Les scientifiques de Salk développent une technique pour révéler
caractéristiques épigénétiques des cellules du cerveau

Les scientifiques de Salk développent une technique pour révéler les caractéristiques épigénétiques des cellules du cerveau

L'approche permet l'étude simultanée de deux niveaux de régulation des gènes dans des cellules individuelles, ce qui peut aider à clarifier comment les variations génétiques contribuent à la maladie humaine

LA JOLLA—Le cortex préfrontal du cerveau, qui nous donne la capacité de résoudre des problèmes et de planifier à l'avance, contient des milliards de cellules. Mais comprendre la grande diversité des types de cellules dans cette région critique, chacune avec des propriétés génétiques et moléculaires uniques, a été difficile.

Les scientifiques savent qu'une grande partie de cette diversité résulte de l'épigénétique (comme les étiquettes chimiques sur l'ADN) ainsi que de la façon dont les caractéristiques épigénétiques se replient finalement dans les chromosomes pour affecter la façon dont les gènes sont exprimés.

Maintenant, les chercheurs de Salk ont ​​développé une méthode pour analyser simultanément comment les chromosomes, ainsi que leurs caractéristiques épigénétiques, sont compactés à l'intérieur de cellules cérébrales humaines uniques. Une équipe collaborative de scientifiques des laboratoires Ecker et Dixon a combiné deux techniques d'analyse différentes en une seule méthode, ce qui leur a permis d'identifier les éléments de régulation des gènes dans des types de cellules distincts. L'ouvrage, publié en Nature Methods le 9 septembre 2019, ouvre la voie à une nouvelle compréhension de la façon dont certaines cellules se dérèglent pour provoquer des maladies.

"Nous avons adopté cette nouvelle et meilleure approche pour analyser les génomes de cellules individuelles et l'avons appliquée à des tissus cérébraux sains", déclare le professeur Salk et chercheur à l'Institut médical Howard Hughes. Joseph Ecker, responsable du laboratoire d'analyse génomique et co-auteur correspondant de l'article. "La prochaine étape consiste à comparer les tissus normaux et malades."

La façon dont l'ADN est emballé dans des structures appelées chromosomes dans le noyau d'une cellule peut jouer un rôle essentiel dans la fonction cellulaire. Et la façon dont l'ADN est finalement replié dépend des sections d'ADN qui doivent interagir les unes avec les autres et de celles qui doivent être facilement accessibles à la machinerie cellulaire. La structure des chromosomes agit comme une sorte d'empreinte cellulaire : bien que différents types de cellules aient la même séquence d'ADN, ils ont des structures chromosomiques différentes pour organiser cet ADN.

Dans le même temps, des modifications chimiques (épigénétiques) de l'ADN lui-même, telles que l'ajout de groupes méthyle à un brin d'ADN, contrôlent également le moment et les niveaux d'expression des gènes. Lorsqu'un groupe méthyle est collé sur un morceau d'ADN, un gène est généralement empêché de s'exprimer.

Dans le passé, les chercheurs ont dû utiliser des méthodes distinctes pour déterminer les structures chromosomiques et les schémas de méthylation des cellules individuelles. En juillet, par exemple, l'équipe d'Ecker a annoncé qu'elle avait développé un nouvel outil qui pourrait différencier les types de cellules en se basant uniquement sur la structure des chromosomes. Et en 2017, ils cellules cérébrales de souris et humaines triées en fonction de leurs schémas de méthylation.

Cependant, lorsqu'ils effectuent les expériences séparément, les chercheurs ne peuvent pas déterminer comment la structure des chromosomes et les schémas de méthylation pourraient être liés. Il n'a pas été clair si chaque sous-ensemble de structures chromosomiques correspond à un sous-ensemble de modèles de méthylation. Ou si les deux ensembles de données, lorsqu'ils sont combinés, révèlent des sous-types de cellules plus nuancés.

Dans leur nouvelle méthode, appelée séquençage du méthyle-3C à noyau unique (sn-m3C-seq), l'équipe de Salk "double dips" de chaque cellule unique, collectant des données sur la structure des chromosomes et la méthylation en même temps. Alors que faire le processus manuellement serait lent et fastidieux, l'équipe a automatisé sn-m3C-seq, leur permettant d'étudier facilement des milliers de cellules. Le développement de nouvelles approches pour gérer les cellules, couplé à de nouvelles méthodes de calcul pour gérer les données, a permis cette nouvelle technique.

L'équipe affirme que le développement d'une méthode qui examine ces caractéristiques dans des cellules individuelles permet aux scientifiques d'utiliser certaines "astuces analytiques" pour étudier directement des échantillons de tissus et résoudre la structure des chromosomes et la méthylation de l'ADN dans tous les différents types de cellules du tissu. "Nous savons que ces fonctionnalités peuvent varier considérablement d'un type de cellule à l'autre et qu'il est utile d'avoir les deux types d'informations ensemble à partir des mêmes cellules", déclare Jesse Dixon, un boursier Helmsley-Salk et auteur co-correspondant. "Cela ouvre vraiment notre capacité à comprendre quelles séquences régulatrices affectent quels gènes dans une grande variété de types de cellules et de tissus."

Savoir quelles séquences régulatrices régulent quels gènes a des implications importantes pour comprendre comment les variations génétiques peuvent contribuer à la maladie humaine. Par exemple, une grande partie de la variation génétique qui contribue aux maladies cérébrales humaines courantes telles que la schizophrénie et la dépression, ainsi qu'aux maladies non cérébrales telles que les maladies cardiaques, se situe dans des régions de notre génome éloignées des gènes. Les chercheurs affirment qu'en étudiant le repliement des chromosomes dans les tissus humains réels et en résolvant des types de cellules distincts, ces méthodes pourraient leur permettre de lier des variants génétiques pathogènes aux gènes qu'ils régulent, ce qui pourrait leur en dire plus sur les raisons pour lesquelles certains variants contribuent aux maladies et offrir des idées sur la meilleure façon de les traiter.

Pour tester sn-m3C-seq, Ecker, Dixon et ses collègues ont appliqué la méthode à plus de 4,200 XNUMX cellules du cortex préfrontal du cerveau humain. Alors que l'utilisation des données de la structure chromosomique ne permettait que la séparation brute des neurones des non-neurones, la combinaison des approches a permis aux chercheurs d'identifier les éléments régulateurs des gènes dans des types cellulaires distincts, puis d'étudier plus avant les structures chromosomiques présentes dans chaque type cellulaire.

De plus, l'équipe a remarqué des relations entre les deux niveaux de réglementation qu'ils prévoient d'étudier davantage à l'avenir. Maintenant que la méthode est établie, ils aimeraient commencer à l'appliquer à plus de types de tissus sains et malades.

Un élément essentiel de cet effort sera une subvention de quatre millions de dollars que Dixon et Ecker ont reçue de l'Institut national de recherche sur le génome des National Institutes of Health le 6 septembre 2019, ce qui facilitera grandement leurs études sur la régulation des gènes dans les tissus humains et les maladies telles que cancer.

Les co-premiers auteurs de l'article étaient Dong-Sung Lee, Chongyuan Luo et Jingtian Zhou, tous de l'Institut Salk. Les autres auteurs étaient Sahaana Chandran, Angeline Rivkin, Anna Bartlett, Joseph Nery, Conor Fitzpatrick et Carolyn O'Connor, également de Salk.

Le travail et les chercheurs impliqués ont été soutenus par le Howard Hughes Medical Institute, des subventions des National Institutes of Health, le Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust et le Salk Institute Innovation Research Fund.

DOI: 10.1038 / s41592-019-0547-z