L'ingénierie la plus complexe des lignées cellulaires humaines jamais réalisée par des scientifiques, révélant que nos génomes sont plus résilients à des changements structurels importants qu'on ne le pensait auparavant.
Des chercheurs du Wellcome Sanger Institute, Imperial College London, de l'Université Harvard aux États-Unis et de leurs collaborateurs ont utilisé l'édition CRISPR Prime pour créer plusieurs versions de génomes humains dans les lignées cellulaires, chacune avec des changements structurels différents. En utilisant le séquençage du génome, ils ont pu analyser les effets génétiques de ces variations structurelles sur la survie cellulaire.
La recherche, publiée aujourd'hui (30 janvier) dans Sciencemontre que tant que les gènes essentiels restent intacts, nos génomes peuvent tolérer des changements structurels importants, y compris de grandes suppressions du code génétique. Le travail ouvre la porte à l'étude et à la prévision du rôle de la variation structurelle de la maladie.
La variation structurelle est un changement dans la structure du génome d'un organisme, telles que les suppressions, les duplications et les inversions de la séquence génétique. Ces changements structurels du génome peuvent être significatifs, affectant parfois des centaines à plusieurs milliers de nucléotides – les éléments constitutifs de base de l'ADN et de l'ARN.
Les variantes structurelles sont associées aux maladies du développement et au cancer. Cependant, notre capacité à étudier les effets de la variation structurelle des génomes des mammifères et le rôle qu'ils jouent dans la maladie ont été difficiles en raison de l'incapacité d'ingénierie ces changements génétiques.
Pour surmonter ce défi, les chercheurs du Sanger Institute et leurs collaborateurs ont décidé de développer de nouvelles approches pour créer et étudier les variations structurelles.
Dans une nouvelle étude, l'équipe a utilisé une combinaison d'édition CRISPR Prime et de lignées cellulaires humaines – des groupes de cellules humaines dans un plat – pour générer des milliers de variantes structurelles dans les génomes humains dans une seule expérience.
Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé l'édition Prime pour insérer une séquence de reconnaissance dans les génomes des lignées cellulaires humaines pour cibler avec la recombinase – une enzyme qui a permis à l'équipe de «remanier» le génome. En insérant ces poignées de recombinase en séquences répétitives, qui sont des centaines et des milliers de séquences identiques dans le génome, avec un seul éditeur de premier ordre, ils ont pu intégrer jusqu'à près de 1 700 sites de reconnaissance de recombinase dans chaque lignée cellulaire. Cela a entraîné plus de 100 changements structurels génétiques à grande échelle aléatoires par cellule. C'est la première fois qu'il est possible de «mélanger» un génome de mammifère, en particulier à cette échelle.
L'équipe a ensuite étudié les impacts de la variation structurelle sur les lignées cellulaires humaines. En utilisant le séquençage génomique, l'équipe a pu prendre des «instantanés» des cellules humaines et leurs génomes «mélangés» au cours de quelques semaines, en regardant quelles cellules ont survécu et qui sont mortes.
Comme prévu, ils ont constaté que lorsque la variation structurelle supprimait les gènes essentiels, cela a été fortement sélectionné contre et que les cellules sont mortes. Cependant, ils ont constaté que des groupes de cellules avec des suppressions à grande échelle dans les génomes qui ont évité les gènes essentiels ont survécu.
L'équipe a également effectué le séquençage d'ARN des lignées cellulaires humaines, qui mesure l'activité des gènes, connue sous le nom d'expression génique. Cela a révélé que les suppressions à grande échelle du code génétique, en particulier dans les régions non codantes, ne semblaient pas avoir un impact sur l'expression des gènes du reste de la cellule.
Les chercheurs suggèrent que les génomes humains sont extrêmement tolérants à la variation structurelle, y compris des variantes qui modifient la position de centaines de gènes, tant que les gènes essentiels ne sont pas supprimés4 =. De plus, ils interrogent si une grande partie de l'ADN non codant dans les génomes humains est dispensable, mais des recherches supplémentaires selon lesquelles des suppressions supplémentaires sur plus de lignées cellulaires sont nécessaires.
