En coulisse
Les soutiens-gorge de sport sont souvent des tueurs de motivation - ils sont désormais dans le collimateur des chercheurs
par Siri Schubert
Epigénétique : comment le sport modifie nos cellules
5/6/2020
Traduction: traduction automatique
Le sport peut modifier notre patrimoine génétique - plus précisément, les marqueurs moléculaires qui contrôlent les gènes. Les spécialistes veulent en déduire quel sport est le plus bénéfique pour qui.
De nombreuses études le prouvent : Les personnes qui font du sport réduisent leur risque de diabète, de maladies cardiovasculaires et de certains types de cancer. Parce que notre corps est conçu pour vivre comme un chasseur-cueilleur, nous avons besoin de beaucoup d'exercice - sinon nous tombons malade. Inversement, cela signifie-t-il : Si vous faites beaucoup de sport, vous resterez en bonne santé dans tous les cas ? Pas nécessairement. En effet, tout le monde ne profite pas de la même manière de l'entraînement. Pourquoi en est-il ainsi ? Et qu'est-ce qui change dans nos cellules lorsque nous pédalons, soulevons des poids ou courons régulièrement ?
De nombreux groupes de travail se penchent actuellement sur la deuxième question. Certes, il n'existe pas encore d'études de grande envergure qui mettent en évidence les liens concrets, mais les observations sont passionnantes : Une équipe dirigée par la biologiste Birgitte Regenberg de l'université de Copenhague a par exemple examiné de près les cellules musculaires de 16 hommes en bonne santé âgés de 60 à 65 ans. La moitié des sujets avaient fait beaucoup de sport au cours de leur vie. L'étude a révélé que le patrimoine génétique des hommes sportifs différait de celui des hommes non sportifs en plus de 700 endroits.
Les chercheurs ne se sont pas intéressés à l'ordre des lettres du code génétique, mais aux petites modifications chimiques qui y ont été apportées ultérieurement. Les spécialistes parlent de modifications épigénétiques. Par exemple, les bases d'ADN adénine et cytosine peuvent porter un groupe méthyle. Ces appendices influencent l'accessibilité de l'ADN. Les gènes qui sont décorés dans certaines régions avec un nombre particulièrement élevé de groupes méthyle ont tendance à être moins bien lus.
Les gènes nécessaires à la production d'énergie, au développement musculaire ou à la protection contre les radicaux libres étaient moins méthylés chez les hommes âgés sportifs que chez les sujets non sportifs. Ces gènes sont par conséquent plus souvent lus et traduits en protéines correspondantes chez eux, comme l'a constaté l'équipe de Regenberg.
L'ADN n'est pas le seul élément important : son emballage l'est aussi
Qu'il s'agisse d'une cellule cérébrale, musculaire ou hépatique, chacune de nos cellules contient en principe le même patrimoine génétique. L'épigénétique, entre autres, détermine quels gènes y sont lus et confèrent à la cellule son apparence et sa fonction typiques. On peut s'imaginer qu'il s'agit d'une sorte de formatage de texte : A l'aide de certaines marques, la cellule reconnaît les endroits du patrimoine génétique qui sont particulièrement importants.
Mais ce n'est pas seulement l'ADN lui-même qui peut être épigénétiquement modifié, mais aussi les protéines qui lui sont liées. En effet, notre matériel génétique ne se trouve pas nu dans le noyau de la cellule, mais est enroulé - comme un fil sur une bobine - autour de complexes de protéines en forme de godet, les histones. Celles-ci portent également des groupes méthyle ou acétyle à certains endroits - ou pas. Si les histones sont dotées de groupes acétyles, la structure compacte de l'enroulement s'assouplit et les gènes peuvent être lus plus facilement (voir l'infographie "Un méta-niveau de régulation").
