Une collaboration identifie le rôle crucial des minéraux dans la régulation de l’expression des gènes

Une collaboration entre des chercheurs du Département de génie biomédical et du Collège de médecine de l’Université Texas A&M identifie le rôle crucial des minéraux dans la régulation de l’expression des gènes, contrôlant ainsi le nombre de protéines qu’une cellule doit fabriquer, encourageant ainsi la régénération tissulaire et redéfinissant l’identité cellulaire .

Cette recherche ouvre la voie à de futures études pour identifier le rôle de minéraux spécifiques, ainsi que la façon dont ils peuvent être assemblés pour concevoir la prochaine génération de médecine minérale pour guérir les tissus endommagés.

Cette étude vient d’être publiée dans Les avancées scientifiques.

Les minéraux sont des éléments inorganiques qui jouent de nombreux rôles vitaux, travaillant de manière interactive avec des vitamines, des enzymes, des hormones et d’autres cofacteurs nutritifs pour réguler des milliers de fonctions biologiques du corps. Bien qu’il ait été démontré que plusieurs minéraux régulent l’expression des gènes et l’activité cellulaire, très peu de travaux se sont concentrés sur la compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents.

Ce groupe de recherche en ingénierie est dirigé par le Dr Akhilesh Gaharwar, professeur agrégé de génie biomédical et Presidential Impact Fellow, en collaboration avec le Dr Irtisha Singh, professeur adjoint au Département de médecine moléculaire et cellulaire de Texas A&M et co-auteur correspondant de l’étude où une nouvelle classe de nanoparticules à base de minéraux a été introduite pour diriger les cellules souches humaines vers les cellules osseuses. Ces nanoparticules sont connues spécifiquement sous le nom de nanosilicates et, grâce à elles, l’équipe est en mesure de déterminer le rôle des minéraux dans la régulation des profils d’expression génique pour diriger la différenciation des cellules souches.

Ces nanosilicates sont des nanoparticules minérales en forme de disque de 20 à 30 nanomètres (nm) de diamètre et de 1 à 2 nm d’épaisseur. Ces nanoparticules sont hautement biocompatibles et sont facilement consommées par les cellules. Une fois à l’intérieur du corps cellulaire, ces nanoparticules se dissolvent lentement en minéraux individuels tels que le silicium, le magnésium et le lithium.

Les nanosilicates se dissocient en minéraux individuels à l’intérieur des cellules et activent un ensemble de gènes clés qui entraînent un flux d’informations dans les cellules, connu sous le nom de voies de signalisation. Ces voies de signalisation sont chargées d’ordonner aux cellules d’assumer des fonctions spécifiques, telles que la conversion en un autre type de cellules ou le démarrage du processus de guérison en sécrétant des protéines spécifiques aux tissus appelées matrice extracellulaire.

Ces matrices extracellulaires sont composées de diverses protéines, notamment des glycoprotéines et des protéoglycanes qui facilitent la cicatrisation des tissus et soutiennent les fonctions des tissus.

Combinant des techniques interdisciplinaires et des méthodes d’ingénierie biomédicale et de génomique, les auteurs principaux de cette étude, les étudiantes au doctorat Anna Brokesh et Lauren Cross, identifient et caractérisent des gènes importants qui sont activés et activés par différentes voies de signalisation en raison d’un traitement avec des minéraux. L’une des principales conclusions de cette étude est que des minéraux tels que le silicium, le magnésium et le lithium sont impliqués dans l’ossification endochondrale, un processus par lequel les cellules souches sont transformées en tissus mous et durs tels que le cartilage et les os chez les jeunes humains.

Le laboratoire Singh, géré par Singh, exploite des tests fonctionnels à haut débit et des perturbations pour disséquer les programmes de régulation fonctionnelle dans les cellules de mammifères.

Dans cette étude, ils ont analysé l’ensemble des données de séquençage transcriptomique (ARN-seq) pour évaluer l’effet des nanosilicates et des produits de dissolution ionique sur les profils d’expression génique des cellules souches. RNA-seq, un test de séquençage à haut débit à l’échelle du transcriptome, fournit une vue d’ensemble impartiale et holistique des profils d’expression génique pour identifier les voies qui sont perturbées par des traitements spécifiques.

“Il y a beaucoup de gens qui veulent comprendre comment les minéraux affectent le corps humain, mais il existe peu de preuves pour identifier comment ils nous affectent au niveau cellulaire”, a déclaré Brokesh. “Notre étude est l’une des premières études à utiliser un séquençage impartial à l’échelle du transcriptome pour déterminer comment les ions minéraux peuvent diriger le destin des cellules souches.”

L’approche proposée relève un défi de longue date dans les approches thérapeutiques actuelles qui utilisent des doses supraphysiologiques de facteurs de croissance pour diriger la recherche sur les tissus. Une dose aussi élevée de facteurs de croissance entraîne une gamme de complications, notamment la formation incontrôlée de tissus, l’inflammation et la tumorigenèse, la production ou la formation de cellules tumorales. Ceux-ci limitent négativement l’utilisation des facteurs de croissance comme agent thérapeutique dans le domaine de la médecine régénérative.

Gaharwar a déclaré que l’impact de ce travail est considérable car la compréhension de l’effet des minéraux pour obtenir la régulation souhaitée de l’activité cellulaire a un fort potentiel pour ouvrir de nouvelles voies pour développer des thérapies cliniquement pertinentes pour la médecine régénérative, l’administration de médicaments et l’immunomodulation.

Cette étude a été financée par le National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, le National Institute of Neurological Disorders and Stroke et le Texas A&M University President’s Excellence Fund.

Les autres auteurs qui ont contribué à cette étude sont les chercheurs diplômés Anna L. Kersey et Aparna Murali, le chercheur de premier cycle Christopher Richter et le Dr Carl Gregory, professeur agrégé de médecine moléculaire et cellulaire au College of Medicine.