La contribution de l'épigénétique dans l'expression des variants phénotypiques essentiels pour l'interaction : Schistosoma mansoni / Biomphalaria glabrata

Phenotypic variability is defined as the capacity of a given population to produce phenotypic variants under theinfluence of the environment. Some of the phenotypic variants are heritable. It is generally assumed that thegenetic variations are the sole source of heritable phenotypic variants. However, recent studies have shown thatepigenetic variations can provide alternative source for phenotypic variants without change in DNA sequence. Inhost / parasite interactions, parasites impose selective pressures on their hosts and vice versa, leading to a genuinearms race between both partners. Such interaction leads to rapid adaptation where each partner has to evolve thecapacity to express new phenotypic variants. We propose that epigenetic variations play an important role in thegenesis of phenotypic variability. Schistosoma mansoni is a human parasite that causes intestinal schistosomiasis.During the PhD project, I was interested in the interaction of S. mansoni with its intermediate host Biomphalariaglabrata. The two main goals of this PhD project were: (i) To determine the relative weight of epigenetics andgenetics in the expression of phenotypic variants in the parasite. (ii) To initiate the investigation of epigeneticmechanisms in the host.The results show that histone modifications i.e. changes in the epigenetic information are indeed a source ofphenotypic variants in S. mansoni. These phenotypic variants confer a higher fitness to the parasite, by increasingits compatibility towards the mollusk. Finally, studying the heritability of epigenetic changes showed a nonmendeliansegregation. For B. glabrata, I was the first to show the DNA methylation in the snail. 2% of totalcytosines are methylated in his genome.La variabilité phénotypique est définie comme la capacité d’une espèce donnée à produire des variantsphénotypique à partir d’un seul génotype, sous l’influence de l’environnement. Certains de ces variants sonthéritables. L’origine de la variabilité phénotypique a toujours constitué un grand débat parmi les scientifiques.Jusqu’à récemment, il était communément accepté que la diversité génétique soit la seule source de variabilitéphénotypique. Cependant, les études récentes montrent que des variations épigénétiques pourraient être unesource alternative pour les variants phénotypiques, sans modifier la séquence de l’ADN. Dans les interactionshôte / parasite, les parasites exercent des pressions sélectives sur leurs hôtes et vice versa, conduisant à unevéritable course aux armements entre les deux partenaires. Une telle interaction nécessite une adaptation rapideoù chaque partenaire doit présenter la capacité d’exprimer de nouveaux variants phénotypiques. Nous proposonsque des variations épigénétiques puissent jouer un rôle important dans la genèse de la variabilité phénotypique.Schistosoma mansoni est un parasite humain responsable de la bilharziose intestinale. Au cours de la thèse, nousnous sommes intéressés à l’interaction du parasite S. mansoni avec son hôte intermédiaire le mollusqueBiomphalaria glabrata. Les deux principaux objectifs de cette thèse ont été de : (i) Déterminer le poids relatif del’épigénétique et de la génétique dans l’expression des variants phénotypiques chez le parasite. (ii) Initier lestravaux de recherche sur les mécanismes épigénétiques existant chez le mollusque hôte.Les résultats de nos travaux ont montré que les structures chromatiniennes via des modifications posttraductionnellesdes histones contribuent à modifier la variabilité phénotypique chez S. mansoni. Par ailleurs,nous avons montré que les variants phénotypiques générés confèrent au parasite une meilleure fitness. Cettedernière a été traduite par l’augmentation de sa compatibilité vis-à-vis de B. glabrata. Finalement, l’étude del’héritabilité des modifications épigénétiques a montré une transmission non mendélienne. En ce qui concerne B.glabrata, nous avons été les premiers à mettre en évidence la méthylation de l’ADN chez ce mollusque. Au niveaude son génome, 2% des cytosines totales sont méthylées

Les contributions épigénétiques et génétiques dans l’expression des variants phénotypiques essentiels pour l’interaction : Schistosoma mansoni / Biomphalaria glabrata