De petits fragments de patrimoine génétique - appelés micro-ARN - peuvent également modifier la mesure dans laquelle les gènes sont utilisés. Lorsqu'un gène est lu, la cellule produit d'abord une copie sous forme d'ARN, qui sert à son tour de modèle, par exemple pour les protéines. Les micro-ARN peuvent se lier à ces intermédiaires. Cela peut entraîner l'arrêt de la production de la protéine correspondante - le gène est en quelque sorte mis au repos. En revanche, certains micro-ARN stabilisent ou activent un gène spécifique. Les spécialistes estiment qu'environ 50 pour cent des gènes qui fournissent les instructions de construction d'une protéine donnée sont régulés par des micro-ARN.
Plusieurs de ces changements épigénétiques ont lieu pendant le développement embryonnaire - ils sont en grande partie fixés. A d'autres endroits, la signature épigénétique peut changer au cours de la vie. Des scientifiques du monde entier tentent de déterminer de quels changements il s'agit et ce qu'ils font en particulier. "Ce domaine de recherche est encore relativement jeune, mais la progression des connaissances est énorme", explique Barbara Munz de l'hôpital universitaire de Tübingen.
Avec son groupe de travail, la biochimiste étudie comment les cellules musculaires réagissent à l'entraînement physique. La plupart des études menées jusqu'à présent - y compris celle de Regenberg et de ses collègues - sont plutôt descriptives, explique Munz. On regarde à quels endroits du patrimoine génétique des personnes qui font du sport se produisent des modifications épigénétiques. Comme de nombreuses études sont très coûteuses et complexes, elles ne portent généralement que sur une poignée de sujets. De plus, il est souvent difficile de trouver suffisamment de volontaires qui remplissent les conditions nécessaires et qui restent dans le coup pendant toute la durée de l'étude, explique Munz.
La biochimiste explique qu'il est difficile de savoir ce qu'une modification d'histone ou une méthylation d'ADN particulière provoque réellement. Il faut l'étudier dans des expériences de culture cellulaire ou à l'aide de modèles animaux. Des équipes de chercheurs l'ont déjà fait pour certains gènes ou voies de signalisation. Mais une souris ou un rat ne courent pas du tout de la même manière qu'un être humain. Et comment faire faire du sport à une culture cellulaire ? On peut certes provoquer une contraction des cellules musculaires avec des impulsions électriques. Mais cela ne reflète en aucun cas les processus complexes qu'un entraînement physique déclenche dans nos muscles, selon Munz.
Pourquoi le sport aide à lutter contre le diabète
L'un des principaux effets de la pratique régulière d'un sport est de développer la masse musculaire. Cela nous donne non seulement une meilleure apparence, mais stimule également notre métabolisme. Nous sommes plus sensibles à l'insuline, l'hormone qui contrôle l'absorption du sucre dans nos cellules. Ce mécanisme est perturbé chez les personnes atteintes de diabète.
"Ce qui est formidable, c'est que l'on peut aussi réguler le taux de glycémie en faisant du sport", explique la pharmacologue Annette Schürmann. C'est pourquoi elle conseille toujours aux diabétiques d'augmenter leur activité physique. Annette Schürmann étudie à l'Institut allemand de recherche en nutrition de Potsdam-Rehbrücke les modifications génétiques et épigénétiques qui conduisent au développement du diabète. Les chercheurs espèrent en tirer de nouvelles connaissances pour le traitement de cette maladie populaire.
L'entraînement fait que nos cellules musculaires - indépendamment du taux d'insuline - absorbent plus de glucose. Cela est dû au fait qu'elles intègrent davantage d'une certaine protéine de transport dans leur membrane. Une équipe dirigée par Edward Ojuka de l'Université du Cap a voulu découvrir à quelles modifications épigénétiques cela était lié. Pour ce faire, les chercheurs ont prescrit à des rats un entraînement à la natation et ont examiné une section d'ADN particulièrement importante pour la fabrication du transporteur. Chez les rats entraînés, quelque chose avait effectivement changé à ce niveau : Leurs histones portaient davantage de groupes acétyle. C'est pourquoi le gène du transporteur de glucose était plus souvent lu chez eux.
