Les chercheurs de Weill Cornell Medicine et du New York Genome Center, en collaboration avec Oxford Nanopore Technologies, ont développé une nouvelle méthode pour évaluer à grande échelle la structure tridimensionnelle du génome humain, ou comment le génome se replie. Le génome est l’ensemble complet des instructions génétiques, ADN ou ARN, permettant à un organisme de fonctionner.
En utilisant cette méthode, les chercheurs ont démontré que la fonction cellulaire, y compris l’expression des gènes, peut être affectée par des groupes d’éléments régulateurs interagissant simultanément dans le génome plutôt que par des paires de ces composants. Leurs conclusions, publiées le 30 mai dans Biotechnologie naturellepeut aider à faire la lumière sur la relation entre la structure du génome et l’identité cellulaire.
« Connaître la structure tridimensionnelle du génome aidera les chercheurs à mieux comprendre comment le génome fonctionne, et en particulier comment il code différentes identités cellulaires », a déclaré l’auteur principal, le Dr Marcin Imieliński, professeur agrégé de pathologie et de médecine de laboratoire et de génomique computationnelle en biomédecine computationnelle à Weill Cornell Medicine et membre principal du New York Genome Center. « Les façons dont nous avons dû étudier la structure du génome nous ont donné des informations incroyables, mais il y a aussi eu des limites importantes », a-t-il déclaré.
Par exemple, la technologie précédente pour évaluer la structure tridimensionnelle du génome a permis aux chercheurs d’étudier la fréquence à laquelle deux locus, ou emplacements physiques sur le génome, interagissent les uns avec les autres. Traditionnellement, des paires de loci appelées activateurs et promoteurs – des composants du génome qui interagissent les uns avec les autres pour influencer l’expression des gènes – ont été observées.
Les informations sur ces appariements offrent un aperçu incomplet de la structure et de la fonction du génome. Par exemple, lier un modèle de repliement à la façon dont le génome code pour une identité cellulaire spécifique – comme un foie, un poumon ou une cellule épithéliale – a été difficile, a déclaré le Dr Imieliński, qui est également membre de l’Englander Institute for Precision Medicine et du Sandra et Edward Meyer Cancer Center à Weill Cornell Medicine. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que ce repliement influence l’expression des gènes. « Mais comment les types de cellules sont codés, en particulier dans la structure de l’ADN, est un mystère », a-t-il déclaré.
Le Dr Imieliński et son équipe de recherche, dont le premier auteur Aditya Deshpande, récemment diplômé du doctorat tri-institutionnel. Le programme de biologie computationnelle et de médecine travaillant dans le laboratoire du Dr Imieliński a développé un nouveau test et un algorithme à l’échelle du génome qui leur permet d’étudier des groupes de loci, pas seulement des paires.
Ils ont adapté une technologie traditionnelle, Hi-C (capture de la conformation de la chromatine), qui évalue un mélange d’ADN et de protéines pour analyser la structure tridimensionnelle du génome, au séquençage des nanopores ou au séquençage à haut débit de longs brins continus de molécules d’ADN. Le test résultant, que les chercheurs ont appelé Pore-C, leur a permis d’observer des dizaines de millions de groupements de locus tridimensionnels.
Ils ont également développé des méthodes statistiques pour déterminer quels groupes de locus étaient importants, selon qu’ils interagissaient de manière coopérative pour affecter l’expression des gènes. « De nombreuses interactions tridimensionnelles du génome ne sont pas importantes », a déclaré le Dr Imieliński. « Nos méthodes analytiques nous aident à hiérarchiser les interactions de groupe qui sont susceptibles d’avoir de l’importance pour la fonction du génome. » Comme découverte principale de l’étude, les chercheurs ont découvert que les groupements coopératifs les plus importants d’éléments d’ADN se produisaient autour de gènes associés à l’identité cellulaire.
Les futures expériences exploreront quels groupements spécifiques de composants génomiques sont essentiels pour divers aspects de l’identité cellulaire. La nouvelle technologie peut également aider les chercheurs à comprendre comment les cellules souches, les cellules maîtresses immatures du corps, se différencient en différents types de cellules.
De plus, les chercheurs pourraient mieux comprendre les anomalies des cellules cancéreuses. « À l’avenir, cette technologie pourrait être très utile pour comprendre comment les génomes des cellules cancéreuses sont réarrangés et comment ces réarrangements entraînent les identités cellulaires modifiées qui permettent aux cancers de se développer et de se propager », a déclaré le Dr Imieliński.
Aditya S. Deshpande et al, Identification des conformations synergiques de la chromatine 3D d’ordre élevé à partir du séquençage des concatémères de nanopores à l’échelle du génome, Biotechnologie naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41587-022-01289-z