La variabilité phénotypique est définie par la capacité d’une espèce donnée à produire des variants phénotypique à partir d’un seul génotype, sous l’influence de l’environnement. L’origine de la variabilité phénotypique constituait un débat entre les scientifiques jusqu’à l’heure actuelle. Il était généralement admis que les variations génétiques seraient la seule source de la variabilité phénotypique. Cependant, les études récentes montrent que des variations épigénétiques pourraient être une source alternative pour les variants phénotypiques, sans modifier la séquence de l’ADN. L’épigénétique est l’une des composante du « Dual inheritance system », une théorie qui évoque l’existence de deux systèmes d’héritabilité : la génétique et l’épigénétique. Dans les interactions hôte / parasite, les parasites exercent des pressions sélectives sur leurs hôtes et vice versa, conduisant à une véritable course aux armements entre les deux partenaires. Une telle interaction nécessite une adaptation rapide où chaque partenaire doit évoluer sa capacité d’exprimer de nouveaux variants phénotypiques. Schistosoma mansoni est un parasite humain responsable de la bilharziose intestinale. Cette maladie est classée au second rang mondial selon l’OMS. Le schistosome se caractérise par un cycle de vie qui est complexe nécessitant le passage par deux hôtes : l’hôte intermédiaire Biomphalaria glabrata et l’hôte définitif qui pourrait être l’homme ou les rongeurs. Nous nous sommes intéressés au cours de la thèse à l’interaction de S. mansoni avec B. glabrata. Cette thèse avait pour objectif de montrer l’implication des modifications épigénétiques dans la production des variants phénotypiques dans un contexte de coévolution de l’interaction entre S. mansoni et B. glabrata. Les deux principaux buts c’étaient : (i) Déterminer le poids relatif épigénétique / génétique dans l’expression des variants phénotypiques chez le parasite. (ii) Initier l’investigation autour des mécanismes épigénétiques chez l’hôte. Les résultats de nos travaux ont montré que les modifications des histones constituent en effet une origine des variants phénotypiques chez S. mansoni. Ces variants phénotypiques exprimés sont à la base d’une meilleure fitness voire d’une virulence pour le parasite. Finalement, l’étude de l’héritabilité des modifications épigénétiques a montré une transmission qui ne respecte pas les lois mendéliennes. En ce qui concerne B. glabrata, nous étions les premiers à mettre en évidence la méthylation de l’ADN chez ce mollusque. Au niveau du génome, 2% des cytosines totales sont méthylées.Phenotypic variability is defined by the capacity of a given species to produce phenotypic variants from one genotype under the influence of the environment. There is several thinking about the origin of phenotypic variability. It was generally assumed that the genetic variations are the sole source of phenotypic variants. However, recent studies show that epigenetic variations can provide alternative source for phenotypic variants without change in DNA sequence. Epigenetic is one of the two components of the « Dual inheritance system », theory that evokes the existence of two inheritance system: genetics and epigenetics. In host / parasite interactions, parasites exert selective pressures on their hosts and vice versa, leading to a genuine arms race between both partners. Such interaction requires rapid adaptation where each partner has to evolve the capacity to express new phenotypic variants. We propose that epigenetic variations play an important role in the genesis of phenotypic variability. Schistosoma mansoni is a human parasite that causes intestinal schistosomiasis. Thisdisease is ranking second in the world according to the WHO. Schistosome is characterized by a life cycle that is complex requiring passage by two hosts: the intermediate host Biomphalaria glabrata and the definitive host that could be humansor rodents. During the PhD project, we are interested to the interaction of B. glabrata with S. mansoni. This PhD project aimed to show the involvement of epigenetic changes in the production of phenotypic variants in the context of coevolution of the interaction between S. mansoni and B. glabrata. The two main goals were: (i) To determine the relative weight epigenetic / genetic in the expression of phenotypic variants in the parasite. (ii) To initiate the investigation of epigenetic mechanisms in the host. The results have shown that histone modifications are indeed a source of phenotypic variants in S. mansoni. These phenotypic variants are the basis for better fitness and / or virulence of the parasite. Finally, studying the heritability of epigenetic changes showed a non-mendelian transmission. For B. glabrata, we were the first to highlight the DNA methylation in the snail. 2% of total cytosines are methylated in his genome

L’héritabilité des mécanismes épigénétiques contrôlant le succès d’infestation du parasite Schistosoma mansoni

International audienceLes modifications épigénétiques sont transmises au cours des générations, cependant le mode de transmission est inconnu pour la plupart des organismes. Notre objectif c’est de comprendre l’implication des modifications épigénétiques dans le succès du parasite, et de déterminer ainsi leur héritabilité (mendélienne ou non-mendélienne) dans le modèle Schistososma mansoni avec son hôte intermédiaire Biomphalaria glabrata. Dans ce but, nous avons effectué des croisements entre deux isolats géographiques différents de Schistosoma mansoni. Le phénotype des hybrides de trois générations successives a été analysé au niveau des traits de vie, mais aussi au niveau moléculaire. Pour cela, nous avons focalisé sur une famille multigénique (SmPoMucs : Schistosoma mansoni Polymorphic Mucins), qui est essentielle pour le succès d’infestation du parasite et qui son expression est contrôlée par des marques épigénétiques. Nos résultats préliminaires suggèrent que la structure de la chromatine au niveau de ces gènes candidats est transmise plutôt d’une façon non-mendélienne. Nous espérons contribuer par ce travail à une meilleure compréhension des origines de la forte adaptation du parasite sur ses hôtes, dans le but de lutter contre cette maladi

