Le génome humain contient environ 23 000 gènes, mais seule une fraction de ces gènes est activée à l’intérieur d’une cellule à un moment donné. Le réseau complexe d’éléments régulateurs qui contrôlent l’expression des gènes comprend des régions du génome appelées activateurs, qui sont souvent situées loin des gènes qu’elles régulent.
Cette distance peut rendre difficile la cartographie des interactions complexes entre les gènes et les activateurs. Pour surmonter ce problème, les chercheurs du MIT ont inventé une nouvelle technique qui leur permet d’observer le moment de l’activation des gènes et des activateurs dans une cellule. Lorsqu’un gène est activé à peu près au même moment qu’un amplificateur particulier, cela suggère fortement que l’amplificateur contrôle ce gène.
En savoir plus sur les activateurs qui contrôlent quels gènes, dans différents types de cellules, pourrait aider les chercheurs à identifier des cibles médicamenteuses potentielles pour les troubles génétiques. Les études génomiques ont identifié des mutations dans de nombreuses régions non codantes pour les protéines, liées à diverses maladies. Pourrait-il s’agir d’améliorateurs inconnus ?
« Lorsque les gens commencent à utiliser la technologie génétique pour identifier les régions des chromosomes contenant des informations sur la maladie, la plupart de ces sites ne correspondent pas aux gènes. Nous soupçonnons qu’ils correspondent à ces activateurs, qui peuvent être assez éloignés d’un promoteur, il est donc très important de pouvoir identifier ces activateurs », explique Phillip Sharp, professeur émérite du MIT Institute et membre de l’Institut Koch du MIT pour la recherche intégrative sur le cancer.
Sharp est l’auteur principal de la nouvelle étude, qui apparaît aujourd’hui dans Nature. Jay Mahat, assistant de recherche au MIT, est l’auteur principal de l’article.
À la recherche de l’ARNe
Moins de 2 pour cent du génome humain est constitué de gènes codant pour des protéines. Le reste du génome comprend de nombreux éléments qui contrôlent le moment et la manière dont ces gènes sont exprimés. Les activateurs, dont on pense qu’ils activent les gènes en entrant en contact physique avec les régions promotrices des gènes en formant de manière transitoire un complexe, ont été découverts il y a environ 45 ans.
Plus récemment, en 2010, des chercheurs ont découvert que ces activateurs sont transcrits en molécules d’ARN, appelées ARN activateur ou ARNe. Les scientifiques soupçonnent que cette transcription se produit lorsque les amplificateurs interagissent activement avec leurs gènes cibles. Cela a soulevé la possibilité que la mesure des niveaux de transcription de l’ARNe puisse aider les chercheurs à déterminer quand un amplificateur est actif, ainsi que les gènes qu’il cible.
« Ces informations sont extrêmement importantes pour comprendre comment le développement se produit et comment les cancers modifient leurs programmes de régulation et activent des processus qui conduisent à la dédifférenciation et à la croissance métastatique », explique Mahat.
Cependant, ce type de cartographie s’avère difficile à réaliser car l’ARNe est produit en très petites quantités et ne dure pas longtemps dans la cellule. De plus, l’ARNe ne dispose pas d’une modification connue sous le nom de queue poly-A, qui est le « crochet » que la plupart des techniques utilisent pour extraire l’ARN d’une cellule.
Une façon de capturer l’ARNe consiste à ajouter un nucléotide aux cellules qui arrête la transcription lorsqu’il est incorporé à l’ARN. Ces nucléotides contiennent également une étiquette appelée biotine qui peut être utilisée pour extraire l’ARN d’une cellule. Cependant, cette technique actuelle ne fonctionne que sur de grands pools de cellules et ne donne aucune information sur les cellules individuelles.
Tout en réfléchissant à de nouvelles façons de capturer l’ARNe, Mahat et Sharp ont envisagé d’utiliser la chimie du clic, une technique qui peut être utilisée pour joindre deux molécules si elles sont chacune étiquetées avec des « poignées de clic » qui peuvent réagir ensemble.
