Une équipe de scientifiques du Whitehead Institute et du Broad Institute du MIT et de Harvard a systématiquement évalué les fonctions de plus de 5 000 gènes humains essentiels à l’aide d’une nouvelle méthode de criblage basée sur l’imagerie, mise en commun. Leur analyse exploite CRISPR/Cas9 pour éliminer l’activité des gènes et constitue une ressource unique en son genre pour comprendre et visualiser la fonction des gènes dans un large éventail de processus cellulaires avec une résolution spatiale et temporelle.
Les conclusions de l’équipe, publiées dans la revue Cellulecouvrent plus de 31 millions de cellules individuelles et incluent des données quantitatives sur des centaines de paramètres différents qui permettent de prédire comment les gènes fonctionnent et fonctionnent ensemble.
« Pendant toute ma carrière, j’ai voulu voir ce qui se passe dans les cellules lorsque la fonction d’un gène essentiel est éliminée », a déclaré Iain Cheeseman, auteur principal de l’étude et membre du Whitehead Institute. « Maintenant, nous pouvons le faire, pas seulement pour un gène, mais pour chaque gène qui compte pour une cellule humaine se divisant dans un plat, et c’est extrêmement puissant. La ressource que nous avons créée bénéficiera non seulement à notre propre laboratoire, mais aux laboratoires autour le monde. »
Les gènes essentiels contrôlent les fonctions de base dont la cellule a besoin pour survivre (transcription, épissage de l’ARNm, traduction, trafic des vésicules, réplication de l’ADN, division cellulaire, etc.). La perturbation systématique de la fonction de ces gènes n’est pas un concept nouveau, mais les méthodes conventionnelles ont été limitées par divers facteurs, notamment le coût, la faisabilité et la capacité d’éliminer complètement l’activité des gènes essentiels.
Cheeseman, qui est également professeur de biologie Herman et Margaret Sokol au Massachusetts Institute of Technology (MIT), et ses collègues ont collaboré avec Paul Blainey et son équipe de Broad pour définir et réaliser cet objectif commun ambitieux. Les chercheurs de Broad ont été les pionniers d’une nouvelle technologie de dépistage génétique qui associe deux approches : des dépistages génétiques groupés à grande échelle utilisant CRISPR/Cas9 et l’imagerie des cellules pour révéler des différences quantitatives et qualitatives. De plus, la méthode est peu coûteuse par rapport à d’autres méthodes et est pratiquée à l’aide d’équipements disponibles dans le commerce.
« Nous sommes fiers de montrer l’incroyable résolution des processus cellulaires accessibles avec des tests d’imagerie à faible coût en partenariat avec le laboratoire d’Iain à l’Institut Whitehead », a déclaré Blainey, auteur principal de l’étude, membre de l’institut principal de Broad, associé professeur de génie biologique au MIT et membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research au MIT.
« Et il est clair que ce n’est que la pointe de l’iceberg pour notre approche. La capacité de relier les perturbations génétiques sur la base de lectures phénotypiques encore plus détaillées est impérative, et désormais accessible, pour de nombreux domaines de recherche à l’avenir. »
Cheeseman a ajouté : « La possibilité de faire un dépistage biologique de cellules regroupées change fondamentalement le jeu. Vous avez deux cellules assises l’une à côté de l’autre et donc votre capacité à faire des calculs statistiquement significatifs pour savoir si elles sont identiques ou non est tellement plus élevée, et vous pouvez discerner de très petites différences. »
Cheeseman, Blainey, les auteurs principaux Luke Funk et Kuan-Chung Su et leurs collègues ont évalué les fonctions de 5 072 gènes essentiels dans une lignée cellulaire humaine. Ils ont analysé quatre marqueurs à travers les cellules de leur écran – ADN ; la réponse aux dommages à l’ADN, une voie cellulaire clé qui détecte et répond à l’ADN endommagé ; et deux protéines structurelles importantes, l’actine et la tubuline.
En plus de leur dépistage principal, les scientifiques ont également effectué un dépistage de suivi plus petit axé sur quelque 200 gènes impliqués dans la division cellulaire (également appelée « mitose »). Les gènes ont été identifiés dans leur criblage initial comme jouant un rôle clair dans la mitose mais n’avaient pas été précédemment associés au processus. Ces données, qui sont mises à disposition via un site Web compagnon appelé Vesuvius, fournissent une ressource à d’autres scientifiques pour étudier les fonctions des gènes qui les intéressent.
« Nous avons collecté une énorme quantité d’informations sur ces cellules. Par exemple, pour le noyau des cellules, il ne s’agit pas seulement de sa couleur brillante, mais de sa taille, de sa rondeur, des bords lisses ou bosselés. ? » dit Cheeseman. « Un ordinateur peut vraiment extraire une mine d’informations spatiales. »
À partir de ces données riches et multidimensionnelles, les travaux des scientifiques fournissent une sorte d' »empreinte » biologique cellulaire pour chaque gène analysé dans le crible. À l’aide de stratégies de regroupement computationnelles sophistiquées, les chercheurs peuvent comparer ces empreintes digitales les unes aux autres et établir des relations régulatrices potentielles entre les gènes. Étant donné que les données de l’équipe confirment de multiples relations déjà connues, elles peuvent être utilisées pour faire des prédictions en toute confiance sur des gènes dont les fonctions et/ou les interactions avec d’autres gènes sont inconnues.
Il existe une multitude de découvertes notables à émerger des données de dépistage des chercheurs, dont une surprenante liée aux canaux ioniques. Deux gènes, AQP7 et ATP1A1, ont été identifiés pour leurs rôles dans la mitose, en particulier la ségrégation appropriée des chromosomes. Ces gènes codent pour des protéines liées à la membrane qui transportent les ions dans et hors de la cellule. « Pendant toutes les années où j’ai travaillé sur la mitose, je n’aurais jamais imaginé que les canaux ioniques étaient impliqués », a déclaré Cheeseman.
Il a ajouté : « Nous ne faisons qu’effleurer la surface de ce qui peut être découvert à partir de nos données. Nous espérons que beaucoup d’autres non seulement bénéficieront de cette ressource, mais aussi s’en inspireront. »
Plus d’information:
Luke Funk et al, Le paysage phénotypique des gènes humains essentiels, Cellule (2022). DOI : 10.1016/j.cell.2022.10.017