Un entretien avec le Dr Amy Johnson, directeur commercial et technique chez Porvair Sciences, en association avec le Dr Lewis Francis, professeur associé à l'Université de Swansea.
Sommaire
Veuillez donner un aperçu de l'épigénétique et de l'importance d'étudier les facteurs qui ont un impact sur l'épigénétique humaine.
L’épigénétique fait référence aux changements ou modifications de la séquence génétique qui se produisent «autour», «par-dessus» ou «en plus» de la génétique traditionnelle. Plusieurs types de modifications épigénétiques pouvant survenir, y compris la méthylation de l'ADN, les modifications d'histones (acétylation, méthylation), le positionnement des nucléosomes et le silençage associé à l'ARN. Ces mécanismes épigénétiques bien caractérisés affectent la disponibilité des gènes à activer (activés ou désactivés), ce qui à son tour influe sur les modèles d'expression génique et les processus cellulaires importants.
Crédit d'image: Porvair Sciences
Les modèles de régulation épigénomique déterminent la croissance cellulaire et les mécanismes de différenciation impliqués dans le développement et la pathologie. De manière passionnante, les progrès technologiques permettent maintenant de déchiffrer des modèles à l'échelle du génome à partir de mesures multi-omiques, en découvrant des cartes de connectivité moléculaire complexes entre le génome et sa sortie fonctionnelle.
La cartographie de la dynamique d'accessibilité de la chromatine et de la structure de la chromatine d'ordre supérieur a permis de nouveaux niveaux de compréhension des décisions, de l'identité et de la fonction du destin cellulaire dans le développement normal, la physiologie et la maladie.
Comment un virus peut-il utiliser des cofacteurs épigénétiques pour déréguler les voies cellulaires et aider à contrôler son cycle de vie?
Il y a de plus en plus de preuves que les virus exploitent les processus épigénétiques afin de contrôler leurs cycles de vie. Le rôle que joue l'épigénétique dans la régulation des infections virales n'est pas encore complètement élucidé et la régulation épigénétique de l'expression des gènes viraux n'a commencé à émerger que récemment. La régulation épigénétique lors d'infections virales est généralement bidirectionnelle.
Le virus utilisera des facteurs cellulaires hôtes pour la transcription ou la réplication et des cofacteurs épigénétiques tels que les histone acétylases, désacétylases, méthylases et déméthylases pour contrôler son cycle de vie. Il a été démontré que les agents pathogènes viraux dérégulent épigénétiquement les voies cellulaires afin d'optimiser leur propre transcription ou réplication ou échapper à la réponse immunitaire innée des cellules.
Pour de nombreux types de virus, la persistance nucléaire dépend de la chromatisation du génome, où l'ADN du virus s'associe aux protéines histones centrales, formant des épisomes au cours d'une infection latente. L'intégration de virus tels que les rétrovirus et les lentivirus insère leur ADN dans les génomes de l'hôte, facilitant les associations d'histones de sorte que la chromatine virale soit alors soumise à des modifications d'histones. Cet épigénome viral, comme la machinerie de la cellule hôte, a un impact significatif sur l'expression et la réplication des gènes viraux.
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Une grande famille de virus, les papillomavirus humains contiennent un génome d'ADN circulaire double brin et son cycle de vie dépend de la différenciation terminale de la cellule cible au sein de l'épithélium – le kératinocyte.
Le cycle de vie du virus commence dans les épithéliums basaux, la chromatine virale étant maintenue dans un état épigénétiquement réprimé, stabilisée par des interactions de chromatine distale entre l'amplificateur viral et la région du gène précoce.
La migration du kératinocyte infecté vers la surface de l'épithélium induit une différenciation cellulaire qui perturbe la boucle de chromatine et stimule le remodelage épigénétique de la chromatine virale. Ces changements épigénétiques entraînent une transcription virale améliorée et une activation du promoteur tardif du virus facilitant la transcription des protéines de capside virales.
Quel impact cette dérégulation peut-elle avoir sur les cellules et les organes?
Les virus perturberont la biologie des cellules hôtes et les processus épigénétiques afin de favoriser leur propre réplication. Cela provoquera une instabilité dans les processus biologiques de l'hôte en perturbant des facteurs tels que la réplication et la transcription de l'ADN et peut inhiber les voies de la réponse immunitaire.
Il est important de noter que l'infection virale n'est pas synonyme de maladie, car de nombreuses infections virales sont subcliniques (c'est-à-dire asymptomatiques, inapparentes), tandis que d'autres entraînent une maladie de gravité variable qui s'accompagne généralement de signes cliniques caractéristiques chez l'hôte affecté. Un virus infectera leur hôte, se propagera puis endommagera les tissus cibles.