Les chercheurs ont conçu des nucléotides marqués avec une poignée en un clic, et une fois ces nucléotides incorporés dans les brins d’ARNe en croissance, les brins peuvent être repêchés avec une étiquette contenant la poignée complémentaire. Cela a permis aux chercheurs de capturer l’ARNe, puis de le purifier, de l’amplifier et de le séquencer. Une partie de l’ARN est perdue à chaque étape, mais Mahat estime qu’ils peuvent réussir à extraire environ 10 % de l’ARNe d’une cellule donnée.
Grâce à cette technique, les chercheurs ont obtenu un instantané des amplificateurs et des gènes activement transcrits à un moment donné dans une cellule.
« Vous voulez pouvoir déterminer, dans chaque cellule, l’activation de la transcription à partir d’éléments régulateurs et de leur gène correspondant. Et cela doit être fait dans une seule cellule, car c’est là que vous pouvez détecter la synchronisation ou l’asynchronie entre les éléments régulateurs et les gènes », explique Mahat.
Moment de l’expression des gènes
En démontrant leur technique sur des cellules souches embryonnaires de souris, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient calculer approximativement le moment où une région particulière commence à être transcrite, en fonction de la longueur du brin d’ARN et de la vitesse de la polymérase (l’enzyme responsable de la transcription), c’est-à-dire , dans quelle mesure la polymérase transcrit par seconde. Cela leur a permis de déterminer quels gènes et amplificateurs étaient transcrits à peu près au même moment.
Les chercheurs ont utilisé cette approche pour déterminer le moment de l’expression des gènes du cycle cellulaire de manière plus détaillée qu’il n’était possible auparavant. Ils ont également pu confirmer plusieurs ensembles de paires gène-amplificateur connues et ont généré une liste d’environ 50 000 paires de gènes amplificateurs possibles qu’ils peuvent désormais essayer de vérifier.
Savoir quels activateurs contrôlent quels gènes s’avérerait utile pour développer de nouveaux traitements contre les maladies à base génétique. L’année dernière, la Food and Drug Administration des États-Unis a approuvé le premier traitement de thérapie génique contre l’anémie falciforme, qui agit en interférant avec un activateur entraînant l’activation d’un gène de la globine fœtale, réduisant ainsi la production de cellules sanguines falciformes.
L’équipe du MIT applique désormais cette approche à d’autres types de cellules, en mettant l’accent sur les maladies auto-immunes. En collaboration avec des chercheurs du Boston Children’s Hospital, ils explorent les mutations des cellules immunitaires liées au lupus, dont beaucoup se trouvent dans des régions non codantes du génome.
« On ne sait pas clairement quels gènes sont affectés par ces mutations, nous commençons donc à distinguer les gènes que ces amplificateurs putatifs pourraient réguler et dans quels types de cellules ces amplificateurs sont actifs », explique Mahat. « Il s’agit d’un outil permettant de créer des cartes gène-amplificateur, qui sont fondamentales pour comprendre la biologie, et également une base pour comprendre la maladie. »
Les résultats de cette étude offrent également la preuve d’un théorie que Sharp a récemment développé, avec les professeurs du MIT Richard Young et Arup Chakraborty, que la transcription des gènes est contrôlée par des gouttelettes sans membrane appelées condensats. Ces condensats sont constitués de grands amas d’enzymes et d’ARN, qui, selon Sharp, pourraient inclure de l’ARNe produit au niveau des sites activateurs.
« Nous imaginons que la communication entre un activateur et un promoteur est une structure transitoire de type condensat, et l’ARN en fait partie. Il s’agit d’un travail important pour mieux comprendre comment les ARN des activateurs pourraient être actifs », dit-il.
La recherche a été financée par le National Cancer Institute, les National Institutes of Health et le Emerald Foundation Postdoctoral Transition Award.
