Un gène synthétique aide à expliquer les mystères de la transcription d’une espèce à l’autre

La nouvelle découverte tourne autour du processus par lequel les instructions génétiques de l'ADN sont converties d'abord en un matériau connexe appelé ARN, puis en protéines qui constituent les structures et les signaux du corps. Chez la levure, la souris et l'homme, la première étape de l'expression d'un gène, la transcription, se déroule lorsque les « lettres » moléculaires de l'ADN (bases nucléiques) sont lues dans une seule direction. Alors que 80 % du génome humain – l’ensemble complet de l’ADN de nos cellules – est activement décodé en ARN, moins de 2 % code en réalité pour les gènes qui dirigent la construction des protéines.

Un mystère de longue date en génomique est donc de savoir à quoi sert toute cette transcription non liée aux gènes. Est-ce juste du bruit, un effet secondaire de l’évolution, ou a-t-il des fonctions ?

Une équipe de recherche de NYU Langone Health a cherché à répondre à la question en créant un grand gène synthétique, avec son code ADN dans l'ordre inverse de celui de son parent naturel. Ensuite, ils ont introduit un gène synthétique dans des cellules souches de levure et de souris et ont observé les niveaux de transcription dans chacune d'entre elles. Publié en ligne le 6 mars dans la revue Nature, la nouvelle étude révèle que chez la levure, le système génétique est configuré de telle sorte que presque tous les gènes sont continuellement transcrits, tandis que le même « état par défaut » dans les cellules de mammifères est que la transcription est désactivée.

Fait intéressant, disent les auteurs de l’étude, l’ordre inverse du code signifiait que tous les mécanismes qui évoluaient dans les cellules de levure et de mammifères pour activer ou désactiver la transcription étaient absents parce que le code inversé était absurde. Cependant, comme une image miroir, le code inversé reflétait certains modèles de base observés dans le code naturel en termes de fréquence de présence des lettres d'ADN, de proximité et de fréquence de répétition. Le code inversé étant long de 100 000 lettres moléculaires, l’équipe a découvert qu’il incluait de manière aléatoire de nombreuses petites portions de code jusqu’alors inconnues qui démarraient probablement la transcription beaucoup plus souvent chez la levure et l’arrêtaient dans les cellules de mammifères.

“Comprendre les différences de transcription par défaut entre les espèces nous aidera à mieux comprendre quelles parties du code génétique ont des fonctions et lesquelles sont des accidents de l'évolution”, a déclaré l'auteur correspondant Jef Boeke, PhD, directeur de Sol et Judith Bergstein de l'Institut de génétique des systèmes. à NYU Langone Health. “Cela promet à son tour de guider l'ingénierie de la levure pour fabriquer de nouveaux médicaments, ou créer de nouvelles thérapies géniques, ou même pour nous aider à trouver de nouveaux gènes enfouis dans le vaste code.”

Ces travaux donnent du poids à la théorie selon laquelle l'état transcriptionnel très actif de la levure est tel que l'ADN étranger, rarement injecté dans la levure, par exemple par un virus lorsqu'il se copie, est susceptible d'être transcrit en ARN. Si cet ARN construit une protéine ayant une fonction utile, le code sera préservé par l’évolution en tant que nouveau gène. Contrairement à un organisme unicellulaire de levure, qui peut se permettre de nouveaux gènes risqués qui entraînent une évolution plus rapide, les cellules de mammifères, en tant que parties intégrantes de millions de cellules coopérantes, sont moins libres d’incorporer un nouvel ADN chaque fois qu’une cellule rencontre un virus. De nombreux mécanismes réglementaires protègent le code délicatement équilibré tel qu’il est.

Grand ADN

La nouvelle étude devait tenir compte de la taille des chaînes d'ADN, avec 3 milliards de « lettres » incluses dans le génome humain, et certains gènes mesurant 2 millions de lettres. Alors que des techniques célèbres permettent d'effectuer des modifications lettre par lettre, certaines tâches d'ingénierie sont plus efficaces si les chercheurs construisent l'ADN à partir de zéro, avec des modifications approfondies apportées à de larges pans de code pré-assemblé échangé dans une cellule à la place de son homologue naturel. Parce que les gènes humains sont si complexes, le laboratoire de Boeke a d'abord développé son approche « d'écriture du génome » chez la levure, mais l'a ensuite récemment adaptée au code génétique des mammifères. Les auteurs de l’étude utilisent des cellules de levure pour assembler de longues séquences d’ADN en une seule étape, puis les transmettent à des cellules souches embryonnaires de souris.

Pour la présente étude, l'équipe de recherche a abordé la question de savoir dans quelle mesure la transcription est omniprésente à travers l'évolution en introduisant une séquence synthétique de 101 kilobases d'ADN modifié – le gène humain hypoxanthine phosphoribosyl transférase 1 (HPRT1) dans l'ordre de codage inverse. Ils ont observé une activité généralisée du gène chez la levure malgré l’absence de code absurde des promoteurs, des extraits d’ADN qui ont évolué pour signaler le début de la transcription.

En outre, l’équipe a identifié de petites séquences dans le code inversé, des séquences répétées d’éléments constitutifs de l’adénosine et de la thymine, connus pour être reconnus par les facteurs de transcription, des protéines qui se lient à l’ADN pour initier la transcription. D'une longueur de seulement 5 à 15 lettres, de telles séquences pourraient facilement se produire de manière aléatoire et pourraient expliquer en partie l'état par défaut très actif de la levure, ont indiqué les auteurs.

Au contraire, le même code inversé, insérées dans le génome de cellules souches embryonnaires de souris, n'ont pas provoqué de transcription généralisée. Dans ce scénario, la transcription a été réprimée même si les dinucléotides CpG évolués, connus pour désactiver (silencier) activement les gènes, n'étaient pas fonctionnels dans le code inversé. L'équipe suppose que d'autres éléments fondamentaux du génome des mammifères pourraient restreindre la transcription bien plus que chez la levure, et peut-être en recrutant directement un groupe protéique (le complexe polycombe) connu pour faire taire les gènes.

“Plus nous nous rapprochons de l'introduction d'un ADN absurde dans les cellules vivantes, mieux elles pourront le comparer au génome réel et évolué”, a déclaré le premier auteur Brendan Camellato, étudiant diplômé du laboratoire de Boeke. “Cela pourrait nous conduire à une nouvelle frontière des thérapies cellulaires modifiées, car la capacité d'insérer des ADN synthétiques de plus en plus longs permet de mieux comprendre quelles insertions les génomes toléreront, et peut-être l'inclusion d'un ou plusieurs gènes modifiés plus grands et complets.”

Outre Boeke et Camellato, les auteurs de l'étude NYU Langone étaient Ran Brosh, Hannah Ashe et Matthew Maurano. L'étude a été financée par le ministère américain de la Santé et des Services sociaux et par la subvention 1RM1HG009491 du National Human Genome Research Institute (NHGRI).