Ce qui est formidable, c'est que vous pouvez aussi réguler votre taux de glycémie en faisant du sport.
Pour traiter le diabète ou prévenir cette maladie métabolique, il faut également modifier son alimentation sur le long terme, selon M. Schürmann. L'obésité est l'un des principaux facteurs de risque du diabète de type 2. Certes, le sport peut aider à perdre du poids. Mais il s'est avéré entre-temps, que l'exercice physique a nettement moins d'influence sur notre poids corporel qu'on ne le pensait. Ce que l'on mange et en quelle quantité est apparemment beaucoup plus important. En outre, l'alimentation entraîne également des modifications épigénétiques. La bonne nouvelle, c'est qu'il est possible de les inverser, du moins en partie. Même si vous vous nourrissez mal depuis des années, par exemple en consommant beaucoup de graisses et de glucides, vous pouvez encore faire quelque chose pour stopper le diabète en modifiant votre alimentation et en faisant du sport.
Quelle est la quantité de sport nécessaire ?
D'autre part, on sait désormais que non seulement les caractéristiques génétiques, mais aussi épigénétiques peuvent être transmises - à la génération suivante et probablement même à celle d'après. "Le sport et l'alimentation modifient également quelque chose dans nos cellules germinales", explique Schürmann. Il s'agit des cellules que nous fabriquons dans nos organes sexuels, c'est-à-dire les spermatozoïdes et les ovules. Des expériences sur des souris ont par exemple montré que la progéniture d'animaux ayant suivi un régime riche en graisses était plus sujette à l'obésité et au diabète. Pour de nombreux spécialistes, il ne fait aucun doute que des modifications épigénétiques en sont la cause.
Pour savoir si cela était similaire chez les humains, une équipe dirigée par Charlotte Ling, chercheuse en diabétologie à l'université suédoise de Lund, a étudié l'épigénome de 28 hommes âgés en moyenne de 37,5 ans. Tous les hommes étaient en bonne santé, mais non sportifs. Quinze participants étaient directement apparentés à une personne souffrant de diabète de type 2. Chez eux, l'équipe a effectivement trouvé des schémas de méthylation partiellement différents sur des gènes impliqués dans la gestion de l'énergie et de l'insuline. Mais après un programme d'entraînement de six mois, les choses avaient changé.
C'est également une indication qu'il vaut la peine de commencer à faire de l'exercice même à un âge moyen ou avancé. Munz est d'accord avec cela : "On peut constater des effets positifs à tout âge", dit la biochimiste. Pour les personnes âgées, il est particulièrement important de lutter contre la diminution de la musculature. Non seulement le sport d'endurance, mais aussi un léger entraînement musculaire peuvent avoir un effet important. Dans la mesure du possible, il faut combiner la musculation et l'entraînement d'endurance - et en parler avec son médecin.
Quelle est la quantité de sport nécessaire pour observer les changements épigénétiques ? Une seule séance peut-elle avoir un effet ? "En principe, oui", répond Wilhelm Bloch, de l'Université allemande du sport à Cologne. Chaque activité sportive crée un stimulus et implique une forte pression d'adaptation, explique le médecin du sport. Certaines études indiquent qu'un seul entraînement suffit à déclencher des modifications épigénétiques. Selon Schürmann, celles-ci sont toutefois très différentes des traces laissées par un sport régulier. Selon elle, ces changements ne peuvent être observés qu'après au moins trois mois d'entraînement. On ignore pour l'instant en grande partie combien de temps ils persistent.
