L’interaction complexe de l’expression des gènes au sein des cellules vivantes s’apparente à une symphonie bien orchestrée, chaque gène jouant son rôle en parfaite harmonie pour garantir le fonctionnement des cellules comme elles le devraient. Au cœur de cette symphonie se trouvent les facteurs de transcription (TF), des maestros moléculaires qui régulent l’expression des gènes en se liant à des séquences d’ADN spécifiques appelées promoteurs.
Percer les secrets de ces réseaux de régulation à l’échelle du génome nécessite une collection complète de profils d’expression génique, mais mesurer les réponses d’expression génique pour chaque paire TF et promoteur a posé un défi formidable en raison du grand nombre de combinaisons potentielles, même dans des organismes relativement simples tels que comme des bactéries.
Pour relever ce défi, les chercheurs dirigés par Fuzhong Zhang, professeur de génie énergétique, environnemental et chimique à la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à Saint-Louis, ont développé une technique appelée réponses groupées du promoteur au séquençage des perturbations TF (PPTP-seq).
PPTP-seq intègre l’édition génique CRISPR avec une bibliothèque combinatoire contenant tous les TF connus dans le génome cible et les promoteurs correspondants. Cette technique révolutionnaire permet aux scientifiques d’examiner la régulation des gènes par des centaines de TF agissant sur des milliers de promoteurs au cours d’une seule expérience, qui prend environ deux semaines et produit des données facilement exploitables.
Dans une étude publié en ligne le 16 septembre dans Communications naturellesle premier auteur Yichao Han, qui a obtenu un doctorat en génie environnemental en 2023 alors qu’il travaillait dans le laboratoire de Zhang, a utilisé PPTP-seq pour explorer systématiquement l’activité de 1 372 promoteurs d’E. coli lorsqu’ils sont soumis à une perturbation de chacun des 183 TF.
Cette seule expérience a fourni un aperçu de plus de 200 000 interactions potentielles entre promoteurs TF, dressant un tableau complet du paysage réglementaire d’E. coli, révélant de nouvelles réponses réglementaires et ouvrant la voie à une future exploration génétique.
« En tant qu’outil de biologie synthétique, PPTP-seq permet une étude à haut débit de la régulation génétique », a déclaré Zhang. « L’outil le plus couramment utilisé pour étudier la régulation des gènes, RNA-seq, peut révéler environ 4 000 réponses de gènes régulateurs. PPTP-seq a multiplié par 50 ce nombre, révélant 200 000 réponses de gènes régulateurs à partir d’une seule expérience. Grâce à ce nouveau puissant outil, nous avons pu fournir un réseau de régulation complet pour E. coli à l’échelle du génome.
En plus de fournir beaucoup plus de données, PPTP-seq peut également capturer les nuances complexes de la régulation génique dans différents contextes cellulaires. En soumettant E. coli à différents milieux de croissance, les chercheurs ont découvert des activités complexes de promoteurs et une régulation génétique, offrant ainsi un aperçu de l’adaptabilité de ces micro-organismes.
« Même de simples bactéries possèdent plus de 4 000 gènes », a déclaré Han, qui est maintenant chercheur au Pacific Northwest National Laboratory. « Les TF contrôlent les niveaux d’expression des gènes, en activant et désactivant les gènes en réponse à des stimuli environnementaux. Cependant, ces contrôles ne sont pas toujours directs. Les effets en aval de l’activation d’un TF pourraient impliquer plusieurs TF et gènes. »
Han a observé que la régulation génique n’est pas un phénomène unique, mais plutôt un processus finement réglé dépendant de signaux environnementaux. Le réseau de régulation génétique étant complexe, les outils antérieurs permettant de l’étudier se sont révélés coûteux en termes de temps et d’efforts. Grâce à sa capacité à perturber avec précision les TF individuels à l’aide de CRISPR et à enregistrer les effets en aval pour toutes les combinaisons de TF et de promoteurs, PPTP-seq révèle comment différents promoteurs réagissent dans différentes conditions, soulignant la nature dynamique de l’expression des gènes, même dans des organismes simples.
« En fin de compte, PPTP-seq nous permet de réaliser des études de biologie systémique avec une efficacité bien plus grande, 50 fois supérieure aux approches actuelles », a déclaré Zhang. « Notre travail a révélé un réseau complet de réponses réglementaires chez les bactéries, avec de nombreuses réponses jusqu’alors inconnues. »
Cette compréhension plus approfondie de la régulation cellulaire pourrait avoir des implications considérables dans des domaines tels que la biotechnologie et la médecine. Han a spécifiquement souligné les applications potentielles dans la biofabrication, où les réponses en aval récemment découvertes pourraient être exploitées pour programmer les bactéries afin qu’elles produisent les matériaux souhaités, même dans des conditions non idéales. Au-delà des bactéries, PPTP-seq pourrait éventuellement être utilisé pour étudier des cellules plus complexes, notamment des cellules animales.
« Un grand avantage de la technologie PPTP-seq est que nous étudions l’ensemble du réseau de régulation génique en une seule fois, vérifiant uniformément toutes les interactions dans diverses conditions, afin que nous puissions faire des comparaisons directes », a déclaré Han. « À l’heure actuelle, il s’agit d’une science fondamentale. Nous considérons E. coli comme un organisme modèle car il est déjà bien étudié, mais nous avons encore découvert de nouvelles choses à son sujet. Cela suggère qu’il y aura encore plus à apprendre à mesure que nous nous développons dans ce domaine. d’autres cellules et applications. »
Plus d’information:
Yichao Han et al, Les réponses des promoteurs à l’échelle du génome aux perturbations CRISPR des régulateurs révèlent des réseaux de régulation chez Escherichia coli, Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-41572-4