En utilisant de nouvelles technologies pour étudier simultanément des milliers de gènes dans les cellules immunitaires, des chercheurs des instituts Gladstone, de l’UC San Francisco (UCSF) et de la Stanford School of Medicine ont créé la carte la plus détaillée à ce jour sur la façon dont les réseaux complexes de gènes fonctionnent ensemble. Les nouvelles connaissances sur la façon dont ces gènes sont liés les uns aux autres mettent en lumière à la fois les moteurs fondamentaux de la fonction des cellules immunitaires et les maladies immunitaires.
« Ces résultats nous aident à étoffer une carte de réseau systématique qui peut servir de manuel d’instructions sur le fonctionnement des cellules immunitaires humaines et sur la façon dont nous pouvons les concevoir à notre avantage », déclare Alex Marson, MD, PhD, directeur de l’Institut Gladstone-UCSF. of Genomic Immunology et co-auteur principal de la nouvelle étude, publiée dans Génétique naturelle.
L’étude, menée en collaboration avec Jonathan Pritchard, PhD, professeur de génétique et de biologie à la Stanford School of Medicine, est également essentielle pour mieux comprendre comment les variations des gènes d’une personne sont liées à son risque de maladie auto-immune.
Aperçus immunitaires de CRISPR
Les chercheurs savent que lorsque les lymphocytes T du système immunitaire ; les globules blancs qui peuvent combattre les infections et le cancer ; deviennent activés, les niveaux de milliers de protéines dans les cellules changent. Ils savent également que de nombreuses protéines sont interconnectées de sorte que des changements dans le niveau d’une protéine peuvent entraîner des changements dans le niveau d’une autre.
Les scientifiques représentent ces connexions entre les protéines et les gènes comme des réseaux qui ressemblent un peu à une carte du métro. La cartographie de ces réseaux est importante car ils peuvent aider à expliquer pourquoi des mutations dans deux gènes immunitaires différents peuvent conduire à la même maladie, ou comment un médicament peut avoir un impact sur de nombreuses protéines immunitaires à la fois.
Dans le passé, les scientifiques ont cartographié une partie de ces réseaux en supprimant le gène de chaque protéine, un à la fois, et en étudiant l’impact sur d’autres gènes et protéines, ainsi que sur la fonction globale des cellules immunitaires. Mais ce type d’approche « en aval » ne révèle que la moitié de l’image.
« Nous voulions vraiment examiner ce qui contrôle les gènes immunitaires clés », déclare Jacob Freimer, PhD, boursier postdoctoral dans les laboratoires Marson et Pritchard, et premier auteur du nouvel article. « Ce type d’approche en amont n’avait jamais été fait auparavant dans des cellules humaines primaires. »
Cette approche en amont reviendrait à cartographier les itinéraires du métro en identifiant d’abord les principaux hubs, puis en déterminant les itinéraires vers ces stations clés, plutôt qu’en reconstruisant minutieusement l’ensemble du réseau à partir de stations satellites disparates.
Freimer et ses collaborateurs se sont tournés vers le système d’édition de gènes CRISPR-Cas9, qui leur a permis de perturber des milliers de gènes à la fois. Ils se sont concentrés sur les gènes qui fabriquent un type de protéines appelées facteurs de transcription. Les facteurs de transcription sont les interrupteurs qui activent ou désactivent d’autres gènes et peuvent contrôler plusieurs gènes à la fois. Les scientifiques ont ensuite étudié l’impact de la perturbation de ces facteurs de transcription sur trois gènes immunitaires connus pour jouer un rôle important dans la fonction des lymphocytes T : IL2RA, IL-2 et CTLA4. Ces trois gènes étaient des plaques tournantes qui ont ancré les efforts de cartographie en amont.
Cela nous a permis de passer en revue plus d’un millier de facteurs de transcription et de voir lesquels ont un impact sur ces gènes immunitaires. »
Jacob Freimer, PhD, premier auteur
Un réseau interconnecté
Les chercheurs soupçonnaient qu’ils trouveraient des connexions entre les gènes régulant IL2RA, IL-2 et CTLA, mais ils ont été surpris par l’étendue de la connectivité qu’ils ont découverte. Parmi les 117 régulateurs trouvés pour contrôler les niveaux d’au moins un des trois gènes, 39 contrôlaient deux des trois, et 10 régulateurs modifiaient simultanément les niveaux des trois gènes.
Pour aider à remplir encore plus la carte des gènes immunitaires, l’équipe a ensuite adopté une approche en aval plus traditionnelle, en supprimant 24 des régulateurs identifiés des cellules T pour afficher la liste complète des gènes qu’ils régulent ; autres que IL2RA, IL-2 et CTLA4.
Les chercheurs ont montré que de nombreux régulateurs se contrôlaient mutuellement. Le facteur de transcription IRF4, par exemple, altérait l’activité de 9 autres régulateurs et était lui-même régulé par 15 autres régulateurs ; tous les 24 niveaux contrôlés d’IL2RA. Dans d’autres cas, les régulateurs étaient eux-mêmes régulés par IL2RA, dans ce que l’on appelle des « boucles de rétroaction ».
Comme dans un réseau de métro dense, chaque hub était connecté à de nombreux autres, et les connexions fonctionnaient dans les deux sens.
« Il y avait des cas où un facteur de transcription régulait IL2RA, mais IIL2RA lui-même contrôlait également ce même facteur de transcription », explique Freimer. « Il semble que ces types de boucles de rétroaction et de réseaux de réglementation soient beaucoup plus interconnectés que nous ne le pensions auparavant. »
Retour aux patients
Parmi la liste complète des gènes contrôlés par les régulateurs étudiés, l’équipe de recherche a trouvé un nombre élevé de gènes déjà liés à des maladies immunitaires, notamment la sclérose en plaques, le lupus et la polyarthrite rhumatoïde.
La nouvelle carte a permis de révéler comment les changements génétiques associés à ces maladies peuvent apparaître dans différents gènes mais, en raison des connexions régulatrices entre les gènes, finissent par avoir le même effet net sur les cellules. Il indique également des groupes clés de gènes qui pourraient être ciblés par des médicaments pour traiter les maladies immunitaires. L’étude suggère qu’il existe un réseau central de gènes importants, et lorsque ce réseau est perturbé, cela peut augmenter le risque de maladie d’une personne.
« Lorsque nous comprenons la manière dont ces réseaux et voies sont connectés, cela commence à nous aider à comprendre les collections clés de gènes qui doivent fonctionner correctement pour prévenir les maladies du système immunitaire », explique Marson.
