Biochemical Hazards during Three Phases of Assisted Reproductive Technology: Repercussions Associated with Epigenesis and Imprinting.
Menezo Y, Elder K, Clement P, Clement A, Patrizio P.
Int J Mol Sci. 2022 Aug 10;23(16):8916. doi: 10.3390/ijms23168916.
Résumé d’article : Patrice CLÉMENT
Les techniques d’Assistance Médicale à la Procréation (AMP) ont vu naître plus de 8 millions d’enfants dans le Monde et sont considérées comme des techniques médicales sécures.
Cela étant, certaines publications rapportent des anomalies chez les enfants nés de ces techniques, en relation principalement avec des phénomènes épigénétiques et d’empreintes génomiques (Choux C et col, 2018 ; Hiura H et col, 2012 ; Song S et col, 2015).
La régulation épigénétique est un phénomène indispensable au développement normal des mammifères. Elle est réalisée par des mécanismes de méthylation de l’ADN et des histones (protéines entourant l’ADN). Ce phénomène permettant de réguler l’expression des gènes.
Le but de cette publication a été de faire le point sur l’impact de ces phénomènes de méthylation et d’épigénèse au niveau des trois phases des actes d’AMP :
- La phase de stimulation ovarienne
- La phase de culture embryonnaire in vitro
- La phase de développement embryonnaire et fœtal
L’empreinte génomique est un phénomène qui entraine une expression différente de certains gènes selon qu’ils sont d’origine maternelle ou paternelle. La méthylation différentielle de ces gènes entraine une expression ou une absence d’expression du gène concerné. Après la fécondation, la méthylation de l’ADN est complètement effacée sauf pour les gènes soumis à empreinte parental nécessaire au développement embryonnaire et fœtal normal. La remise en place de la méthylation se fera plus tard. Concernant les cellules germinales primitives, la remise en place de la méthylation et de l’empreinte génomique ne se fera pas au même moment. Elle aura lieu pendant le développement fœtal pour le sexe masculin, et après la puberté au moment de chaque cycle menstruel pour le sexe féminin
Le marquage épigénétique dans le sexe masculin est essentiel pour le développement de l’embryon et la transmission de la vie. Elle se fait à un moment très précis de l’embryogénèse.
Le tissu neuronal est très sensible aux mécanismes d’empreinte et certaines publications montrent que des anomalies neuropsychiatriques et des troubles du comportement chez l’enfant peuvent être dus à des anomalies d’empreinte génomique, notamment chez les pères de l’enfant plus âgés (Menezo Y et col, 2015 et 2017).
L’explication biochimique des mécanismes d’empreinte génomique permet de comprendre immédiatement l’importance des conditions de culture in vitro, de la composition des milieux de culture et de la tension en oxygène du milieu. Le cycle des folates et du carbone est au centre de ce mécanisme avec comme principal impact, la formation de méthionine et de cystéine, deux molécules jouant un rôle principal ; la méthionine comme donneur de méthyl pour les phénomènes d’épigénèse et la cystéine comme intermédiaire vers le glutathion qui protège contre le stress oxydant. Un blocage de ces cycles entraine une augmentation d’homocystéine qui est un poison pour la cellule, donc pour les gamètes et l’embryon.
Impact au moment de la stimulation ovarienne.
L’œstradiol est un puissant effecteur vaso-actif entrainant avec son augmentation des échanges important entre le sérum et le fluide folliculaire. Pendant la stimulation ovarienne, ces échanges sont augmentés permettant à l’ovocyte de recevoir une quantité plus importante de folates et de méthionine nécessaires aux dernières phases de croissance et de maturation ovocytaire pendant laquelle des modifications épigénétiques et chromosomiques importantes sont réalisées. Un défaut d’apport de ces molécules entraine une instabilité de l’ADN et des anomalies chromosomiques associées (Duthie S et col, 2002, Enciso M et col, 2016). Cet impact négatif est clairement montré chez les porteurs de mutation du gène MTHFR. On comprend ainsi qu’un défaut dans ce mécanisme peut entrainer des anomalies d’ovogénèse et ainsi impacter la qualité ovocytaire (Razi Y et col, 2021), notamment en cas de stimulation ovarienne qui nécessite un apport plus important de ces molécules.