"Au cours de notre vie, le schéma de méthylation de nombreux gènes change", explique Bloch. En vieillissant, nous accumulons davantage de groupes méthyles dans de nombreuses zones. Certains gènes qui empêchent le développement du cancer sont donc moins actifs - une raison pour laquelle notre risque de cancer augmente avec l'âge. L'exercice physique permet de contrer ce phénomène, affirme Bloch. En revanche, les gènes impliqués dans la réaction inflammatoire sont souvent moins méthylés chez les personnes âgées. Ils sont donc plus souvent lus et favorisent l'inflammation. Pour savoir si le sport pouvait également influencer ce phénomène, une équipe dirigée par Shun'ichiro Taniguchi de l'université de Shinshu au Japon a fait faire à environ 200 personnes âgées un entraînement régulier pendant six mois. Les chercheurs ont ensuite constaté une augmentation de la méthylation d'un gène inflammatoire important. La pratique régulière d'un sport peut manifestement contrer les processus inflammatoires liés à l'âge.
La génétique et l'épigénétique s'influencent mutuellement
Pourquoi certaines personnes tombent-elles malgré tout malades alors qu'elles ont fait du sport toute leur vie ? Il n'est pas facile de répondre à cette question. Tout d'abord, on peut affirmer que non seulement les caractéristiques épigénétiques, mais aussi les petites variations subtiles de notre code génétique, influencent les gènes qui sont lus et le bon fonctionnement des protéines que nous fabriquons. Dans le cas du diabète en particulier, le contexte génétique joue un rôle important, explique Schürmann. "Nous savons que plus de 400 sites dans la séquence de notre patrimoine génétique sont liés à l'apparition du diabète."
Auparavant, les scientifiques pensaient que seules ces différences de séquence pouvaient expliquer pourquoi les gens étaient particulièrement vulnérables à certaines maladies. Cette explication n'est pas suffisante, comme le montrent les jumeaux monozygotes. Bien que leur patrimoine génétique soit identique, ils ne développent pas nécessairement les mêmes maladies.
Selon M. Bloch, l'épigénétique et la génétique s'influencent mutuellement. Par exemple, si un gène est particulièrement riche en cytosines, il peut être fortement méthylé. Cela peut avoir un effet positif ou négatif sur les performances et la santé de la personne. Il est difficile d'évaluer l'influence du sport - et de la modification de la méthylation qui en résulterait.
L'alcool est un excellent régulateur épigénétique.
En outre, outre le sport et l'alimentation, il existe denombreux autres facteurs, qui peuvent modifier notre épigénome. "L'alcool, par exemple, est un excellent régulateur épigénétique", explique Bloch. C'est pourquoi il dit à ses étudiants que le fait d'aller au bar est une expérience épigénétique. Lors d'expériences sur des cultures cellulaires, il a observé que même une quantité infime d'alcool permettait de fixer et d'éliminer plus facilement les groupes méthyle de l'ADN. "Lorsque l'on étudie les modifications épigénétiques dues au sport, il faut donc toujours se demander ce que l'homme fait d'autre", note le médecin du sport. L'ensemble est très complexe, selon lui.
"Pour l'instant, nous sommes encore très loin de pouvoir prédire quel changement épigénétique provoque quoi", explique Munz. Mais elle pense qu'à l'avenir, il sera possible de prédire si une personne répondra à un programme d'entraînement donné en fonction de son profil épigénétique. Dans le cadre du projet "Individual Response to Physical Activity - A Transdisciplinary Approach (iReAct)", Munz et ses collègues mènent actuellement une étude sur de jeunes personnes en bonne santé. Pendant six semaines, ils suivent deux types d'entraînement d'endurance différents. L'équipe de chercheurs observe l'amélioration des performances des personnes et examine leurs tissus musculaires à la recherche de certaines caractéristiques épigénétiques, en l'occurrence des micro-ARN. Selon Munz, les premiers résultats permettent déjà de dégager un modèle. "Peut-être pourrons-nous à l'avenir faire des recommandations aux humains - même si nous ne comprenons pas encore les mécanismes en jeu."
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