Lire l'ARN de tout son long, cellule par cellule

Publié par Isabelle le 22/09/2020 à 13:00
Source: CNRS INSB
Les scientifiques décrivent une nouvelle méthode pour analyser plus finement la structure des ARN, afin d'y détecter des variations d'épissage ou d'édition avec une résolution allant jusqu'à la cellule unique. Ces approches, qui combinent des outils de microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du micromètre.) avec le séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une...) des acides nucléiques sur de grandes longueurs, amélioreront la construction des atlas de cellules uniques qui sont en cours de réalisation. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.


Figure : Profils d'expression de plusieurs isoformes d'un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un acide ribonucléique (ARN) fonctionnel....) à la résolution de la cellule unique.
Haut : représentation des profils d'expression de cellules de cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et...) de souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie...) (18 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...) après fertilisation) pour les deux principales isoformes de la clathrine (Clta 204 et Clta206).
Bas : structure des gènes (exons/introns) des 2 principales isoformes de Clta. L'abondance des différentes isoformes dans les différents types de cellules est représentée sous forme de diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous les...) à barres. Chaque ligne représente un type cellulaire différent: 1, Cajal-Retzius ; 2, glie radiaire; 3, glie radiaire proliférative ; 4, progéniteur intermédiaire ; 5, neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le vocabulaire médical en 1881...) GABAergique immature ; 6, GABAergique mature ; 7, neurone glutamatergique immature ; 8, neurone glutamatergique mature.
© Kévin Lebrigand, Rainer Waldmann, Pascal Barbry.

Lorsque nous considérons la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer...) énorme de cellules présentes dans le corps d'un homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par...) (~1013 cellules) ou même seulement d'une souris (~1010 cellules), il est difficile d'appréhender la diversité des types cellulaires présents, tous pourtant issus du même génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est porté par des...): cellules nerveuses, cellules musculaires, cellules immunitaires,... Chaque type cellulaire va différer des autres par l'expression de certains gènes, l'apparition de variants d'épissage, etc. Acquérir suffisamment d'information sur les différents gènes exprimés dans une cellule peut permettre de l'identifier, mais aussi révéler son fonctionnement ou un état particulier. Une telle information peut être exploitée pour mieux comprendre des étapes clés du développement embryonnaire, ou le déclenchement de certaines maladies. Plusieurs projets internationaux réalisent actuellement des atlas. Ainsi, le "Human Cell Atlas" cherche à cataloguer les types et états cellulaires existants chez l'homme à partir de mesures de l'expression des gènes à la résolution d'une cellule unique. De tels atlas vont bientôt représenter des systèmes de positionnements globaux que les biologistes pourront utiliser pour répondre à toutes sortes de questions: Combien y a-t-il de types cellulaires dans un organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction physiologique. Certains organes assurent simultanément plusieurs fonctions, mais dans ce cas, une fonction est...) ? Qu'est-ce qui différencie des types cellulaires identiques d'organes différents ? Comment des cellules voisines communiquent-elles ?

Plusieurs percées technologiques permettent l'élaboration de tels atlas: grâce aux progrès de la microfluidique, on sait isoler des milliers de cellules en parallèle ; à partir de ces cellules, des banques d'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) nucléique représentatives de la minuscule quantité de matériel présente dans une seule cellule peut être construite ; les progrès de la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres...) computationnelle permettent d'analyser, d'explorer et de visualiser des ensembles de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) contenant des milliards de mesures.

Si de nombreux protocoles sont aujourd'hui disponibles pour analyser les mutations somatiques ou la méthylation de l'ADN, l'accessibilité de la chromatine, les profils épigénétiques, les variations du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de copies, l'analyse des ARN à la résolution de la cellule unique (scRNA-seq) reste actuellement l'approche "omique" unicellulaire disposant du plus grand débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.), et elle permet l'analyse du transcriptome (panorama global des ARN produits) de dizaines, voire de centaines de milliers de cellules.

Une limite actuelle du scRNA-seq réside dans la façon dont s'effectue le séquençage, qui est le plus souvent restreint à l'une des 2 extrémités de chaque ARN. Si ces informations sont suffisantes pour fournir une description quantitative du niveau d'expression des gènes, les informations sur l'épissage et l'hétérogénéité des séquences, réparties sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) du transcrit, sont le plus souvent perdues.

Pour obtenir des informations plus complètes sur la séquence du transcriptome, les scientifiques ont utilisé l'ADN complémentaire complet (produit intermédiaire habituellement utilisé dans la fabrication des banques) avant qu'il ne soit fragmenté pour un séquençage à lecture courte (méthode Illumina). Cet ADN complémentaire de pleine longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) a donc été séquencé à l'aide d'un séquenceur à lecture longue (méthode Nanopore).

La méthode mise au point (Graphie) a été baptisée ScNaUmi-seq. La comparaison des séquences Nanopore avec celles fournies par le séquençage Illumina a permis d'identifier précisément chaque cellule et, à l'intérieur de chaque cellule, chaque molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière...) d'ADN complémentaire (répertoriée avec des codes-barres nucléotidiques baptisés "unique molecular identifiers", UMI).

Des expériences réalisées sur du cerveau embryonnaire de souris ont permis de générer de nouvelles informations sur des variations d'épissage des transcrits, et peuvent même détecter, à la résolution d'une seule cellule, des variations sur un seul nucléotide (édition de l'ARN). L'approche est facile à mettre en oeuvre puisqu'elle ne fait qu'ajouter un séquençage à longue lecture de la banque non fragmentée au protocole standard d'analyse.

Ces nouvelles informations sur les transcrits enrichiront à coup sûr nos futures études sur cellules uniques. Un impact attendu se situe en cancérologie (L'oncologie ou carcinologie ou cancérologie est la spécialité médicale d'étude, de diagnostic et de traitement des cancers. Un médecin qui pratique cette discipline...), puisque le ScNaUmi-seq pourrait permettre d'analyser le paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de l'espace terrestre saisi...) mutationnel des tumeurs, mais aussi en biologie du développement, durant lequel l'épissage joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert...) un rôle important. Ce développement ajoute donc une nouvelle couche d'information importante pour améliorer notre définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) des différents types cellulaires.

Pour en savoir plus:
High throughput error corrected Nanopore single cell transcriptome sequencing.
Lebrigand K, Magnone V, Barbry P, Waldmann R.
Nat Commun. 2020 Aug 12;11(1):4025. doi: 10.1038/s41467-020-17800-6.

Laboratoire:
Institut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire (IPMC) - (CNRS/Université Côte d'Azur)
660, route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) des lucioles F06560 Sophia Antipolis (Sophia Antipolis est une technopole située dans une pinède de 2 400 hectares sur les communes d'Antibes, Biot, Vallauris, Valbonne Sophia Antipolis et...).

[u]Contact:[/u]
Pascal Barbry - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à l'Institut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire (IPMC) - barbry at ipmc.cnrs.fr
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