La recherche appliquant des techniques d'analyse unicellulaire et des comparaisons à une ressource d'atlas cellulaire a permis aux chercheurs de l'Institut Babraham de relier les défauts de développement observés causés par des processus de méthylation de l'ADN perturbés avec une compréhension des types de cellules affectés. Ce travail, publié dans Genome Biology , s'appuie sur des travaux antérieurs entrepris avec des collaborateurs pour établir un atlas cellulaire détaillé traçant le destin des cellules tout au long du développement précoce. Ce travail apporte de nouvelles connaissances importantes pour comprendre le rôle de la méthylation de l'ADN au cours de l'embryogenèse, aidant à déchiffrer les règles qui régissent l'apparition de différents types de cellules. Une compréhension de ces règles sera essentielle pour que les chercheurs puissent diriger avec précision et en toute sécurité le destin cellulaire afin de produire des types de cellules cliniquement pertinents pour la médecine régénérative.

Les recherches du Reik labat de l'Institut Babraham ont fait progresser notre compréhension du rôle de la méthylation de l'ADN au cours des premiers stades de développement. Les avancées technologiques dans ce domaine, offrant la possibilité de collecter des types de données parallèles à partir d'une seule cellule et l'existence de références d'atlas cellulaires et d'ensembles de données complets, révolutionnent ce que nous savons des processus qui déterminent le destin des cellules. L'élucidation des règles de formation des différents types de cellules a des applications en médecine régénérative ainsi que dans la compréhension des troubles du développement et des maladies.

L'effacement et la réintroduction de la méthylation de l'ADN sont connus pour être essentiels à l'établissement de l'identité cellulaire lors de la formation des tissus et des organes de l'embryon. La suppression des principales enzymes de méthylation chez la souris provoque de graves anomalies du développement et la létalité des embryons dans certains cas. Malgré l'importance de la méthylation de l'ADN dans le développement, les mécanismes sous-jacents de la façon dont cela est réalisé sont mal compris. Cela est dû aux limites des informations que les chercheurs pouvaient auparavant collecter pour comprendre les effets des changements dans les processus habituels de méthylation de l'ADN au cours du développement, qui se limitaient à l'analyse des défauts de développement, à l'imagerie des échantillons et à l'analyse limitée du génome à l'aide d'échantillons en vrac. Ces méthodes n'étaient pas suffisantes pour résoudre les effets au niveau des différents types de cellules.

À l'aide de souris chez lesquelles des enzymes de méthylation clés ont été supprimées, des chercheurs du laboratoire Reik du programme d'épigénétique de l'Institut ont effectué une analyse de l'expression génique unicellulaire au début du développement des organes, qui se produit au jour 8,5 après la fécondation. En utilisant la puissance des approches unicellulaires, les chercheurs ont pu suivre quels types de cellules étaient affectés, en termes d'incapacité à se former dans l'embryon de souris, suggérant les mécanismes à l'origine des effets observés à l'échelle de l'organisme entier.

La recherche a utilisé des souris génétiquement modifiées où deux groupes clés d'enzymes de méthylation ont été supprimés :des lignées de souris knock-out où les ADN méthyltransférases (DNMT 1, 3a et 3b) qui introduisent et maintiennent la méthylation de l'ADN ont été supprimées individuellement, et un système pour étudier les effets de une délétion combinée des trois enzymes TET (translocation dix-onze (TET) méthylcytosine dioxygénases) 1/2/3), qui provoquent une déméthylation.

Le Dr Stephen Clark, chercheur principal au laboratoire Reik lorsque cette recherche a été entreprise, a déclaré:«L'utilisation d'approches unicellulaires fournit vraiment la résolution dont nous avons besoin pour étudier les mécanismes de méthylation de l'ADN au cours du développement. L'image que nous avons pu s'accumuler confirme le rôle répressif de la méthylation de l'ADN à ce stade du développement, premièrement que le maintien d'une méthylation correcte de l'ADN est nécessaire pour supprimer les identités de types cellulaires passées et alternatives, et deuxièmement que la méthylation de l'ADN doit être supprimée de certaines parties du génome pour permettre à certaines cellules types à former."

Une technique appelée séquençage d'ARN unicellulaire a été utilisée pour mesurer l'expression génique à travers le génome de chaque lignée de souris. La comparaison de ces profils d'expression avec un jeu de données de référence a permis d'identifier tous les types cellulaires de l'embryon. Suite à cette étape, l'effet des perturbations de la méthylation sur le destin cellulaire pourrait être évalué en comparant la composition des embryons knock-out (où les enzymes de méthylation ont été supprimées) aux embryons de type sauvage au même stade de développement pour mettre en évidence les différences de type cellulaire. proportions.

Les chercheurs ont pu corréler les effets sur la formation du type cellulaire au jour 8,5 du développement qui correspondaient aux phénotypes observés et analyser les changements spécifiques au type cellulaire dans l'expression génique qui pourraient être liés à des défauts dans l'engagement du destin cellulaire.

Le Dr Ricard Argelaguet, ancien chercheur postdoctoral au laboratoire Reik de l'Institut et co-premier auteur de l'article, a déclaré :"La capacité d'avoir à la fois la perspective de l'organisme entier et la granularité de l'observation des changements dans les types de cellules et l'expression des gènes nous a permis de distinguer le rôle de la méthylation et de la déméthylation de l'ADN dans l'embryon en développement à ce moment particulier pour créer de nouvelles perspectives. Il sera tout aussi intéressant d'appliquer cette approche à des moments ultérieurs pour mieux comprendre le rôle de la méthylation de l'ADN au fur et à mesure du développement."

La recherche a créé une plate-forme de données interactive fournissant des lectures d'expression génique au niveau de la cellule unique à partir d'embryons de souris mutantes Dnmt et Tet.

Le professeur Wolf Reik, directeur de l'Altos Cambridge Institute of Science, qui a dirigé la recherche alors qu'il était chef de groupe dans le programme d'épigénétique de l'Institut Babraham, a déclaré :« Cette recherche fournit une riche ressource pour sonder le lien entre la méthylation de l'ADN et l'établissement de destin cellulaire. Cette recherche a bénéficié d'ensembles de données publiés et d'atlas de référence et nous espérons qu'à son tour, notre travail sera utile à d'autres chercheurs dans les domaines du développement et de l'épigénétique. + Explorer plus loin

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