Une étape importante dans la science de la reproduction a été franchie avec la naissance de la souris ‘Kaguya’, le premier mammifère parthénogénétique viable (Kono et al. 2004). Le travail a été réalisé par le Dr Tomohiro Kono et ses collègues, et représente une réalisation technique majeure impliquant la production de plusieurs centaines d’œufs reconstruits, à partir desquels dix chiots vivants et dix-huit chiots morts ont été obtenus au jour 19,5 de la gestation. Des deux petits survivants, l’un a été tué pour des études d’expression génique et l’autre, Kaguya, a été favorisé et a survécu pour se reproduire avec succès par des moyens conventionnels. Ce travail élargit encore ce qui est réalisable dans la reproduction artificielle et peut avoir des implications importantes pour la compréhension des aspects du développement embryonnaire et de la régulation des gènes. Cependant, contrairement aux opinions de certains commentateurs de la presse populaire, il est peu probable qu’elle ait un impact majeur sur les technologies de reproduction artificielle humaines.
L’empreinte génomique, l’expression différentielle des gènes en fonction de leur origine parentale, est la principale (peut-être la seule) barrière au développement parthénogénétique chez les mammifères, chez lesquels l’individu ne contient pas de matériel génétique paternel. En termes mécanistes, l’empreinte génomique signifie que la chromatine de certains loci génétiques est modifiée de manière différentielle dans les lignées germinales parentales de sorte que les allèles parentaux sont exprimés de manière différentielle dans l’embryon en développement. Une cinquantaine de gènes ont été décrits chez la souris et l’homme qui présentent un silençage transcriptionnel de l’un des allèles parentaux au cours du développement embryonnaire (Moore et al. 2001, Fig. 1 BIS). Les embryons parthénogénétiques sont donc déficients en produits géniques imprimés exprimés par le père et présentent un retard de croissance sévère et une mort intra-utérine.
Pendant près d’une décennie, Kono et d’autres ont travaillé pour améliorer la mesure dans laquelle les embryons parthénogénétiques peuvent se développer in utero, révélant ainsi d’importants détails mécanistiques du processus d’impression (Kono et al. 1996, 2002, Obata et coll. 1998, Kato et coll. 1999, Bao et coll. 2000, 2003, Sotomaru et coll. 2002). Principalement, leurs travaux montrent que l’imposition d’empreintes dans la lignée germinale maternelle se produit à un stade relativement tardif de l’ovogenèse. Par conséquent, à certains loci génétiques imprimés, les ovocytes non en croissance (ng) peuvent être « neutres en termes d’empreinte » par rapport aux empreintes imposées par la mère, ou peuvent conserver certaines empreintes paternelles qui ne sont enlevées que plus tard dans l’ovogenèse. Il existe des preuves de ces deux possibilités (Kono et al. 1996, Obata et coll. 1998, Kato et coll. 1999, Bao et coll. 2000, T Kono, observations non publiées). Lorsque des ovocytes ng sont utilisés pour reconstituer la diploïdie des ovules non fécondés (Fig. 1B), le résultat est un développement bien au-delà de ce qui est normalement observé en utilisant des ovocytes adultes (fg). Cependant, malgré ces améliorations, le plus loin que de tels embryons puissent se développer est au jour 13,5 de la gestation (Kono et al. 1996). L’analyse génétique moléculaire de ces embryons indique que, alors que plusieurs gènes imprimés exprimés par le père sont exprimés à partir du génome de l’ovocyte ng, le gène H19 normalement exprimé par la mère est exprimé bialléliquement et le gène Igf2 exprimé par le père est réduit au silence sur les allèles dérivés de ng et de fg (Obata et al. 1998).
L’étape suivante de Kono a consisté à tenter de corriger le dosage des gènes H19 et Igf2 dans des embryons parthénogénétiques en introduisant des chromosomes contenant des délétions qui : (i) abolissent la transcription H19 (Kono et al. 2002, Fig. 1C), et (ii) abolir la transcription H19 et récupérer l’expression de l’Igf2 (Kono et al. 2004, Fig. 1D). La première manipulation a prolongé le développement parthénogénétique in utero jusqu’au jour 17,5 de la gestation et la seconde a abouti à la naissance de Kaguya. Pris à la valeur nominale, ces résultats impliquent que de nouvelles améliorations du taux de développement parthénogénétique réussi sont possibles avec une connaissance plus approfondie du processus d’impression et des manipulations plus sophistiquées du génotype ou de l’épigénotype. Essentiellement, un type d’ingénierie de développement rationnelle peut être réalisable.
