Approches unicellulaires et apprentissage en profondeur pour cartographier toutes les étapes du développement de l’embryon de la mouche des fruits

Publié dans La science, cette étude, codirigée par Eileen Furlong de l’EMBL et Jay Shendure de l’Université de Washington, exploite les données de plus d’un million de cellules embryonnaires couvrant toutes les étapes du développement de l’embryon et représente une avancée significative à plusieurs niveaux. Cette recherche fondamentale aide également la capacité des scientifiques à approfondir des questions telles que la manière dont les mutations entraînent différents défauts de développement. En outre, il fournit une voie pour comprendre la vaste partie non codante de notre génome qui contient la plupart des mutations associées à la maladie.

“Le simple fait de capturer l’intégralité de l’embryogenèse – toutes les étapes et tous les types de cellules – pour obtenir une vue plus complète des états cellulaires et des changements moléculaires qui accompagnent le développement est un exploit en soi”, a déclaré Eileen Furlong, responsable du génome de l’EMBL. Unité de biologie. “Mais ce qui me passionne vraiment, c’est l’utilisation de l’apprentissage en profondeur pour obtenir une vue continue des changements moléculaires à l’origine du développement embryonnaire, jusqu’à la minute.”

Le développement embryonnaire commence par la fécondation d’un œuf, suivie d’une série de divisions cellulaires et de décisions qui donnent naissance à un embryon multicellulaire très complexe qui peut se déplacer, manger, ressentir et interagir avec son environnement. Les chercheurs étudient ce processus de développement embryonnaire depuis plus de cent ans, mais ce n’est qu’au cours de la dernière décennie que de nouvelles technologies ont permis aux scientifiques d’identifier les changements moléculaires qui accompagnent les transitions cellulaires au niveau d’une seule cellule.

Ces études sur une seule cellule ont suscité un énorme enthousiasme car elles ont démontré la complexité des types de cellules dans les tissus, identifiant même de nouveaux types de cellules, et révélé leurs trajectoires de développement en plus des changements moléculaires sous-jacents. Cependant, les tentatives de profilage de l’intégralité du développement de l’embryon à une résolution unicellulaire ont été hors de portée en raison de nombreux défis techniques en matière d’échantillonnage, de coûts et de technologies.

À cet égard, la mouche des fruits (Drosophile melanogaster), un organisme modèle prééminent dans la biologie du développement, la régulation des gènes et la biologie de la chromatine, présente des avantages clés lorsqu’il s’agit de développer de nouvelles approches pour résoudre ce problème. Le développement embryonnaire de la mouche des fruits se produit extrêmement rapidement; en seulement 20 heures après la fécondation, tous les tissus se sont formés, y compris le cerveau, l’intestin et le cœur, de sorte que l’organisme peut ramper et manger. Ceci, combiné aux nombreuses découvertes faites sur les mouches des fruits qui ont propulsé la compréhension du fonctionnement des gènes et de leurs produits, a encouragé le laboratoire Furlong et ses collaborateurs à relever ce défi.

“Notre objectif était d’obtenir une vue continue de toutes les étapes de l’embryogenèse, de capturer toutes les dynamiques et les changements au fur et à mesure qu’un embryon se développe, non seulement au niveau de l’ARN mais aussi des éléments de contrôle qui régulent ce processus”, a déclaré le co-auteur. Stefano Secchia, doctorant dans le groupe Furlong.

Travail préliminaire avec des ‘enhancers’

En 2018, les groupes Furlong et Shendure ont montré la faisabilité du profilage de la chromatine «ouverte» à une résolution unicellulaire chez les embryons et comment ces régions d’ADN représentent souvent des activateurs de développement actifs. Les “amplificateurs” sont des segments d’ADN qui agissent comme des interrupteurs de contrôle pour activer et désactiver les gènes. Les données ont montré quels types de cellules dans l’embryon utilisent quels activateurs à un moment donné et comment cette utilisation change avec le temps. Une telle carte est essentielle pour comprendre ce qui motive les aspects spécifiques du développement embryonnaire.