Avec une grande variété de stratégies pour assurer leur propre survie, il existe une gamme tout aussi diversifiée de maladies associées et de mécanismes pathogènes. Bien que les virus diffèrent considérablement dans leur virulence, même une population infectée par un seul virus montrera une hétérogénéité frappante dans les résultats de l'infection des animaux individuels, comme cela a été montré récemment. Cela peut d'une certaine manière s'expliquer par la grande variété d'impacts moléculaires et cellulaires.
L'infection est souvent associée à des changements dans la morphologie cellulaire, la physiologie et des événements biosynthétiques séquentiels – tous les changements nécessaires à une réplication efficace du virus. De l'arrondi cellulaire, de la fusion avec les cellules environnantes et de la formation de corps d'inclusion cytoplasmiques qui représentent les accumulations de composants viraux, les manifestations cellulaires entraînent souvent la mort de la cellule hôte.
Il a été démontré que la physiologie de la membrane cellulaire était significativement modifiée en termes de mouvements ioniques et / ou de cascades d'activation conduisant à des activités cellulaires modifiées centrées sur l'inflammation et le métabolisme. Comme indiqué ici, le ciblage cellulaire et nucléaire, parfois par des processus épigénomiques, inhibe souvent la synthèse macromoléculaire de la cellule hôte, y compris l'ADN, l'ARN et les protéines.
Des effets génotoxiques spécifiques ont également été rapportés avec une infection entraînant une rupture chromosomique, une fragmentation ou une aneuploïdie. La dérégulation de tels processus cellulaires et moléculaires centraux entraîne des modifications fonctionnelles importantes, une modification de la forme cellulaire, des caractéristiques de croissance, de l'ancrage ainsi que des propriétés antigéniques ou immunitaires. Dans certains cas, pour les virus tumoraux à ADN et à ARN, ils peuvent induire de multiples changements qui entraînent une transformation maligne.
Veuillez donner un aperçu de l'immunoprécipitation de la chromatine (ChIP).
ChIP est un outil puissant dans l'étude de l'épigénétique utilisé pour découvrir des associations de protéines spécifiques (modifiées et non modifiées) avec des régions génomiques définies. Dans un test ChIP, les complexes ADN-protéine sont immunoprécipités sélectivement en utilisant des anticorps correspondants et les fractions résultantes sont traitées pour séparer les composants ADN et protéines. 
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Un test ChIP de base se compose de 5 étapes clés
- Isolement de la chromatine
- Cisaillement de la chromatine
- Immunoprécipitation
- Réticulation inverse et purification de l'ADN
- Détection en aval
En utilisant un anticorps qui cible une régulation épigénétique spécifique au stade de l'immunoprécipitation et le qPCR ou le séquençage de nouvelle génération, permet aux chercheurs d'examiner le paysage épigénétique sur un seul gène ou dans tout le génome.
Comment la puce peut-elle être utilisée pour comprendre un virus et son impact sur nos systèmes épigénétiques?
L'épigénome peut différer d'un type de cellule à l'autre, et dans chaque cellule individuelle, il peut potentiellement moduler l'expression génique de plusieurs façons; en organisant l'architecture nucléaire des chromosomes, en inhibant ou en facilitant l'accès aux facteurs de transcription à l'ADN et en médiant l'expression génique.
Le déchiffrement de ces aspects multiformes de l'épigénome est essentiel pour comprendre à la fois les modèles d'expression génique spécifiques au type de cellule et comment l'infection virale corrompt et utilise les modèles épigénétiques des cellules hôtes.
ChIP et ChIP-seq permettent de déterminer la localisation des histones et des variants d'histones liés à la fonction virale aux côtés de la localisation de protéines d'intérêt telles que les facteurs de transcription de liaison à l'ADN et d'autres protéines complexes épigénétiques pour déchiffrer des processus de régulation complexes qui peuvent être détournés par le virus.
Comme le montre le SV40, une meilleure compréhension des mécanismes responsables de l'introduction et de la lecture des informations épigénétiques conduira à de nouveaux traitements pour les infections virales, dont beaucoup sont des pathogènes humains graves.
Caractériser les mécanismes qui sous-tendent chaque forme de régulation épigénétique et disséquer l'interaction complexe entre les séquences d'ADN viral peut identifier les protéines virales et les contributeurs cellulaires qui mèneront à de nouvelles cibles pour une intervention thérapeutique.