Ces processus biochimiques et métaboliques ont donc lieu chez la femme à partir de la puberté et au moment de chaque cycle menstruel.
L’apport de folate, préconisé par les recommandations, aux patientes pendant la stimulation ovarienne en AMP et pendant la grossesse, peut au contraire avoir un impact négatif chez les femmes porteuses de mutations MTHFR, à la fois par une augmentation d’homocystéine et d’acide folique non métabolisés, tous les deux délétères.
De plus un défaut d’apport de méthionine soit à l’embryon masculin pendant l’embryogénèse, soit aux gamètes féminins pendant l’ovogénèse, pourra avoir une répercussion sur la mise en place de l’épigénèse au niveau de ses gamètes, avec un impact trans-générationnel.
Impact au moment du développement embryonnaire précoce et de l’activation du génome embryonnaire.
La méthylation de l’ADN et des histones du noyau spermatique entraine une conformation spatiale de celui-ci nécessaire à l’accès des facteurs de transcription qui permettra l’activation du génome paternel donc l’activation du génome embryonnaire.
A partir de la fécondation de l’ovocyte et jusqu’à l’activation du génome embryonnaire (stade 6-8 cellules à peu près 72H après la fécondation chez l’embryon humain), l’embryon précoce utilise uniquement des réserves de protéines et d’ARNm de l’ovocyte.
Le cycle des folates et de la méthionine/cystéine entraine une production de glutathion permettant d’abord la décondensation de l’ADN spermatique puis une protection contre les phénomènes important de stress oxydant arrivant pendant cette période, nécessitant un apport important de cystéine. Une insuffisance de cystéine entrainera une absence de régulation du stress oxydant et une perturbation de la méthylation, voire une déméthylation parasite de l’ADN et des phénomènes épigénétiques qui y sont liés.
Le défaut d’apport de méthionine (donneur de méthyl) dans le milieu de culture entrainera, lui aussi, un défaut de méthylation de l’ADN, une augmentation de l’homocystéine et une altération du développement embryonnaire.
Au stade zygotique, il y a une déméthylation globale du génome paternel. Les cellules germinales primitives masculines seront de nouveau méthylées pendant la phase de développement embryonnaire, alors que pour les cellules germinales féminines, la méthylation n’aura lieu que pendant les phases de maturation ovocytaire à chaque cycle menstruel, l’ovocyte restant bloqué en prophase de première division méiotique.
D’autre part, la cinétique de développement embryonnaire et d’activation du génome embryonnaire n’est pas la même pour l’embryon de souris chez qui elle a lieu à 24H après fécondation permettant ainsi une synthèse beaucoup plus rapide des ARNm et des protéines par l’embryon lui-même alors que chez l’Humain ce sont les ARNm et les protéines stockées par l’ovocyte qui sont utilisées jusqu’à 72h post-fécondation (au moment de l’activation du génome embryonnaire).
La validation d’un milieu de culture embryonnaire en Humain est principalement basé sur le « Mouse embryo assay : MEA » qui reste la référence pour la validation de la qualité des milieux de culture en AMP chez l’Humain (Market-Velker B.A. et col, 2010 et 2012).
Ces éléments expliquent que ce test ne peut pas être suffisant pour la validation d’un milieu de culture, à la fois parce que la cinétique de développement chez la souris n’est pas du tout le même chez l’Humain mais aussi parce que ce test n’évalue pas du tout la nécessité de présence de donneur de méthyl dans le milieu, ni de celle des amino-acides essentiels (méthionine, cystine, arginine), ni leurs concentrations nécessaires à un développement embryonnaire de bonne qualité. Ces composés sont essentiels à la fois pour les processus de méthylation permettant le marquage épigénétique mais également pour la protection contre le stress oxydant grâce à la synthèse de glutathion.
Impact des hautes doses d’acide folique pendant la grossesse et de l’acide folique non métabolisé (UMFA) sur la qualité fœtale.
