Les chercheurs ont développé un pipeline informatique qui intègre et analyse l’imagerie unicellulaire, les données de microscopie et d’autres ensembles de données à l’échelle du génome. Ils ont appelé l’approche COLA (CO-localisation and Looping Analysis). COLA détecte les événements de boucle d'ADN dans les images de microscopie à super-résolution et les relie aux lectures d'activité mesurées dans le génome, comme la liaison à l'ARN polymérase.
À l’aide de COLA, l’équipe a étudié les événements en boucle sur quatre locus génomiques connus pour interagir à longue distance. Étonnamment, ils ont constaté que les boucles individuelles durent rarement plus de quelques minutes et que beaucoup sont très dynamiques et subissent un assemblage et un démontage rapides. Ces résultats remettent en question l’opinion dominante selon laquelle les contacts génomiques reflètent des structures chromatiniennes stables et persistantes qui maintiennent les programmes transcriptionnels. Au lieu de cela, l’équipe propose un modèle dans lequel les boucles sont transitoires et ne se forment que de manière transitoire en réponse à des signaux réglementaires spécifiques.
"Les boucles sont partout dans les cellules, mais elles sont beaucoup plus transitoires que quiconque ne l'avait imaginé auparavant", a déclaré le co-auteur principal Gene Yeo, PhD, professeur de médecine cellulaire et moléculaire et directeur du Centre de biologie de l'ARN à l'école UC San Diego. de Médecine. "Nos résultats renversent l'hypothèse selon laquelle ces boucles sont des caractéristiques câblées et impliquent que la formation des boucles est régulée de manière dynamique."
Les cellules doivent réguler étroitement la manière dont elles lisent les instructions de leur génome pour produire des produits fonctionnels, tels que des protéines qui remplissent diverses fonctions cellulaires. La façon dont les cellules emballent, arrangent et replient leur génome en trois dimensions joue un rôle essentiel dans la régulation des gènes. Ces principes organisationnels déterminent quels segments d'ADN sont accédés et interprétés par la machinerie cellulaire responsable de la lecture et de la transcription des gènes.
L’unité la plus fondamentale du repliement du génome implique la boucle, où des régions distantes de l’ADN entrent physiquement en contact les unes avec les autres pour aider à orchestrer l’expression des gènes. On pense que les boucles rassemblent les protéines qui pilotent l’expression des gènes, leur permettant d’interagir et de remplir efficacement leurs fonctions.
L'approche COLA permet aux chercheurs de visualiser simultanément des boucles et d'autres caractéristiques génomiques, capturant ainsi les relations spatiales et temporelles avec des détails sans précédent. "Nous disposons désormais d'une méthode qui peut directement corréler les changements dans l'occupation de l'ARN polymérase avec des changements de boucle spécifiques dans des cellules individuelles", a déclaré le co-premier auteur Michael Niculescu III, étudiant diplômé du Yeo Lab.
Les chercheurs affirment que leurs découvertes ont de vastes implications pour la compréhension de l’expression des gènes et de l’organisation du génome. Par exemple, ils suggèrent que la nature dynamique et fluctuante des boucles pourrait permettre aux cellules de répondre rapidement aux changements environnementaux ou aux signaux de développement. Dans le cas du cancer et des maladies neurodégénératives, cette flexibilité peut également permettre aux cellules de changer d’identité cellulaire et de reprogrammer les programmes d’expression génique.
"Nous pouvons désormais faire beaucoup de choses avec cet outil", a déclaré le co-premier auteur Matthew Huynh, chercheur postdoctoral au Yeo Lab. "Nous pouvons tester de nouvelles hypothèses et sonder les changements réglementaires associés aux maladies d'une manière que nous ne pouvions pas auparavant."
Les co-auteurs supplémentaires de cette étude sont :Yuzuru Kido, UC San Diego ; James McGinnis, Université de Californie à San Diego ; et Nicholas Ingolia, UC Berkeley.
Cette recherche a été financée en partie par les National Institutes of Health (R35 GM143669, T32 GM007240), la National Science Foundation (MCB-2110538), la Fondation Simons (540333) et le Ludwig Institute for Cancer Research.
