Fonctions des gènes : la persistance et la plasticité dans la régulation des gènes mieux comprises

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Les organismes orchestrent les fonctions cellulaires par le biais d’interactions de facteurs de transcription (TF) avec leurs gènes cibles, bien que ces relations régulatrices soient largement inconnues chez la plupart des espèces. Une nouvelle étude du Joint Genome Institute (JGI) innove sur ce sujet en révélant comment les variations génétiques dans les séquences affectent les traits.


Dans un fichier texte, les rangées de lettres A, T, C et G apparaissant à plusieurs reprises dans un tableau vertigineux de combinaisons, sont banales, sauf peut-être pour l’absence de toutes les autres lettres de l’alphabet. Pourtant, la séquence spécifique de ces quatre lettres représente le code génétique d’un organisme, ou génome, qui sous-tend les caractéristiques et les fonctions physiques.

L’établissement de liens entre les structures et les fonctions des gènes codés dans la séquence du génome fait partie de la mission scientifique intégrative du Joint Genome Institute (JGI) du département américain de l’Énergie (DOE), une installation d’utilisateurs du DOE Office of Science située à Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).  Et l’un des outils que les chercheurs peuvent appliquer pour étudier les facteurs de transcription qui contrôlent la façon dont les gènes sont activés est connu sous le nom de séquençage de purification par affinité d’ADN ou DAP-seq. La technologie a été développée par Ronan O’Malley, qui dirige le Sequencing Technologies Group.

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DAP-seq permet aux chercheurs d’identifier tous les sites où les facteurs de transcription se lient rapidement et efficacement dans le génome en ajoutant des facteurs de transcription marqués à une banque d’ADN génomique. “C’est un moyen innovant de capturer rapidement l’emplacement de liaison de la plupart des facteurs de transcription d’une espèce”, a déclaré O’Malley. Un goulot d’étranglement dans le protocole DAP-seq, cependant, est la nécessité de purifier chaque facteur de transcription d’intérêt. Le co-auteur de l’article de Nature Methods, Lee, a réalisé le développement initial d’un flux de travail rationalisé qui réduit le temps et les coûts associés à cette étape de purification, et Baumgart a poursuivi et développé le travail connu sous le nom de biotine DAP-seq après avoir quitté le JGI.

“Biotin DAP-seq est une approche unique de purification rapide des protéines”, a déclaré O’Malley. “Il fournit les facteurs de transcription dont vous aurez besoin pour sonder ensuite l’ADN génomique pour les sites de liaison”. La technologie exprime les protéines du facteur de transcription à partir d’une matrice d’ADN amplifiée directement à partir d’ADN génomique ou d’ADN complémentaire (ADNc), réduisant le temps nécessaire pour produire un ensemble de données de plusieurs mois à plusieurs jours et réduisant de moitié le coût total du réactif.

Bien que la biotine DAP-seq puisse être utilisée seule, elle peut également servir de tremplin pour étudier de nombreux génomes simultanément via multiDAP, ce qui permet aux chercheurs de mener des analyses comparatives sur les génomes de plusieurs espèces en une seule expérience. “Effectivement, vous pouvez identifier des modèles de liaison conservés partagés entre les génomes de différentes espèces. Cela peut fournir des informations sur la façon dont ils orchestrent des ensembles de gènes pour exécuter des fonctions similaires. Il peut également identifier les cas où les facteurs de transcription ont été réutilisés au cours de l’évolution pour contrôler de nouvelles fonctions”, a déclaré O’Malley.

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“La combinaison des deux approches de Biotin DAP-seq et multiDAP permet la découverte à très haut débit de sites de liaison aux facteurs de transcription dans de nombreux génomes différents. Ces atlas des sites de liaison des facteurs de transcription peuvent vous aider à mieux comprendre les fonctions biologiques connues ainsi qu’à découvrir de nouvelles fonctions. Pour aider à stimuler la science des utilisateurs JGI, nous avons implémenté ces deux nouvelles méthodes en tant que capacité JGI à haut débit prise en charge par la robotique de gestion des liquides”.

Aide à stimuler la science des utilisateurs

DAP-Seq est déjà appliqué à un certain nombre de propositions approuvées, dont une dirigée par Laszlo Nagy, chercheur principal au Centre de recherche biologique de Szeged en Hongrie. Sa proposition approuvée par le biais du programme scientifique communautaire (CSP) du JGI se concentre sur un projet ENCODE comparatif fongique connu sous le nom de FUNCODE. “Nous avons remarqué il y a quelques années que les génomes fongiques ne manquent plus, mais leur interprétation fonctionnelle est aussi difficile qu’elle l’a été il y a 10 ans”, a-t-il déclaré. “Nous avons pensé à reconstruire les réseaux de régulation des gènes, à comprendre où les facteurs de transcription se lient dans le génome. Un aspect clé du projet consiste à comprendre quels TF et quels réseaux de régulation sont conservés à travers les champignons”.

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À l’aide de multiDAP-seq, l’équipe de Nagy compare cinq espèces fongiques pour répondre à des questions sur la façon dont elles décomposent les matières végétales, ce qui pourrait être utile pour la production industrielle de biocarburants et le développement multicellulaire. “DAP-Seq est la principale source d’informations du projet”, a ajouté Nagy. “Étant donné que le FUNCODE s’intéresse principalement à la liaison aux facteurs de transcription, nous nous appuyons beaucoup sur les résultats du DAP. Nous utilisons également RNA-Seq et diverses approches in silico pour reconstruire des réseaux de régulation génique”.

Pour en savoir plus sur la façon dont les chercheurs ont utilisé les capacités de JGI pour approfondir leurs recherches, regardez la série de webinaires JGI Engagement. Les lettres d’intention pour le prochain appel de propositions annuel du Programme scientifique communautaire sont attendues au printemps 2022.

Voir la publication

Baumgart, L.A., Lee, J.E., Salamov, A. et al. “Persistence and plasticity in bacterial gene regulation”. Nature Methods 18, 1499–1505 (2021).

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