Comme nous l’avons vu précédemment, le cycle de l’acide folique est nécessaire au bon fonctionnement du cycle de la méthionine (One Carbon Cycle pour les anglosaxons) ; l’ensemble étant à la base d’un bon développement embryonnaire. Mais de trop fortes doses d’acide folique peuvent entrainer un syndrome associé à l’acide folique non métabolisé (UMFA). En effet, un mécanisme biochimique fait qu’un excès de substrat (en l’occurrence l’acide folique) peut bloquer la réaction biochimique (en l’occurrence le One Carbon Cycle) Dans les pays où un apport en acide folique alimentaire est mis en place que ce soit en amont des tentatives d’AMP ou pendant les grossesses qu’elles soient spontanées ou à la suite d’une AMP, de l’acide folique non métabolisé a été retrouvé dans le placenta, le sang de cordon et le sang des enfants nés. Il semble même que des taux élevés d’UMFA soient retrouvés chez des femmes où la fortification alimentaire en acide folique n’est pas mise en place (Kubo Y et col, 2020), du fait des publicités pour la prise de vitamines en pré-conceptionnel. Dans ces conditions, l’apport en acide folique et les doses proposées, de manière systématique doit être remis en question, sauf à évaluer le taux d’UMFA au début de la grossesse. Il en découle une augmentation d’homocystéine dont on sait maintenant qu’elle est un facteur de risque augmenté dans différents pathologies neurologiques (Smith A.D. et col, 2018 ; Steinfeld et col, 2009) voire endocrinologiques. L’ensemble de ces phénomènes est amplifié chez les femmes porteuses d’un polymorphisme du gène MTHFR.
Il est maintenant reconnu que les femmes enceintes prennent souvent des vitamines à des doses plus importantes que nécessaire, et que ces quantités importantes peuvent avoir un effet délétère sur le développement du cerveau fœtal (Valera-Gran D et col, 2017).
Discussion.
L’Assistance Médicale à la Procréation (FIV, ICSI) a donné naissance à des millions d’enfants dans le Monde. La très grande majorité de ces enfants sont en bonne santé et ces techniques d’AMP sont validés comme étant fiable et sûrs. Mais on ne peut pas négliger le fait que de plus en plus de publications font état de perturbations épigénétiques et d’empreintes génomiques pendant les manipulations des différentes étapes de l’AMP. La présence, dorénavant, universelle des perturbateurs endocriniens, connus pour perturber l’épigénèse dans tous les liquides biologiques (liquide séminal, sérum, liquide amniotique) est une source additionnelle de questionnement. Ce qui est en plus préoccupant, c’est que les conséquences de ces perturbations peuvent passer une génération et apparaître seulement dans la descendance.
Références :
Biochemical Hazards during Three Phases of Assisted Reproductive Technology: Repercussions Associated with Epigenesis and Imprinting.
Menezo Y, Elder K, Clement P, Clement A, Patrizio P.
Int J Mol Sci. 2022 Aug 10;23(16):8916. doi: 10.3390/ijms23168916.
The epigenetic control of transposable elements and imprinted genes in newborns is affected by the mode of conception: ART versus spontaneous conception without underlying infertility.
Choux C, Binquet C, Carmignac V, Bruno C, Chapusot C, Barberet J, Lamotte M, Sagot P, Bourc'his D, Fauque P.Hum Reprod. 2018 Feb 1;33(2):331-340. doi: 10.1093/humrep/dex366.PMID: 29237055
Characterization of DNA methylation errors in patients with imprinting disorders conceived by assisted reproduction technologies.
Hiura H, Okae H, Miyauchi N, Sato F, Sato A, Van De Pette M, John RM, Kagami M, Nakai K, Soejima H, Ogata T, Arima T.Hum Reprod. 2012 Aug;27(8):2541-8. doi: 10.1093/humrep/des197. Epub 2012 Jun 6.PMID: 22674207
DNA methylation differences between in vitro- and in vivo-conceived children are associated with ART procedures rather than infertility.
Song S, Ghosh J, Mainigi M, Turan N, Weinerman R, Truongcao M, Coutifaris C, Sapienza C.Clin Epigenetics. 2015 Apr 8;7(1):41. doi: 10.1186/s13148-015-0071-7. eCollection 2015.PMID: 25901188
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Concentrations of homocysteine in follicular fluid and embryo quality and oocyte maturity in infertile women: a prospective cohort.
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