L'expression des gènes, où les cellules utilisent les informations génétiques codées dans l'ADN pour produire des protéines, a été considérée comme une lumière adhérée.
Combien un gène particulier s'exprime continuellement augmente et diminue, selon les besoins d'une cellule à tout moment. C'est comme ajuster l'éclairage d'une pièce jusqu'à ce qu'il soit juste pour votre humeur.
Mais les chercheurs de l'université de Buffalo ont montré qu'une partie considérable des environ 20 000 gènes d'un humain exprime davantage votre interrupteur d'éclairage standard – entièrement sur ou complètement éteint.
L'équipe a identifié près de 500 de ces gènes «en forme de commutation», dont l'expression est soit très élevée, soit très faible, en analysant les gènes de plus de 900 personnes et à travers 27 types de tissus différents. La recherche, décrite dans une étude publiée jeudi 18 juin dans Nature Communications, est la première analyse systématique des gènes de type commutateur à travers plusieurs tissus.
Il pointe finalement les hormones, la variation génétique et les marqueurs épigénétiques comme des sources potentielles de cette expression de type commutateur.
Comprenant pourquoi nous différons les uns des autres, les sources de la diversité humaine, est l'une des questions fondamentales de la génétique humaine et de l'anthropologie. Notre étude fournit de nouvelles réponses. «
Omer Gokcumen, PhD, auteur de co-correspondant de l'étude, professeur au Département des sciences biologiques UB, au sein du College of Arts and Sciences
L'étude relie également certains des gènes de type interrupteur à une variété de maux et de maladies, tels que l'infertilité, une réponse immunitaire altérée au Covid-19, et peut-être surtout, une atrophie vaginale, une condition couramment subie par les femmes ménopausées.
« Nous pensons que les gènes de type commutateur pourraient un jour être utilisés pour diagnostiquer et peut-être même traiter les maladies », explique Gokcumen. « En fin de compte, chacun de nous est composé d'ingrédients moléculaires produits à partir de nos gènes, et notre santé est directement liée à la combinaison précise et précaire de ces ingrédients. Faites trop ou trop peu, et vous pouvez avoir une maladie. »
Trouver des gènes en forme de commutateur – avec mathématiques
La disponibilité récente des données de séquençage au niveau de la population de l'ARN des humains a permis d'identifier systématiquement les gènes de type commutateur à partir de gènes de type gradateur. Cependant, l'équipe n'a pas initialement entrepris d'étudier les gènes de type commutateur.
Le projet a commencé comme une recherche de premier cycle supervisé par l'autre auteur de co-correspondant de l'étude, Naoki Masuda, PhD, professeur au Département de mathématiques. L'objectif était d'appliquer une analyse de réseau multicouche sur les gènes pour examiner comment les différents organes humains sont corrélés en tant que réseau.
Le major des mathématiques senior Yanyan Li, co-primitif de l'étude, avec l'aide d'une autre majeure en mathématiques seniors, Zhiliang Wang, a initialement effectué cette analyse quelque peu non conventionnelle, mais a identifié de manière inattendue de nombreux gènes de type interrupteur dans les données.
« Les gènes de type commutateur identifiés par 473 se sont démarqués dans l'ensemble de données parce qu'ils obéissaient aux distributions bimodales dites », explique Masuda. « Alors qu'un gène typique de type gradateur a une distribution unimodale, un gène de type interrupteur a deux pics distincts, correspondant à l'activation et à l'éteinte. »
Masuda et Gokcumen ont ensuite déplacé l'attention du projet aux gènes de type commutation, car ils semblaient être une partie importante de la variation de l'expression entre les humains.
Des gènes de type interrupteur liés à la maladie
L'équipe a ensuite recherché une contribution potentielle des gènes de type interrupteur aux maladies. Ils ont trouvé des liens remarquables Covid-19, un cancer du sein, une infertilité masculine, une défaillance d'implantation et un lien très fort avec l'atrophie vaginale.
« Les enquêtes futures pourraient révéler si la façon dont le bilan de ces commutateurs génétiques affecte les maladies humaines en général et fournit de nouveaux outils diagnostiques et thérapeutiques », explique le premier auteur de l'étude, Alber Aqil, doctorant dans le laboratoire de Gokcumen.
La plupart des gènes de type interrupteur se sont exprimés uniquement de manière en forme de commutateur dans un seul type de tissu. Un petit pourcentage des gènes de type interrupteur était universellement semblable à un commutateur sur tous les tissus examinés.
Les chercheurs proposent que les hormones entraînent une commutation spécifique aux tissus, tandis que la commutation universelle est entraînée par l'ADN d'un individu.
« Les hormones et l'ADN sont deux facteurs puissants qui peuvent pousser un gène en forme de commutation », explique Aqil. « En règle générale, de nombreux petits facteurs poussent un gène, ce qui fait varier son activité, comme un gradateur, mais il semble que les gènes de type commutateur soient contrôlés par un ou juste quelques facteurs qui ont de gros effets. »
Parmi les autres auteurs, citons Marie Saitou, un ancien boursier postdoctoral au laboratoire de Gokcumen et maintenant professeur adjoint à l'Université norvégienne des sciences de la vie en Norvège; Le doctorant Saiful Islam et l'ancienne étudiante diplômée Madison Russell, qui travaillaient tous deux dans le laboratoire de Masuda; et Theodora Kunovac Kallak de l'Université d'Uppsala en Suède.
La recherche a été soutenue par le National Institute of General Medical Sciences, la National Science Foundation, UB Office of Research and Economic Development, The Japan Science and Technology Agency et Japan Society for the Promotion of Science.