Epigenetics and Nutrition:maternal nutrition impacts on placental development and health of offspring

L’environnement au cours du développement précoce de l’individu conditionne le phénotype à long terme, en particulier la susceptibilité, ou non, à développer des maladies non transmissibles. Cette notion des Origines Développementales de la Santé et des Maladies (DOHaD pour Developmental Origins of Health and Disease) s’appuie sur de nombreuses études épidémiologiques ainsi que sur des modèles animaux. Ainsi la nutrition riche et l’obésité parentale peuvent prédisposer l’enfant à développer lui-même des pathologies métaboliques et cardiovasculaires à l’âge adulte. Les mécanismes sous-jacents incluent une dysfonction placentaire qui va impacter la croissance et le développement du fœtus. Les mécanismes épigénétiques, qui modulent l’expression des gènes et permettent d’établir une identité cellulaire, sont sensibles à des facteurs de l’environnement, tels que la nutrition et le métabolisme énergétique. Les marques épigénétiques peuvent donc permettre la mémorisation de l’environnement précoce et induire à long terme une altération de la fonction des organes, conditionnant ainsi la susceptibilité à la pathologie. Nous avons montré que le placenta est sensible à l’alimentation et au statut métabolique maternels d’un point de vue histologique, transcriptionnel et épigénétique. Par ailleurs, un dimorphisme sexuel est très marqué dans la réponse placentaire à l’environnement maternel. Des mécanismes épigénétiques pourraient être à la base de cette réactivité différentielle entre femelle et mâle. La notion de DOHaD ne peut plus être ignorée en Biologie de la Reproduction aujourd’hui. La prévention doit tenir compte de ce nouveau paradigme. La recherche est encore nécessaire pour bien comprendre les mécanismes de ce conditionnement précoce et le dimorphisme sexuel marqué de ce phénotype

The epigenetic mechanisms underlying the long-term effects of maternal obesity and/or maternal separation in mice

It is well-known that early life exposures to biological and/or social stressors may have a long-term impact on adult health. However, the biological mechanisms underlying the developmental origins of health and disease (DOHaD) are not fully understood. Epigenetic mechanisms are good candidates to explain how early events are memorized and induce a phenotype later in life. Various studies have thus shown in mammals that poor nutritional status of parents and low maternal care have an impact on the methylation of genes involved in physiology and in the hypothalamic-pituitary adrenal (HPA) axis in the offspring1,2,3. But the consequences of multiple adversities on epigenetic processes remain to be explored. In this context, our aim was to explore the epigenetic basis (DNA methylation) of maternal obesity combined with maternal separation stress in mice. We study the impact of a combination of maternal obesity and maternal separation on offspring’s physiology, behaviour (emotionality and motivation) and epigenome in C3H mice. Our results indicate that maternal obesity and maternal stress exacerbated anxiety-like behaviour in adult offspring. We hypothesised that epigenetic marks could be one of the molecular bases responsible for the embodiment of early exposure to stress. Currently, we use large-scale transcriptomic (RNA-seq) and DNA methylation (MeDIP-seq) analyses on adult offspring’s liver and nucleus accumbens, which are key organs for energy metabolism and food motivation. Preliminary results show that early life exposure to maternal obesity and stress affect metabolic pathways in liver at transcriptomic and epigenetic levels. Interestingly, we also reported a marked sexual dimorphism in the epigenetic effects of maternal obesity and stress. Our future work will focus on the heritability of these epigenetic marks across generations and their influence on observed phenotype

Les dérégulations de transcriptome et du méthylome hépatique associées au stress nutritionnel et psychosocial maternel sont amplifiées par un régime post-sevrage hypergras chez la souris

National audienc

The epigenetic mechanisms underlying the long-term effects of maternal obesity and/or maternal separation in mice

