Des outils synthétiques transmettent des messages d’une station à l’autre dans l’ADN

Une équipe dirigée par le bio-ingénieur de Rice Isaac Hilton et l’étudiant diplômé Kaiyuan Wang a utilisé des protéines Cas9 (dCas9) désactivées pour cibler des segments clés du génome humain et déclencher synthétiquement la transcription de gènes humains.

En utilisant dCas9 pour recruter des protéines qui peuvent naturellement activer les gènes, l’équipe Rice a pu révéler des détails importants sur les promoteurs et les amplificateurs humains – les morceaux de notre ADN qui coordonnent quand et dans quelle mesure nos gènes sont activés – qui à son tour contrôle les comportements de nos cellules.

“Nous utilisons ces outils de biologie synthétique pour améliorer la capacité à concevoir l’expression des gènes et à programmer les cellules humaines, et par conséquent pour mieux comprendre le fonctionnement naturel de nos gènes”, a déclaré Hilton. “Ces types d’études sont importants car, à long terme, ces connaissances et ces capacités techniques peuvent permettre de meilleures thérapies géniques et cellulaires et des biotechnologies.”

Hilton a déclaré que l’étude de Nucleic Acids Research met en évidence le potentiel croissant des outils basés sur CRISPR-Cas9 pour le contrôle des gènes synthétiques et l’ingénierie cellulaire. La stratégie de l’équipe démontre également le pouvoir de dCas9 pour influencer et comprendre les facteurs épigénétiques qui animent le génome humain.

“Seulement environ 2% de notre génome contient des gènes codant pour des protéines, et les 98% restants sont de l’ADN dit non codant”, a déclaré Hilton. “Les activateurs et les promoteurs sont des éléments clés de nos génomes non codants et, bien que la grande majorité de ces éléments ne constituent pas des gènes conventionnels, il existe une variation génétique fascinante dans l’ADN non codant. Cette variation nous donne la magnifique diversité qui permet à notre espèce d’être à la fois étonnante et adaptable.

“Cependant, la variation génétique de l’ADN non codant est également fortement corrélée à de nombreuses maladies, et même des différences subtiles dans ces régions peuvent être liées à des pathologies”, a-t-il déclaré. “Un défi pressant est qu’il est souvent très difficile de déterminer comment ces différences influencent l’apparition de la maladie et les traitements.

“Notre objectif et notre espoir sont que des technologies et des approches comme les nôtres puissent aider les chercheurs à se rapprocher de l’établissement de ces liens importants et, en fin de compte, à prédire et à intervenir de manière réfléchie dans la maladie”, a déclaré Hilton.

En activant synthétiquement l’ADN non codant, les chercheurs ont démontré comment les promoteurs – de courtes séquences d’ADN qui marquent les sites de départ des gènes – et les activateurs peuvent communiquer. Remarquablement, les activateurs peuvent être à des milliers de paires de bases de leurs promoteurs mais peuvent stimuler la transcription génique en recrutant des protéines activatrices et en formant des contacts physiques directs avec les promoteurs associés.

“Les activateurs peuvent aussi parfois créer des transcriptions mystérieuses appelées ARN activateurs (ARNe)”, a déclaré Hilton. “Kai a montré que les technologies CRISPR peuvent être utilisées pour activer ces ARNe, et que dans certains cas, cela favorise un type de suivi génomique, dans lequel un activateur peut être traîné le long de l’ADN pour s’engager avec des promoteurs en aval.

“Il semble également qu’en cours de route, des informations transcriptionnelles et épigénétiques vitales puissent être déposées”, a-t-il déclaré. “Il est passionnant de supposer que ces informations pourraient servir comme une sorte de mise en signet de l’expression génique qui renforce les cycles de transcription ultérieurs dans un type de rétroaction épigénétique positive.”

Leur stratégie a révélé que les activateurs et les promoteurs peuvent avoir une “réciprocité intrinsèque”. Alors qu’ils savaient que des signaux peuvent être transmis d’un amplificateur à un promoteur, ils ont appris que cette transmission peut également aller dans l’autre sens.

“Nous voyons une régulation passer d’un promoteur à un amplificateur en amont”, a déclaré Wang. “Mécaniquement, c’est considéré comme non canonique et donc plutôt surprenant.”

Ils ont également découvert que les activateurs CRISPR peuvent augmenter la fréquence des contacts physiques entre les activateurs et les promoteurs, mais uniquement lorsqu’ils sont ciblés sur un activateur, ce qui suggère une sorte de voie à sens unique pour augmenter les contacts physiques.

“Nous savons maintenant que ces morceaux d’ADN peuvent envoyer des messages dans les deux sens, mais qu’il semble y avoir un aspect significatif de la directionnalité pour le contact physique”, a déclaré Hilton. “Il y a certainement de la réciprocité, mais il semble que le mode de régulation prédominant ici soit celui dans lequel un activateur suit un ou plusieurs promoteurs correspondants.”

Les chercheurs ont déclaré que leur étude n’était possible que grâce aux progrès de CRISPR-Cas9. “Sans ces outils de ciblage génomique, nous aurions dû utiliser d’autres méthodes de synthèse plus invasives et perturbatrices, comme l’élimination ou la modification génétique d’un élément régulateur”, a déclaré Wang. “Nos approches ici facilitent le détournement épigénétique ou la réutilisation des mécanismes cellulaires natifs pour comprendre et concevoir avec précision comment les gènes sont contrôlés.”

Les co-auteurs de l’article incluent les chercheurs postdoctoraux de Rice Jing Li et Barun Mahata, les étudiants diplômés Mario Escobar et Jacob Goell, et les étudiants de premier cycle Spencer Shah et Madeleine Cluck. Hilton est professeur adjoint de bioingénierie et de biosciences, et boursier CPRIT en recherche sur le cancer.

L’Institut de prévention et de recherche sur le cancer du Texas (RR170030) et les National Institutes of Health (R35GM143532) ont soutenu la recherche.