Signatures épigénétiques associées à l'état physiologique, nutritionnel et pathologique chez la vache laitière en postpartum.

par Maxime Gasselin

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Hélène Jammes.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement et Santé , en partenariat avec BDR - Biologie du Développement et Reproduction - UR 1198 INRA/ENVA (laboratoire) et de institut des sciences et industries du vivant et de l'environnement (AgroParisTech) (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    La santé et la fertilité des vaches laitières sont au cœur des préoccupations de la filière professionnelle dans un objectif d'efficience, de quantité et de qualité de la production de lait. La mise en place d'une lactation performante se superpose aux profonds changements hormonaux et métaboliques de la période postpartum, se traduisant par une balance énergétique négative. Les conséquences en sont souvent une altération de la fertilité et une immunodépression qui accroit la susceptibilité aux pathologies. Dans les élevages, il existe encore une grande variabilité d'état général et de performances chez les vaches laitières malgré la sélection génomique. Il est proposé que des modifications de la méthylation de l'ADN puissent contribuer à cette variabilité phénotypique individuelle. En effet, la méthylation de l'ADN, en tant que processus épigénétique, est impliquée dans la régulation transcriptionnelle des gènes, et présente une certaine plasticité face aux contraintes environnementales. Nous avons fait l'hypothèse que des signatures épigénétiques portées par les cellules du sang, pourraient refléter l'état de santé des vaches et pourraient être modifiées en réponse à différents facteurs intrinsèques (parité, stades physiologiques…) et aux contraintes environnementales. Ces signatures ont été recherchées dans une population de cellules du sang particulière : les monocytes. Ces cellules, accessibles par prélèvements sanguins et purification en présence d'un anticorps spécifique, constituent la première ligne de réponse d'immunité innée face aux infections aigües participant à la dégradation de l'état de santé des vaches en postpartum. Pour tester l'hypothèse de signatures épigénétiques monocytaires, une analyse du méthylome par « Reduced Representation Bisulfite Sequencing », (RRBS) dans diverses situations d'élevage a été réalisée. En utilisant des ADN génomiques de vaches incluses dans plusieurs protocoles, 22 banques ont été construites et séquencées. Leur analyse a été réalisée en utilisant un pipeline d'analyses bioinformatique et biostatistique développé au laboratoire. En moyenne 1 250 000 CpG sont pris en considération et permettent l'identification et la localisation de cytosines différentiellement méthylées (DMC) : i) 27143 DMC en comparant les méthylomes de différents types cellulaires (monocytes versus fibroblastes et PBMC) ii) 4788 DMC en réponse à un challenge nutritionnel basé sur la distribution du complément alimentaire GENIAL®, fabriqué et distribué en élevage par nos partenaires PILARDIERE et XR-Repro. iii) 2615 et 4616 DMC en réponse au challenge infectieux pour le groupe de vaches témoins et le groupe en restriction alimentaire respectivement (protocole coordonné par Christine Leroux et José Pires (RUMINFLAME, INRA, Theix) combinant une restriction alimentaire et un challenge immunitaire, par injection de LipoPolySaccharide). iv) 4420 DMC issues de la comparaison entre méthylomes de vaches à génome constant (issues du transfert nucléaire, clones) et de vaches à génome variable mais de même âge et élevées dans les mêmes conditions que les clones. Pour certaines régions différentiellement méthylées (DMR) ciblant le promoteur de gènes, le statut de méthylation a été confirmé par conversion bisulfite et pyroséquençage. L'expression des gènes associés a été étudiée. Une anti corrélation significative est observée entre méthylation et expression signant la fonctionnalité de ces régions.En comparant les 11 méthylomes monocytaires, il est montré que 21% des CpG sont extrêmement stables et ne présentent qu'une faible variation de méthylation entre échantillons ( 20%). L'ensemble de ces informations peut être pris en considération pour la conception d'un outil d'épigénotypage. A l'avenir, il serait aussi possible d'utiliser cet outil en routine afin d'appréhender les variations du méthylome monocytaire dans différentes conditions d'élevage.

  • Titre traduit

    Epigenetic signatures related to physiological, nutritional and pathologic states in dairy cows in postpartum period


  • Résumé

    In dairy breeding, the health and fertility of cows are the main concern with the aims to maintain milk quantity and quality and to reduce the interval between calving in a high competitive economical context. Postpartum period is marked by major hormonal and metabolic changes that affect productivity, immune responses and fertility. The consequences of immune response deterioration are an increasing susceptibility to diseases (mastitis, metritis, endometritis…). Genomic selection in livestock improves the performance of the population but does not exclude phenotypic variability at the level of livestock and the individual. It is proposed that DNA methylation could contribute to this individual phenotype variability. Indeed, DNA methylation is an epigenetic process involved in transcriptional regulation of genes displaying certain plasticity in front of environmental constraints.We assumed the epigenetic signatures carried by blood cells, could reflect overall health and could be modified in response to intrinsic factors (parity, stages …) and to environmental changes. These signatures were researched in a particular blood cells subpopulation: the monocytes. These cells, obtained by blood sampling and purification with a specific antibody, are the first line of defense against acute infections participating in health status deterioration of postpartum cows.To test the monocyte epigenetic signatures hypothesis, monocyte methylome were analyzed by « Reduced Representation Bisulfite Sequencing » (RRBS), in various breeding conditions. Using genomic DNA form cows included in several protocols, 22 libraries were constructed and sequenced. Their analyses were accomplished using a « homemade » pipeline which integrates bioinformatics and biostatistics analyses. On average, 1 250 000 CpGs were analyzed in order to identify differentially methylated cytosines (DMCs): i) 27143 DMC by comparison between different cells types (monocytes versus fibroblasts and PBMC) ii) 4788 DMCs in response to nutritional challenge based on the dietary supplement, GENIAL®, produced and distributed in breeding by our partner PILARDIERE and XR-Repro (in collaboration with Marion Boutinaud, INRA, Rennes). iii) 2615 and 4616 DMCs in response to infectious challenge with LipoPolySaccharide injection for control cows group fed normal diet and for dietary restriction cows group, respectively (collaboration with Christine Leroux and José Pires, RUMINFLAME, INRA, Theix; and Gilles Foucras (ENVT, Toulouse)). iv) 4420 DMCs from the comparison between constant genomic cow (Somatic cell nuclear transfer, clones) and variable genomic cows but with the same age and raised in the same conditions than clones.From DMCs, we identified differentially methylated regions (DMRs) defined as region with at least 3 DMCs inside 100 bp. For some DMRs targeting gene promoter, the methylation status was validated by bisulfite conversion and pyrosequencing. Gene associated expression were also investigated. A significant negative correlation has been observed between methylation and expression, highlighting the functional relevance of these DMRs in gene transcription control.By comparing the 11 monocyte methylomes, 21% of CpGs present a remarkable constant methylation level with weak variability between samples (20%).Taking together, these data can provide a list of relevant DMCs for an epigenetic tool conception. In the future, it would be possible to use this tool for a routine analysis in order to grasp monocyte methylome variations in different breeding management.