It is well-known that early life exposures to biological and/or social stressors may have a long-term impact on adult health. However, the biological mechanisms underlying the developmental origins of health and disease (DOHaD) are not fully understood. Epigenetic mechanisms are good candidates to explain how early events are memorized and induce a phenotype later in life. Various studies have thus shown in mammals that poor nutritional status of parents and low maternal care have an impact on the methylation of genes involved in physiology and in the hypothalamic-pituitary adrenal (HPA) axis in the offspring1,2,3. But the consequences of multiple adversities on epigenetic processes remain to be explored. In this context, our aim was to explore the epigenetic basis (DNA methylation) of maternal obesity combined with maternal separation stress in mice. We study the impact of a combination of maternal obesity and maternal separation on offspring’s physiology, behaviour (emotionality and motivation) and epigenome in C3H mice. Our results indicate that maternal obesity and maternal stress exacerbated anxiety-like behaviour in adult offspring. We hypothesised that epigenetic marks could be one of the molecular bases responsible for the embodiment of early exposure to stress. Currently, we use large-scale transcriptomic (RNA-seq) and DNA methylation (MeDIP-seq) analyses on adult offspring’s liver and nucleus accumbens, which are key organs for energy metabolism and food motivation. Preliminary results show that early life exposure to maternal obesity and stress affect metabolic pathways in liver at transcriptomic and epigenetic levels. Interestingly, we also reported a marked sexual dimorphism in the epigenetic effects of maternal obesity and stress. Our future work will focus on the heritability of these epigenetic marks across generations and their influence on observed phenotype

5-methyl-cytosine and 5-hydroxy-methyl-cytosine in the genome of Biomphalaria glabrata, a snail intermediate host of Schistosoma mansoni.

International audienceBACKGROUND: Biomphalaria glabrata is the mollusc intermediate host for Schistosoma mansoni, a digenean flatworm parasite that causes human intestinal schistosomiasis. An estimated 200 million people in 74 countries suffer from schistosomiasis, in terms of morbidity this is the most severe tropical disease after malaria. Epigenetic information informs on the status of gene activity that is heritable, for which changes are reversible and that is not based on the DNA sequence. Epigenetic mechanisms generate variability that provides a source for potentially heritable phenotypic variation and therefore could be involved in the adaptation to environmental constraint. Phenotypic variations are particularly important in host-parasite interactions in which both selective pressure and rate of evolution are high. In this context, epigenetic changes are expected to be major drivers of phenotypic plasticity and co-adaptation between host and parasite. Consequently, with characterization of the genomes of invertebrates that are parasite vectors or intermediate hosts, it is also essential to understand how the epigenetic machinery functions to better decipher the interplay between host and parasite. METHODS: The CpGo/e ratios were used as a proxy to investigate the occurrence of CpG methylation in B. glabrata coding regions. The presence of DNA methylation in B. glabrata was also confirmed by several experimental approaches: restriction enzymatic digestion with isoschizomers, bisulfite conversion based techniques and LC-MS/MS analysis. RESULTS: In this work, we report that DNA methylation, which is one of the carriers of epigenetic information, occurs in B. glabrata; approximately 2% of cytosine nucleotides are methylated. We describe the methylation machinery of B. glabrata. Methylation occurs predominantly at CpG sites, present at high ratios in coding regions of genes associated with housekeeping functions. We also demonstrate by bisulfite treatment that methylation occurs in multiple copies of Nimbus, a transposable element. CONCLUSIONS: This study details DNA methylation for the first time, one of the carriers of epigenetic information in B. glabrata. The general characteristics of DNA methylation that we observed in the B. glabrata genome conform to what epigenetic studies have reported from other invertebrate species

Elucidating the molecular bases of epigenetic inheritance in non-model invertebrates: the case of the root-knot nematode Meloidogyne incognita

International audienceRoot-knot nematodes of the genus Meloidogyne are biotrophic plant parasites that exhibit different life cycles and reproduction modes, ranging from classical amphimixis to obligatory mitotic parthenogenesis (apomixis), depending on the species. Meloidogyne incognita, an apomictic species, exhibits a worldwide distribution and a wide host range affecting more than 3000 plant species. Furthermore, evidences suggest that apomixis does not prevent M. incognita from adapting to its environment in contrast to what is expected from mitotic parthenogenesis that should theoretically produce clonal progenies. This raises questions about mechanisms of genome plasticity leading to genetic variation and adaptive evolution in apomictic animals. We reasoned that epigenetic mechanisms might in part be responsible for the generation of phenotypic variants that provide potential for rapid adaptation. We established therefore a pipeline to investigate the principal carriers of epigenetic information, DNA methylation and post-translational histone modifications. Even if M. incognita possesses the epigenetic machinery i.e., chromatin modifying enzymes, 5-methyl-cytosine and 5-hydroxy-methyl-cytosine content is absent or very weak. In contrast, we demonstrated that the canonical histone modifications are present and chromatin shows typical nucleosome structure. This work is the first characterization of carriers of epigenetic information in M. incognita and constitutes a preamble to further investigate if M. incognita development and its adaptation to plant hosts are under epigenetic control. Our pipeline should allow performing similar types of studies in any non-model organism