Comprendre la régulation des gènes dans le cycle cellulaire grâce au deep-learning

Publié par Isabelle le 21/06/2022 à 13:00
Source: CNRS INSB
Dans une étude publiée dans la revue Nature communications, les scientifiques développent un nouvel outil pour étudier le cycle cellulaire: "DeepCycle". Ce dernier combine une méthode basée sur le séquençage unicellulaire à haute-résolution et une approche par deep-learning pour reconstruire des cartes d'expression génique du cycle cellulaire (Le cycle cellulaire est l'ensemble des phases par lesquelles une cellule passe entre deux divisions...). De cette manière, DeepCycle permet de mieux comprendre la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) des gènes ainsi que les facteurs impliqués dans ce processus. Cette avancée technologique constitue un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) puissant qui peut être appliqué à un large éventail de systèmes, des lignées cellulaires aux pathologies humaines.

Le cycle cellulaire est le processus par lequel le génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une...) d'une cellule est dupliqué pour permettre la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par...) et créer de nouvelles cellules. Il s'agit d'un processus fondamental, nécessitant un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) strict, les erreurs pouvant provoquer des pathologies tels que des cancers. Pour mieux en connaître le fonctionnement, une compréhension dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) quantitative de la régulation des gènes tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) au long du cycle fait encore défaut. L'outil DeepCycle développé ici apporte une méthode permettant de reconstruire des cartes d'expression génique du cycle cellulaire à haute résolution pour des modèles de cellules murines et humaines à différents stades du cycle.

Actuellement, les outils utilisés pour observer la dynamique de l'expression des gènes lors du cycle cellulaire ne permettent pas de faire d'études in vivo, perturbent les cellules et sont peu généralisables. Pour apporter des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) plus simples à interpréter, l'outil DeepCycle s'appuie sur un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de neurones profonds pour apprendre la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) de l'expression des gènes lors du cycle cellulaire. Il analyse pour chaque gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la...) la dynamique d'épissage des ARNm (non épissé/épissé) et en infère une "vitesse (On distingue :) de l'ARN", valeur prédictive de l'état des cellules. De cette manière, DeepCycle permet de trier les cellules en fonction du stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) du cycle cellulaire et de suivre leur progression, fournissant des données d'une très grande précision.

Pour démontrer la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de DeepCycle, les scientifiques ont généré des données unicellulaires de séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des...) d'ARN en profondeur à partir de cellules souches embryonnaires de souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant...) et de fibroblastes humains. Cela a permis de développer une dynamique d'expression génique à haute résolution, de découvrir des facteurs transcriptionnels coordonnant la régulation du cycle cellulaire et mettant en évidence le lien avec les régulateurs de pluripotence. Les scientifiques ont pu caractériser le point (Graphie) de branchement où les fibroblastes humains sortent de leur cycle cellulaire pendant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) G1, et entrent en arrêt du cycle cellulaire (G0). Ils ont également identifié de nouveaux gènes marqueurs et facteurs de transcription à l'origine de ce processus, ouvrant la voie à la caractérisation systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour...) de la transition G1-G0 dans plusieurs modèles cellulaires.

Ainsi, DeepCycle constitue une avancée significative, en produisant des données plus robustes et plus généralisables, pour les champs de l'étude de la régulation du cycle cellulaire, de la dynamique de l'expression génique et de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) biomédicale en général.


DeepCycle est un auto-encodeur qui, à partir de lectures non épissées et épissées d'expériences de séquençage d'ARN unicellulaire, est capable de trier par ordinateur les cellules en fonction de leur progression tout au long du cycle cellulaire représenté par θ.

Pour en savoir plus:
Cell cycle gene regulation dynamics revealed by RNA velocity and deep-learning.
Riba A, Oravecz A, Durik M, Jiménez S, Alunni V, Cerciat M, Jung M, Keime C, Keyes WM, Molina N.
Nature Communications. 23 mai 2022 doi: 10.1038/s41467-022-30545-8.

Laboratoire:
Institut de génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est...), biologie moléculaire (La biologie moléculaire (parfois abrégée bio mol ou BM) est une discipline...) et cellulaire-IGBMC (CNRS/Inserm/Université de Strasbourg) - 1, rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux...) Laurent Fries. 76404 Ilkirch Cedex.

Contact:
Nacho Molina - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de génétique, biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) moléculaire et cellulaire - IGBMC (CNRS/Inserm/Université de Strasbourg) -
molinan at igbmc.fr
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