Contr?ler l'activité des gènes avec la lumière
Des chercheurs de l'équipe de Mustafa Khammash ont développé une nouvelle méthode pour contr?ler le transfert d'ADN en ARN dans des cellules individuelles à l'aide de lumière bleue. Cette technologie pourrait éventuellement être utilisée pour l'ingénierie tissulaire et la recherche sur les cellules souches.
![Pour célébrer le 10e anniversaire du département Biosystem de B?le, les chercheurs ont projeté le chiffre dix sur une population de levures. Les cellules illuminées ont alors démarré la transcription. (Image : Groupe Mustafa Khammash/EPF Zurich)](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2018/10/optogenetische-plattform/_jcr_content/news_content/fullwidthimage/image.imageformat.930.304206399.jpg)
La transcription est un processus biologique fondamental au cours duquel l'information d'un gène est transférée dans une copie d'ARN. Des protéines, dont des facteurs de transcription et une machine moléculaire appelée ARN polymérase, sont impliquées dans ce processus.
Pour démarrer la transcription, les facteurs de transcription doivent d'abord se lier à un endroit précis de l'ADN. Cela déclenche différents processus qui aboutissent à l'arrimage de l'ARN polymérase au matériel génétique. Ce complexe de protéines délie ensuite la double hélice pour lire la séquence de construction d'un gène et la transférer dans une molécule d'ARN. L'ARN dit messager est une copie transportable du gène qui sert de modèle pour la biosynthèse des protéines.
Ma?triser la variabilité
Malgré une forte régulation par de nombreux acteurs moléculaires, la transcription se caractérise par une importante variabilité entre les cellules. Celle-ci provient notamment du fait que la transcription repose sur la rencontre aléatoire de molécules - comme les facteurs de transcription et certaines séquences d'ADN. Dans chaque cellule, la transcription d'un gène se déroule donc différemment : dans certaines cellules, elle se déclenche plus rapidement, dans d'autres pas du tout. Mieux comprendre les causes de cette variabilité et mieux contr?ler la transcription est un enjeu important pour la recherche.
Le groupe de Mustafa Khammash, professeur de théorie de la régulation et de biologie systémique au Département des systèmes biologiques à B?le, a maintenant trouvé une méthode pour déclencher la transcription de manière contr?lée ainsi que pour réguler la quantité de molécules d'ARN formées : une plateforme optogénétique, que les scientifiques de l'ETH ont récemment publiée dans la revue spécialisée "page externeCellule moléculaire" ont présenté. Cela permet de réduire la variabilité entre les cellules et la plateforme permet d'avoir un nouvel aper?u de la dynamique de la transcription.
Rétroaction et régulation individuelles
![Vue agrandie : fonctionnement de la plateforme optogénétique. (Graphique : M. Khammash/EPF Zurich)](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2018/10/optogenetische-plattform/_jcr_content/news_content/textimage_823361655/image.imageformat.text50percent.1706982391.jpg)
Gr?ce à cette plateforme, les chercheurs peuvent éclairer individuellement des cellules de levure avec une lumière bleue de durée et d'intensité variables. En introduisant des gènes étrangers, ces cellules ont été génétiquement modifiées pour réagir à la lumière de cette couleur en activant un facteur de transcription. Cela conduit ensuite à la transcription d'un gène spécifique.
Des protéines fluorescentes se fixent sur les transcrits de ce gène, les ARN messagers. Il en résulte des points fluorescents clairs lorsque la transcription est active. Les chercheurs peuvent alors visualiser et évaluer ces points par microscopie à fluorescence.
Les scientifiques ont couplé ce système à un ordinateur. Celui-ci évalue combien de molécules d'ARN sont transcrites à un moment donné et décide de la quantité de lumière que chaque cellule doit recevoir ensuite pour réguler sa transcription selon les directives.
Nouvelles perspectives sur la dynamique de la transcription
"Gr?ce à cet agencement, nous avons pu montrer que l'activation et la désactivation de la transcription se produisent très rapidement", explique le professeur Khammash de l'ETH. Son équipe a en outre pu constater que la transcription dans une cellule se déroule par poussées, dont la durée et l'apparition sont régulées par l'activité de facteurs de transcription. Gr?ce à leur mécanisme de rétroaction, les chercheurs ont également pu réduire les différences de taux de transcription entre différentes cellules.
Pour le tester (et célébrer le dixième anniversaire du Département des systèmes biologiques l'année dernière), les chercheurs ont projeté le chiffre 10 sur des cellules de levure à l'aide d'une lumière bleue. La transcription s'est alors déclenchée dans les cellules éclairées. Cela a entra?né la formation de points fluorescents clairs aux endroits souhaités.
Les signaux dynamiques réduisent la variabilité
La méthode de contr?le décrite a toutefois aussi ses limites : elle ne peut être appliquée que sous le microscope, mais pas dans des tubes à essai ou des bioréacteurs. Cela serait pourtant nécessaire pour contr?ler les processus biotechnologiques.
Pour surmonter cette limitation, les chercheurs ont étudié les possibilités de contr?ler les cellules avec des signaux dynamiques complexes. En comparant différents types de signaux, les chercheurs ont constaté, dans une étude publiée dans la revue spécialisée "page externeNature Communications"Les chercheurs ont constaté que les cellules individuelles réagissent avec une plus grande précision aux signaux pulsés qu'aux signaux constants. Cela permet désormais de mieux contr?ler, de manière simple, de grandes populations de cellules. En outre, les résultats indiquent une stratégie possible pour réguler la variabilité dans les populations de cellules naturelles.
Khammash se réjouit de la réussite de ces projets. Au début, lui et ses collègues auraient exploré la chose par pure curiosité, ils n'auraient pas envisagé d'applications concrètes. "Nous voulions avant tout savoir si nous pouvions canaliser le hasard dans la transcription de manière ordonnée", explique-t-il. "C'était un grand défi technique".
Entre-temps, il pense que sa plate-forme pourrait devenir une mine d'or. On peut imaginer différentes applications, surtout dans la recherche, où le contr?le de la transcription est important, dit-il. On pourrait ainsi développer très rapidement des prototypes de réseaux génétiques, car on pourrait désormais contr?ler la communication de cellule à cellule de l'extérieur et ne plus dépendre des molécules de signalisation. "Mais la plate-forme peut également devenir un outil important pour l'ingénierie tissulaire et la recherche sur les cellules souches". Les chercheurs vont maintenant examiner de plus près les applications de leur plateforme dans les années à venir et ont déjà re?u des fonds du programme FET open de l'UE à cet effet.
Référence bibliographique
Rullan M, Benzinger D, Schmidt GW, Milias-Argeitis A, Khammash M. An Optogenetic Platform for Real-Time, Single-Cell Interrogation of Stochastic Transcriptional Regulation. Molecular cell (2018), 70(4), pp.745-756. page externedoi : 10.1016/j.molcel.2018.04.012
Benzinger D, Khammash M. Pulsatile inputs achieve tunable attenuation of gene expression variability and graded multi-gene regulation. Nature communications (2018), 9(1), p.3521. page externedoi:10.1038/s41467-018-05882-2