Dans un article connexe, également publié aujourd'hui dans ScienceLes chercheurs de l'Université de Washington avaient un objectif similaire de créer des variantes structurelles à grande échelle et d'étudier leurs effets sur le génome humain. Cette équipe a utilisé une approche différente, ajoutant des sites de recombinase aux transposons – des éléments génétiques mobiles – qui se sont intégrés au hasard dans les génomes des lignées cellulaires humaines et des cellules souches embryonnaires de souris.
En utilisant leur méthode, ils ont démontré que les effets des variantes structurelles induites peuvent être lues en utilisant le séquençage d'ARN unique. Cette avance ouvre la voie à de grands écrans d'impact de variantes structurelles, améliorant potentiellement la classification des variantes structurelles trouvées dans les génomes humains comme bénignes ou cliniquement significatifs. Les deux études sont parvenues à des conclusions similaires selon lesquelles les génomes humains sont étonnamment tolérants à certains changements structurels substantiels, bien que l'étendue complète de cette tolérance reste à explorer dans les études futures activées par ces technologies.
Dans l'ensemble, cette recherche présente les lignées cellulaires humaines les plus conçues à ce jour. Pour la première fois, les chercheurs sont capables de créer des variantes structurelles dans les génomes humains, à grande échelle dans une seule expérience, et analyser les nombreuses versions aléatoires de nos génomes.
Ce travail augmentera notre compréhension du rôle des variantes de structure dans la maladie, ce qui pourrait éventuellement conduire à des prédictions faites sur la façon dont les variantes structurelles dommageables pourraient être chez un individu. Cette recherche aide également à réduire la gamme du génome pour explorer la variation structurelle qui conduit à la maladie, surtout si l'ADN non codant peut être actualisé.
De plus, avec ce nouvel outil, les scientifiques peuvent générer de nouvelles lignées cellulaires rationalisées avec des propriétés évoluées, telles que l'optimisation pour la croissance, l'étude de la résistance aux médicaments ou le bio-ingénéré pour créer des médicaments.
Le Dr Jonas Koeppel, co-premier auteur précédemment au Wellcome Sanger Institute, et maintenant à l'Université de Washington, a déclaré: « Si le génome était un livre, vous pouviez penser à une variante de nucléotide unique comme une faute de frappe, tandis qu'une variante structurelle est comme déchirer une page entière. que personne n'a fait auparavant. maladie. »
Le Dr Raphael Ferreira, co-premier auteur et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de l'église de la Harvard Medical School, a déclaré: « Nos études n'ont été rendues possibles que parce que le bon mélange d'ingrédients s'est réunie au bon moment: l'ampleur du séquençage du génome, L'ingénierie du génome de pointe et l'utilisation de recombinases.
Le professeur Tom Ellis, auteur de l'étude et des professeurs associés au Wellcome Sanger Institute, basé au Département de bio-ingénierie de l'Imperial College de Londres, a déclaré: « Il y a dix ans, les gens pensaient que cela prendrait des décennies de travail et des centaines de millions de dollars Pour concevoir un génome humain réarrangeable que les scientifiques pourraient utiliser pour étudier la structure du génome, mais ce travail montre un moyen de rendre cela possible en ce moment.
Ces études représentent un changement de pas dans la création parallèle et l'évaluation de la variation structurelle des génomes humains. Les outils pour créer une variante unique à la fois étaient disponibles depuis des décennies, mais nous avons démontré que l'interrogation de variantes et la fabrication de génomes humains randomisés à grande échelle est désormais faisable. Cela donne de nouveaux points d'entrée à la fois dans l'étude de la variation associée à la maladie, ainsi que des opportunités de bio-ingénierie. «
Dr. Leopold Parts, co-dirigeant auteur, Wellcome Sanger Institute