En bref, les tests ChIP peuvent localiser la manipulation épigénétique induite par le virus liée à des fonctions cellulaires importantes. En identifiant des complexes épigénétiques fonctionnels susceptibles de ciblage thérapeutique, les facteurs cellulaires qui interviennent dans la modification de la chromatine sont devenus une cible attractive pour une thérapie antivirale à large spectre, semblable aux progrès observés dans le contexte du VIH.
Quels sont les avantages et les limites de l'utilisation de la puce pour enquêter sur les virus?
Les avantages sont que les marques épigénétiques sont bien caractérisées et un large spectre d'excellents anticorps bien caractérisés. Les virus à ADN, en raison de leur petite taille, de leur facilité de manipulation génétique et des quantités relativement importantes de chromatine qui peuvent être obtenues par des infections, sont des cibles efficaces pour l'analyse de type ChIP-seq. Avec les approches NGS actuelles bien établies dans le pipeline, une résolution de base unique élevée peut être obtenue, ce qui permet d'identifier des altérations subtiles de la localisation des nucléosomes.
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Comme ChIP ne fournira des informations sur le paysage épigénétique qu'à un moment donné, une considération importante doit cependant être accordée à d'autres approches basées sur l'omique – à la fois sur l'ADN / ARN et sur les protéines pour contextualiser les modèles de niveau de chromatine observés avec les changements fonctionnels du gène expression.
Comment la puce a-t-elle été utilisée pour comprendre le nouveau coronavirus?
La régulation épigénétique a fait l'objet d'un intérêt intense en raison de sa capacité potentielle à maintenir une expression génique stable lorsque cela est nécessaire avec la flexibilité de répondre aux changements d'environnement.
Coronavirus Disease-2019 (COVID-19) maladie respiratoire causée par le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2), est un nouveau virus à ARN simple brin du Coronaviridae famille. La maladie peut être associée à des manifestations respiratoires graves, à une tempête de cytokines et à la mort.
L'émergence du Covid-19 et la variation de la progression de la maladie chez les personnes âgées, les personnes souffrant de problèmes de santé sous-jacents, mais aussi les personnes apparemment en bonne santé, est sans aucun doute une combinaison de plusieurs facteurs contributifs où l'épigénétique peut jouer un rôle important.
Dans les cas critiques de Covid-19, le système immunitaire a été activé et est entré en surmultiplication, ce qui a conduit le système immunitaire à attaquer les cellules saines du corps et finalement à la mort cellulaire et à la défaillance des organes. La régulation épigénétique différente des facteurs immunitaires tels que les cytokines pourrait être responsable de certains patients souffrant de symptômes plus extrêmes de Covid-19.
Une étude récente publiée par Sawalha et al., A montré une surexpression de ACE2 exacerbe le défaut de méthylation de l'ADN chez les patients atteints de lupus, ce qui les rend plus vulnérables aux complications respiratoires graves et à la mort. Ils déterminent que la dysrégulation épigénétique inhérente au lupus pourrait faciliter l'entrée virale, la virémie et une réponse immunitaire excessive au SRAS-CoV-2.
Comment les résultats de ChIP peuvent-ils aider les chercheurs à découvrir et à développer des traitements viraux thérapeutiques?
Il existe plusieurs stratégies de prise en charge clinique suggérées. Une fois que cette hypothèse est basée sur le lien entre les modifications épigénétiques médicamenteuses et la réponse immunitaire innée médiée par les INF. Les voies de l'IFN sont des voies de réponse antivirales clés induites précocement dans les infections par détection de surface cellulaire et activation transcriptionnelle de gènes stimulés par INF en tant qu'effecteurs antiviraux.
Dans d'autres virus tels que la grippe A, ces processus sont inactivés en utilisant des complexes de chromatine répressifs tels que le polycomb, qui médie H3k27me3 au niveau des promoteurs de gènes antiviraux. En étudiant ces liens dans COVID-19, nous pouvons identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques, en réutilisant des médicaments déjà en phase clinique avancée pour des présentations oncologiques par exemple.
Ceci est un exemple passionnant de la façon dont l'identification médiée par ChIP des modèles épigénomiques peut jouer un rôle dans le contrôle des mécanismes de réponse antivirale dans les cellules. Libérer ces marques nouvellement réprimées peut offrir de multiples approches thérapeutiques. Se référer au projet CEAT.
Veuillez donner un aperçu de la gamme de produits ChIP de Porvair Sciences et des fonctionnalités des kits ChIP qui aident les scientifiques à mener leurs recherches.
