Au cours de la dernière décennie, il y a eu un intérêt significatif à étudier l'expression de notre code génétique jusqu'au niveau de cellules uniques, pour identifier les fonctions et les activités de toute cellule à travers la santé ou la maladie.
L'identité d'une cellule, et la façon dont l'identité peut mal tourner est essentielle à son rôle dans bon nombre des plus grands défis de santé auxquels nous sommes confrontés, notamment le cancer, la neurodégénérescence ou les troubles génétiques et développementaux. Le zoom sur des cellules uniques nous permet de faire la différence entre les variantes qui autrement seraient perdus dans la moyenne d'une région. Ceci est essentiel pour trouver de nouvelles solutions médicales aux maladies.
La plupart des expériences d'expression de gènes unicellulaires utilisent une technologie appelée séquençage d'ARN à cellule unique (SCRNA-Seq), qui produit une carte exactement quels gènes sont copiés dans de courtes «transcrits» à l'intérieur du noyau. Cependant, SCRNA-Seq ne nous donne qu'une fenêtre sur l'étape intermédiaire entre le code génétique et les protéines qui s'occupent (presque) de toutes les tâches à l'intérieur de notre corps. Les scientifiques savent depuis un certain temps que les niveaux d'ARNm ne correspondent pas exactement aux niveaux de leur protéine correspondante dans les cellules. Cela peut être influencé par de nombreux facteurs, notamment les façons complexes desquelles les cellules contrôlent la stabilité de l'ARNm et leur traduction en protéines, ainsi que la façon dont les protéines sont dégradées, toutes de manière dépendante du contexte.
Surmonter ce défi
Les scientifiques du laboratoire Finsen de Rigshospitalet, le Biotech Research and Innovation Center (Université de Copenhague), l'Université technique du Danemark (DTU) et le Helmholtz Zentrum München, ont utilisé une nouvelle approche pour analyser la population complexe de protéines dans les cellules individuelles, pendant la formation de cellules sanguines. Cette analyse protéomique unique signifie contourner les intermédiaires de l'ARNm et construire une carte des protéines présentes dans les cellules pendant leur différenciation des cellules souches en cellules sanguines matures.
L'un des principaux auteurs de l'étude, Bo Porse, du Finsen Laboratory de Rigshospitalet et du Biotech Research and Innovation Center (Université de Copenhague), dit:
« Le processus de différenciation cellulaire est extrêmement complexe, et nous devons comprendre pleinement les nuances de ce qui se passe à l'intérieur de chaque cellule à chaque étape de sa vie pour aborder les cas où le processus tourne mal. Avec cette étude, nous avons montré la faisabilité de l'utilisation de cette technologie pour modéliser avec précision les étapes exactes de l'expression des gènes, couvrant à la fois la synthèse de l'ARNm et la désintégration, et la synthèse et la décroissance des protéines ultérieures tout au long de la différenciation cellulaire.«
Cette étude, qui devrait être publiée le 21 août dans la revue Science, représente la première utilisation d'une technologie, co-développée entre DTU, Rigshospitalmet et l'Université de Copenhague, à savoir la protéomique monocellulaire par spectrométrie de masse (SCP-MS) dans un système d'organes biologiquement pertinent – tel qu'il est opposé aux cultures cellulaires en laboratoire. Bien qu'il ne soit pas encore possible de détecter toutes les protéines présentes dans chaque cellule, les chercheurs ont pu comparer les données de l'ARNm de la méthode traditionnelle (bien, OK, seulement une décennie) SCRNA-Seq et cette nouvelle analyse de protéines monocellul mal. Cela suggère que le renouvellement des transcrits d'ARNm, leur taux de traduction ou la stabilité des protéines exprimés dans les cellules au début de leur différenciation pourrait changer à mesure que les cellules deviennent plus différenciées.
Cette étude est l'aboutissement de nombreuses années de développement technologique intense. Il n'y a pas longtemps, l'idée de mesurer des milliers de protéines dans des cellules souches humaines uniques de la moelle osseuse était comme une science-fiction. Nous n'avons jamais imaginé que nous serions en mesure d'appliquer SCP-MS à quelque chose d'aussi complexe et dynamique que le système sanguin humain aussi bientôt. Mais nous voici, enfin, en mesure d'accéder aux couches de biologie qui sont complètement invisibles pour les méthodes basées sur l'ARN seule. Cela témoigne de la puissance de la spectrométrie de masse, des lectures au niveau des protéines et de la biologie des systèmes basés sur les données pour transformer notre compréhension de la façon dont les cellules prennent les décisions du destin. «
Erwin Schoof, auteur co-ennior, professeur agrégé et chef du laboratoire de diversité cellulaire, Département de biotechnologie et de biomédecine, Université technique du Danemark
Résultats et impact
Les chercheurs ont ensuite étudié certaines des protéines qui semblaient baisser en abondance pendant la différenciation cellulaire, malgré des niveaux d'ARNm stables tout au long du processus. En modifiant le code génétique pour supprimer (ou «knock-out») ces gènes, les scientifiques ont montré que cela entraînait une réduction du nombre de cellules souches. Cela suggère que ces protéines sont essentielles pour maintenir une population saine de cellules souches dans le système, pour garantir qu'il existe un approvisionnement suffisant en cellules sanguines dans le corps. Simplement en analysant les données SCRNA-SEQ seule, ces protéines fonctionnellement pertinentes n'auraient jamais été identifiées et leurs rôles dans ce processus important seraient restés cachés.
« En intégrant les mesures de l'ARN et des protéines dans un modèle dynamique, nous pouvons capturer le cycle de vie complet de l'expression des gènes dans les cellules uniques. Modélisation mathématique des systèmes biologiques à l'Université technique de Munich.
Ce travail marque un tournant pour la biologie unique: la capacité de mesurer directement les protéines à une résolution unique dans le tissu humain primaire. Il ouvre la porte à la découverte de couches cachées de régulation dans le développement, la maladie et la régénération, les couches que l'ARN seul ne pourrait jamais révéler. Au fur et à mesure que les télescopes transforment notre compréhension du cosmos, la protéomique monocellulaire fait maintenant la même chose pour le fonctionnement interne de la vie.