“J’étais vraiment excité quand j’ai vu ces résultats”, a déclaré Furlong. “Aller au-delà de l’ARN pour regarder en amont ces commutateurs de régulation dans des cellules individuelles était quelque chose que je ne pensais pas possible pendant longtemps.”

Au-delà des “instantanés”

L’étude de 2018 était à la pointe de la technologie à l’époque, profilant environ 20 000 cellules dans trois fenêtres différentes du développement de l’embryon (au début, au milieu et à la fin). Cependant, ce travail n’a encore donné que des instantanés de la diversité et de la régulation cellulaires à des moments précis et discrets. L’équipe a donc exploré le potentiel d’utilisation d’échantillons provenant de fenêtres temporelles qui se chevauchent et, comme preuve de principe, a appliqué le concept à une lignée spécifique – le muscle.

Cela a ensuite préparé le terrain pour une mise à l’échelle spectaculaire en utilisant la nouvelle technologie développée dans le laboratoire Shendure. Les travaux actuels de l’équipe ont profilé la chromatine ouverte de près d’un million de cellules et l’ARN d’un demi-million de cellules à des moments qui se chevauchent et couvrent l’intégralité du développement de l’embryon de la mouche des fruits.

À l’aide d’un type d’apprentissage automatique, les chercheurs ont profité du chevauchement des points temporels pour prédire le temps avec une résolution beaucoup plus fine. Le co-auteur Diego Calderon, chercheur postdoctoral au laboratoire Shendure, a formé un réseau de neurones pour prédire le temps de développement précis de chaque cellule.

“Même si les échantillons collectés contenaient des embryons d’âges légèrement différents dans une fenêtre de temps de 2 ou 4 heures, cette méthode vous permet de zoomer sur n’importe quelle partie de cette chronologie de l’embryogenèse à une échelle de minutes”, a déclaré Calderon.

Shendure a ajouté: “J’ai été étonné de voir à quel point cela fonctionne. Nous pouvions capturer les changements moléculaires qui se produisent très rapidement dans le temps, en quelques minutes, ce que les chercheurs précédents avaient découvert en prélevant des embryons toutes les trois minutes.”

À l’avenir, une telle approche permettrait non seulement de gagner du temps, mais pourrait également servir de référence pour le développement normal de l’embryon afin de voir comment les choses pourraient changer dans différents embryons mutants. Cela pourrait déterminer exactement quand et dans quel type de cellule apparaît le phénotype d’un mutant, comme les chercheurs l’ont montré dans le muscle. En d’autres termes, ce travail aide non seulement à comprendre comment le développement se produit normalement, mais ouvre également la porte à la compréhension de la manière dont différentes mutations peuvent le gâcher.

Le nouveau potentiel prédictif que cette recherche laisse présager, basé sur des échantillons provenant de fenêtres temporelles beaucoup plus larges, pourrait être utilisé comme cadre pour d’autres systèmes modèles. Par exemple, le développement d’embryons de mammifères, in vitro différenciation cellulaire, ou même post-traitement médicamenteux dans les cellules malades, où des écarts dans les temps d’échantillonnage peuvent être conçus pour faciliter une prédiction temporelle optimale à une résolution de recherche.

À l’avenir, l’équipe prévoit d’explorer les pouvoirs prédictifs de l’atlas.

“En combinant tous les nouveaux outils à notre disposition en génomique unicellulaire, en informatique et en génie génétique, j’aimerais voir si nous pouvions prédire ce qui arrive aux destins des cellules individuelles. in vivo suite à une mutation génétique », a déclaré Furlong. « … mais nous n’en sommes pas encore là. Cependant, avant ce projet, je pensais aussi que le travail actuel ne serait pas possible de sitôt.”