JM. Gene-specific timing and epigenetic memory in oocyte imprinting. Hum Mol Genet 2004;13:839–49. [3] Delaval K, Feil R. Epigenetic regulation of mammalian genomic imprinting. Curr Opin Genet Dev 2004;14:188–95. [4] Morgan HD, Santos F, Green K, Dean W, Reik W. Epigenetic reprogramming in mammals. Hum Mol Genet 2005;14(1):R47–58. [5] Gicquel C, Rossignol S, Cabrol S, Houang M, Steunou V, Barbu V, et al. Epimutation of the telomeric imprinting center region on chromosome 11p15 in Silver-Russell syndrome. Nat Genet 2005;37:1003–7. [6] Gaston V, Le Bouc Y, Soupre V, Burglen L, Donadieu J, Oro H, et al. Analysis of the methylation status of the KCNQ1OT and H19 genes in leukocyte DNA for the diagnosis and prognosis of Beckwith-Wiedemann syndrome. Eur J Hum Genet 2001;9:409–18. [7] Netchine I, Rossignol S, Dufourg MN, Azzi S, Rousseau A, Perin L, et al. 1p15 ICR1 loss of methylation is a common and specific cause of typical Russell-Silver syndrome: clinical scoring system and epigenetic-phenotypic correlations. J Clin Endocrinol Metab 2007;92: 3148–54.
[8] Doherty AS, Mann MR, Tremblay KD, Bartolomei MS, Schultz RM. Differential effects of culture on imprinted H19 expression in the preimplantation mouse embryo. Biol Reprod 2000;62:1526–35. [9] Khosla S, Dean W, Brown D, Reik W, Feil R. Culture of preimplantation mouse embryos affects fetal development and the expression of imprinted genes. Biol Reprod 2001;64:918–26. [10] Mann MR, Lee SS, Doherty AS, Verona RI, Nolen LD, Schultz RM, et al. Selective loss of imprinting in the placenta following preimplantation development in culture. Development 2004;131:3727–35. [11] Young LE, Fernandes K, McEvoy TG, Butterwith SC, Gutierrez CG, Carolan C, et al. Epigenetic change in IGF2R is associated with fetal overgrowth after sheep embryo culture. Nat Genet 2001;27:153–4. [12] Gicquel C, Gaston V, Mandelbaum J, Siffroi JP, Flahault A, Le Bouc Y. In vitro fertilization may increase the risk of Beckwith-Wiedemann syndrome related to the abnormal imprinting of the KCN1OT gene. Am J Hum Genet 2003;72:1338–41. [13] Arnaud P, Feil R. Epigenetic deregulation of genomic imprinting in human disorders and following assisted reproduction. Birth Defects Res C Embryo Today 2005;75:81–97. [14] Rossignol S, Steunou V, Chalas C, Kerjean A, Rigolet M, Viegas-Pequignot E, et al. The epigenetic imprinting defect of patients with BeckwithWiedemann syndrome born after assisted reproductive technology is not restricted to the 11p15 region. J Med Genet 2006;43:902–7. [15] Azzi S, Rossignol S, Steunou V, Sas T, Thibaud N, Danton F, et al. Multilocus methylation analysis in a large cohort of 11p15-related foetal growth disorders (Russell Silver and Beckwith Wiedemann syndromes) reveals simultaneous loss of methylation at paternal and maternal imprinted loci. Hum Mol Genet 2009;18:4724–33.