Cependant, Rudolf Jaenisch, cité récemment dans The Scientist, soutient que Kaguya est simplement un événement stochastique, dans lequel une composante majeure de la base épigénétique de sa viabilité est imprévisible (Holding et al. 2004). Il relègue essentiellement la raison d’être de Kono d’utiliser les transgéniques H19 / Igf2 à un rôle mineur. Implicitement, il soutient que si un grand nombre d’expériences de reconstitution d’embryons sont effectuées, la naissance d’une descendance viable peut se produire en raison d’un échantillonnage aléatoire de « l’espace épigénotype ». Ses arguments vont de pair avec la suggestion que les animaux clonés viables produits par reprogrammation de cellules somatiques ne sont que des événements uniques et aléatoires (Surani 2003). Cependant, dans les expériences de Kono, contrairement au clonage de cellules somatiques, le noyau ovocytaire ng ne subit probablement pas une reprogrammation étendue de la chromatine, étant déjà engagé dans un destin de cellules souches germinales. De plus, de tels ovocytes sont explantés à un stade de développement défini et sont donc censés être relativement homogènes par rapport à l’épigénotype. Une comparaison plus instructive, dans les expériences de reconstitution embryonnaire, peut être avec l’utilisation de noyaux de spermatides haploïdes provenant du testicule ou de noyaux blastomères diploïdes provenant d’embryons préimplantatoires, qui subissent des taux de développement relativement élevés.
Qu’est-ce qui sous-tend alors les faibles taux de viabilité parthénogénétique dans les expériences de Kono ? Une possibilité est que l’origine de la variabilité de l’épigénotype des ovocytes ng soit due à l’échantillonnage aléatoire de différentes combinaisons de régions chromosomiques imprimées d’origine maternelle et paternelle à la méiose. Rappelons que le noyau ovocytaire diploïde ng contient des homologues d’origine maternelle et paternelle qui peuvent différer systématiquement (plutôt que stochastiquement) au niveau des locus imprimés en raison de l’élimination incomplète des empreintes maternelles et paternelles résiduelles à ce stade du développement de l’ovocyte. À chaque locus imprimé, les homologues d’origine maternelle et paternelle sont mélangés et séparés au hasard à la méiose. Par conséquent, dans les expériences de Kono, chaque noyau ovocytaire haploïde ng résultant représente l’une des 2n combinaisons d’empreintes maternelles et paternelles, où n est le nombre de régions chromosomiques imprimées qui restent modifiées différentiellement dans les ovocytes ng. Par exemple, si le génome de l’ovocyte diploïde ng contient huit régions chromosomiques imprimées qui présentent systématiquement des différences résiduelles entre homologues maternels et paternels, il s’ensuit qu’il existe 28 (256) épigénotypes possibles, dont peut-être seulement un petit nombre permet la viabilité de l’embryon. Pour étendre l’exemple: peut-être que seul le 1 sur 256 des ovocytes ng qui héritent d’un ensemble complet de huit homologues anciennement paternels est capable de soutenir un bon développement embryonnaire en raison de la rétention de certaines empreintes paternelles à ces loci. La validité de cette hypothèse a pu être testée en utilisant des ovocytes ng d’un hybride F1 pour identifier la distribution des homologues grand-maternels et grand-maternels à des locus imprimés dans des embryons reconstitués présentant un développement exceptionnel.
Jaenisch note également que le sauvetage de la viabilité de l’embryon parthénogénétique par l’amélioration de l’expression de l’Igf2 (à savoir Kaguya) est inattendu car l’Igf2 est disponible pour la viabilité dans les embryons biparentaux normaux. Cependant, la contribution de l’Igf2 à la viabilité des embryons n’a été testée que dans un nombre très limité de milieux génétiques. Il est tout à fait concevable que certains embryons parthénogénétiques de Kono, ayant un épigénotype et un modèle d’expression génique différents des embryons biparentaux, bénéficient d’une complémentation avec Igf2. Cependant, « l’énigme fascinante » de Kono sur la façon dont la normalisation H19 / Igf2 « a provoqué la modification d’un large éventail de gènes » (Kono et al. 2004) peut être un hareng rouge car l’épigénotype d’un embryon parthénogénétique qui répond à la normalisation H19 / Igf2 peut différer de celui qui ne le fait pas. Le changement perçu dans l’expression génique associé à l’ajout de la mutation H19Δ13 peut donc refléter la sélection d’un épigénotype préexistant qui facilite l’amélioration du développement parthénogénétique médiée par l’Igf2, plutôt que d’être un résultat direct de l’expression de l’Igf2 en soi.
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Schéma de l’épigénotype au locus du gène H19/Igf2 associé à diverses manipulations de cellules germinales de souris. A) Fertilisation normale. (B) Reconstitution d’embryons avec ovocyte adulte et ovocyte non adulte (Kono et al. 1996). (C) Reconstitution embryonnaire avec ovocyte adulte et ovocyte non en croissance portant délétion de l’unité de transcription H19 (Kono et al. 2002). (D) Reconstitution d’embryons avec ovocyte complètement adulte et ovocyte non en croissance portant une délétion étendue de la région du gène H19, y compris la région/élément limite méthylée différentiellement en amont (Kono et al. 2004). Barres verticales: Barres rouges, unité de transcription du gène Igf2; barres vertes, région / élément limite méthylée différentiellement en amont du promoteur du gène H19; barres bleues, unité de transcription du gène H19. Les valeurs se réfèrent au jour de gestation (stade de développement) atteint après chaque type de manipulation.
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