Des chercheurs de l'Université de Kyushu ont révélé comment la distance spatiale entre des régions spécifiques de l'ADN est liée à des poussées d'activité génétique. À l’aide de techniques avancées d’imagerie cellulaire et de modélisation informatique, les chercheurs ont montré que le repliement et le mouvement de l’ADN, ainsi que l’accumulation de certaines protéines, changent selon qu’un gène est actif ou inactif. L'étude, publiée le 6 décembre dans Avancées scientifiquesdonne un aperçu du monde complexe de l'expression des gènes et pourrait conduire à de nouvelles techniques thérapeutiques pour les maladies causées par une régulation inappropriée de l'expression des gènes.
L'expression des gènes est un processus fondamental qui se produit au sein des cellules, avec deux phases principales : la transcription, où l'ADN est copié en ARN, et la traduction, où l'ARN est utilisé pour fabriquer des protéines. Pour que chaque cellule puisse remplir ses fonctions spécifiques dans le corps ou pour répondre à des conditions changeantes, la bonne quantité de protéine doit être produite au bon moment, ce qui signifie que les gènes doivent être soigneusement activés et désactivés.
Auparavant, on pensait que la transcription des gènes se produisait selon un processus continu et fluide. Mais grâce à une meilleure technologie permettant d’observer des cellules individuelles, les scientifiques savent désormais que la transcription se produit par rafales courtes et imprévisibles.
Un gène s’activera de manière aléatoire pendant quelques minutes et de grandes quantités d’ARN seront produites. Ensuite, le gène s’éteindra à nouveau soudainement. Cela se produit dans presque tous les gènes et dans tous les êtres vivants, des plantes aux animaux en passant par les bactéries. »
Professeur Hiroshi Ochiai, de l'Institut médical de biorégulation de l'Université de Kyushu et auteur principal de l'étude
Cette nature erratique et dynamique de la transcription, connue sous le nom d’éclatement transcriptionnel, est un mécanisme clé pour contrôler l’activité des gènes dans les cellules individuelles. C'est l'une des raisons pour lesquelles les cellules d'un même tissu ou d'un même environnement de culture présentent une variabilité dans leurs niveaux d'expression génique, ce qui est crucial pour des processus tels que le développement embryonnaire précoce et l'évolution du cancer. Cependant, les mécanismes exacts à l’origine de l’éclatement restent inconnus.
Dans cette étude, les chercheurs ont décidé d’examiner le rôle des séquences d’ADN connues sous le nom d’amplificateurs et de promoteurs, ainsi que l’impact de leur distance spatiale sur l’éclatement transcriptionnel. Le promoteur est généralement situé juste à côté du gène et c’est là que la protéine qui effectue la transcription s’attache à l’ADN. Les amplificateurs, en revanche, se trouvent souvent à plusieurs centaines de milliers de bases du gène, mais à mesure que les brins d'ADN se déplacent et se replient, les amplificateurs peuvent toujours se retrouver à proximité des gènes dans l'espace 3D, amplifiant ainsi l'activité des gènes.
« Nous pensons que les activateurs jouent un rôle crucial dans la raison pour laquelle la transcription se produit par poussées d'activité, mais jusqu'à présent, la recherche n'est pas claire », explique Ochiai.
Pour tester cette idée, Ochiai et son équipe ont utilisé une technique d'imagerie avancée appelée seq-DNA/RNA-IF-FISH, qui marque l'ADN, l'ARN et des protéines spécifiques avec des sondes fluorescentes. Cette technique à trois couches a permis aux chercheurs de capturer simultanément l’emplacement de l’ADN, de l’ARN et de protéines spécifiques dans l’espace 3D au sein de cellules souches embryonnaires de souris individuelles. Grâce à ces informations, l’équipe a pu déterminer si certains gènes étaient activés ou désactivés, voir comment les promoteurs et les activateurs interagissaient pendant les périodes d’activité et où les protéines s’accumulaient, avec un niveau de détail sans précédent.
A titre d'exemple, les chercheurs se sont concentrés sur un gène appelé Nanog, une longueur d'ADN de 770 000 bases sur le chromosome 6, qui possède un promoteur et trois régions amplificatrices et est connu pour subir une explosion transcriptionnelle dans les cellules souches embryonnaires de souris en culture.
Les chercheurs ont découvert que dans les cellules imagées où Nanog L'ARN était présent (ce qui signifiait que le gène était actif), l'amplificateur le plus éloigné était situé à proximité spatiale du Nanog gène. En revanche, lorsque Nanog était inactif, l’imagerie a montré que la même région amplificatrice était physiquement plus éloignée.
De plus, les scientifiques ont également découvert que les protéines impliquées dans la régulation de la transcription s'accumulaient également dans la zone autour des amplificateurs et des promoteurs lorsque Nanog était actif.
Pour mieux comprendre le mécanisme, Ochiai et son équipe ont utilisé la modélisation informatique pour simuler la manière dont les différentes parties de l'ADN interagissent et se déplacent à l'intérieur de la cellule, à la fois lorsque le Gène Nanog est actif et inactif.
Ils ont développé leur modèle en utilisant les données de leurs expériences d'imagerie pour créer une « carte » de la fréquence à laquelle différentes régions de l'ADN interagissent les unes avec les autres et comment l'ADN se replie dans l'espace. À l’aide de cette carte, le modèle a ensuite simulé la manière dont la chaîne d’ADN pourrait se déplacer de manière aléatoire.
Le modèle prédit que lorsqu’elle est à l’état actif, chaque région amplificatrice interagit pendant plus de deux fois plus longtemps avec les promoteurs que lorsque le gène est inactif.
Le modèle a montré que ces périodes d'interaction plus longues se produisaient en raison de la « friction » autour de l'ADN. En raison de l'accumulation de protéines et d'ARN lorsque Nanog était actif, le fluide est devenu plus visqueux et a provoqué un mouvement lent du brin d’ADN modélisé. Par conséquent, le gène a pu rester actif pendant des périodes plus longues. En revanche, l’ADN simulé se déplaçait plus rapidement lorsque Nanog était inactif, ce qui signifie que le promoteur et les activateurs n'ont pas eu le temps d'interagir.
« La modélisation suggère que l'éclatement est stabilisé grâce à ces boucles de renforcement », a conclu Ochiai. « Bien sûr, il ne s'agit que d'une simulation. La prochaine étape consiste à prouver que ce mécanisme se produit également dans les cellules. »
