Empreinte génomique à l’échelle de la cellule unique et de la molécule unique des facteurs de transcription avec la déaminase

Contexte académique

Chez les humains et autres mammifères, bien que chaque cellule somatique possède essentiellement le même génome, les fonctions des différents types de cellules varient considérablement. Ces différences sont principalement déterminées par la liaison des facteurs de transcription (Transcription Factors, TFs) aux régions régulatrices des gènes, les TFs contrôlant le processus de transcription de l’ADN en ARN pour réguler l’expression génique. Comprendre comment les TFs se lient au génome est une question centrale dans l’étude de la génomique fonctionnelle. Cependant, les méthodes de recherche existantes présentent certaines limites. Les approches traditionnelles “ascendantes” (comme les structures à résolution atomique et l’imagerie à molécule unique) et “descendantes” (comme la génétique classique et la biologie moléculaire) ont fourni de nombreuses informations précieuses, mais elles ne peuvent pas révéler de manière exhaustive les modes de liaison des TFs à l’échelle de la cellule unique et de la molécule unique.

Pour surmonter ces limitations, cette étude a développé une nouvelle technique appelée “Empreinte avec la déaminase” (Footprinting with Deaminase, FOODIE), qui permet de détecter avec précision les sites de liaison des TFs à l’échelle du génome entier, au niveau de la cellule unique et de la molécule unique. Cette technique peut non seulement révéler les sites de liaison des TFs, mais aussi détecter les interactions coopératives entre TFs adjacents, offrant ainsi une nouvelle perspective pour comprendre les réseaux de régulation génique.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Runsheng He, Wenyang Dong, Zhi Wang et d’autres membres de l’équipe de recherche du Changping Laboratory, de l’Université de Pékin et d’autres institutions, et a été publié le 17 décembre 2024 dans la revue PNAS. L’auteur correspondant est Xiaoliang Sunney Xie, dont l’équipe possède une expertise approfondie dans les domaines de la génomique à molécule unique et de la régulation transcriptionnelle.

Processus de recherche

1. Développement et optimisation de la technique FOODIE

L’idée centrale de la technique FOODIE est de modifier l’ADN à l’aide d’une déaminase d’ADN double brin (Deaminase). La liaison des TFs protège les cytosines de leurs sites de liaison contre la désamination, laissant ainsi une empreinte dans le séquençage à molécule unique. L’équipe de recherche a d’abord testé plusieurs déaminases et a finalement choisi les enzymes DDDB et MGYPDA829, car elles peuvent convertir efficacement la cytosine en uracile dans un large éventail de contextes de séquence.

2. Processus expérimental

Le processus expérimental de FOODIE comprend les étapes clés suivantes :

1. Perméabilisation des cellules et enrichissement des régions de chromatine ouverte : Utilisation de la transposase Tn5 pour perméabiliser les cellules et enrichir les régions de chromatine ouverte, qui sont généralement les principaux sites de liaison des TFs.
2. Réaction de désamination : Après le traitement par Tn5, la déaminase est ajoutée pour la réaction. Les sites de liaison des TFs ne sont pas désaminés en raison de l’encombrement stérique, tandis que les régions non liées sont modifiées.
3. Séquençage à molécule unique : L’ADN traité par désamination est soumis à un séquençage à molécule unique, et les sites de liaison des TFs sont identifiés en analysant le taux de conversion de la cytosine.
4. Analyse des données : Des algorithmes spécialisés et un serveur web (http://foodie.sunneyxielab.org) ont été développés pour la visualisation et l’analyse des données.

3. Application de FOODIE à cellule unique (scFOODIE)

Pour analyser les empreintes spécifiques des TFs dans les tissus hétérogènes, l’équipe de recherche a développé la technique FOODIE à cellule unique. En analysant environ 11 200 cellules de l’hippocampe de souris, huit types de cellules principaux ont été identifiés, et les modes de liaison des TFs dans différents types de cellules ont été détectés. Par exemple, l’empreinte de AP-1 a été détectée dans les cellules pyramidales de l’hippocampe, ce qui correspond à la fonction connue de AP-1 dans l’activité synaptique et la plasticité.

Résultats principaux

1. Distribution génomique des empreintes des TFs

Grâce à la technique FOODIE, l’équipe de recherche a cartographié les sites de liaison des TFs à l’échelle du génome entier et a découvert que les sites de liaison des TFs sont principalement situés dans les promoteurs et les enhancers des gènes. Par exemple, les sites de liaison de CTCF sont principalement situés en amont du site de début de transcription (TSS), tandis que ceux de YY1 sont situés en aval.

2. Détection des interactions coopératives des TFs

La technique FOODIE peut également détecter les interactions coopératives entre TFs adjacents. L’étude a révélé que certaines paires de TFs présentent une coopération positive (comme RFX et CREB), tandis que d’autres présentent une coopération négative (comme deux sites de liaison de NRF1). Ces interactions coopératives pourraient être réalisées par des interactions protéine-protéine ou par une liaison compétitive.

3. TFs partagés dans les modules géniques

L’équipe de recherche a également découvert que les modules de gènes (Correlated Gene Modules, CGMs) exécutant des fonctions biologiques spécifiques sont généralement régulés par des TFs partagés. Par exemple, dans les modules de gènes liés au cycle cellulaire, le facteur E2F est significativement enrichi dans les promoteurs, tandis que dans les modules de régulation du système immunitaire, RelB est significativement enrichi dans les enhancers. Cela suggère que les modes de régulation des différents modules de gènes présentent des différences significatives.

Conclusion et signification

La technique FOODIE fournit un outil puissant pour étudier les modes de liaison des TFs à l’échelle de la cellule unique et de la molécule unique. Cette technique peut non seulement détecter avec précision les sites de liaison des TFs, mais aussi révéler les interactions coopératives entre TFs adjacents, offrant ainsi une nouvelle perspective pour comprendre les réseaux de régulation génique. De plus, la technique FOODIE présente des avantages en termes de haut débit et de faible coût, et devrait être largement applicable aux échantillons cliniques et aux tissus humains.

Points forts de la recherche

1. Détection de haute précision : La technique FOODIE permet de détecter avec précision les sites de liaison des TFs à l’échelle du génome entier, au niveau de la cellule unique et de la molécule unique.
2. Analyse des interactions coopératives : Cette technique peut détecter les interactions coopératives entre TFs adjacents, offrant une nouvelle perspective pour comprendre les réseaux de régulation génique.
3. Perspectives d’application étendues : La technique FOODIE présente des avantages en termes de haut débit et de faible coût, et est applicable à de nombreux types de cellules et d’échantillons tissulaires.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également développé une base de données ouverte (http://foodie.sunneyxielab.org) pour stocker et partager les données générées par la technique FOODIE. Cette base de données fournit une ressource précieuse pour d’autres chercheurs et devrait favoriser le développement ultérieur du domaine de la régulation transcriptionnelle.

Grâce à cette étude, nous avons non seulement approfondi notre compréhension du rôle des TFs dans la régulation génique, mais nous avons également fourni de nouveaux outils technologiques pour les futures recherches en génomique fonctionnelle.