L'analyse épigénétique est complexe, et la puce ChIP est souvent considérée comme une technique difficile en raison de goulots d'étranglement en termes de vitesse et de débit. Contrairement aux tests ChIP standard à base de billes, Chromatrap® utilise un système unique basé sur un filtre pour la capture et l'enrichissement sélectif des protéines de liaison associées à l'ADN.
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En éliminant les billes (magnétiques et agarose) de notre technologie ChIP, nous avons pu développer un test ChIP qui est beaucoup plus facile, plus rapide, plus robuste et surtout plus sensible que les tests ChIP standard.
Offert à la fois dans un format de colonne de centrifugation et une plaque à 96 puits à haut débit, nous ciblons ces goulots d'étranglement en fournissant une puce plus facile, plus rapide et plus sensible. Le format à haut débit de Chromatrap ChIP en fait un système idéal pour les applications médicales personnalisées.
Quel est l'avenir de la puce et de l'étude de l'épigénétique virale?
La puce peut jouer un rôle important dans la compréhension du rôle de la régulation épigénétique dans le maintien des épisomes viraux grâce à la génération de chromatine, le contrôle temporel de la transcription à partir des gènes viraux au cours d'une infection, la régulation de la latence et le passage à une infection lytique, et la dérégulation globale de fonction cellulaire.
En comprenant les mécanismes par lesquels les agents pathogènes viraux manipulent la chromatine hôte, nous comprendrons de nouveaux aspects des virus omniprésents et nous éclairerons sur des aspects jusque-là inconnus de la biologie de la chromatine. Surtout, en étudiant les cartes moléculaires des marques d'histones associées à la chromatine ouverte et fermée, nous pouvons cibler les complexes enzymatiques recrutés par le virus. Celles-ci deviennent alors des cibles thérapeutiques, dans le but d'inverser les modifications épigénétiques du génome de l'hôte.
Le développement d'inhibiteurs spécifiques a un potentiel énorme pour de nouvelles classes d'antiviraux et de nouvelles approches prometteuses pour réduire ou éliminer les pools viraux latents. À l'heure actuelle, les systèmes modèles ont clairement démontré le potentiel de ces approches.
Cependant, des efforts concertés pour reconnaître et conduire ces approches de thérapies cliniques sont nécessaires, les progrès de la technologie ChIP étant utilisés pour suivre les marques cibles et les complexes enzymatiques et surveiller l'efficacité et le mécanisme thérapeutiques.
Comme il y a eu des progrès significatifs dans le développement d'inhibiteurs ou d'autres composés de modulation de la chromatine pour l'oncologie, les parallèles de la modulation de la chromatine dans les maladies virales doivent être clairement reconnus et pris en compte.
L'inflammation et le métabolisme sont des avenues passionnantes basées sur la régulation médiée par la chromatine de la réponse antivirale cellulaire et le contrôle de l'inflammation. La modulation de l'infection virale par la chromatine implique l'évaluation scientifique coordonnée des épigénomes de diverses familles virales.
Il est probable que les tests ChIP continueront à fournir des ensembles de données et des bases de données à l'échelle du génome, capturant l'état de la chromatine virale, permettant une meilleure compréhension des circuits de régulation supplémentaires en ce qui concerne les variances entre les états viraux, la dépendance du type cellulaire et les composants de modulation spécifiques. Des efforts intenses permettront alors d'identifier, de fabriquer ou de réutiliser une gamme de composés pour cibler ces composants de régulation et de reconnaissance de la chromatine en virologie.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d'informations?
https://www.chromatrap.com/
À propos du Dr Amy Johnson
Dr Amy Johnson dirige le développement commercial et technique de Porvair Sciences. Peu de temps après avoir obtenu son doctorat en neurosciences à l'Université de Swansea, le Dr Johnson a mis au point la technologie Chromatrap et la gamme de produits pour le marché de l'épigénétique. Avec un groupe de premier plan de scientifiques et d'ingénieurs, le Dr Johnson continue de se concentrer sur le développement de nouvelles technologies et solutions pour la préparation d'échantillons et les applications des sciences de la vie.
À propos du Dr Lewis Francis
Le Dr Francis est professeur agrégé à l'Université de Swansea et explore l'hétérogénéité cellulaire dans des micro-environnements tissulaires complexes. La recherche de Lewis vise à identifier des réseaux cellulaires et moléculaires distincts pour le ciblage thérapeutique, en se concentrant sur l’exploration de l’expression de biomarqueurs, des réseaux de régulation génique et des interactions cellule-matrice dans des espaces tissulaires de niche.
