Une nouvelle méthode aide à révéler la structure 3D du génome humain

Les chercheurs de Weill Cornell Medicine et du New York Genome Center, en collaboration avec Oxford Nanopore Technologies, ont développé une nouvelle méthode d’évaluation à grande échelle de la structure 3D du génome humain, ou comment le génome est replié. Un génome est l’ensemble complet d’instructions génétiques, ADN ou ARN, qui permettent à un organisme de fonctionner.

En utilisant cette méthode, les chercheurs ont démontré que la fonction cellulaire, y compris l’expression des gènes, peut être affectée par des combinaisons d’éléments régulateurs interagissant simultanément dans le génome plutôt que par des paires de ces composants. Leurs conclusions, publiées le 30 mai dans Biotechnologie naturellepeut aider à faire la lumière sur la relation entre la structure du génome et l’identité cellulaire.

Connaître la structure 3D du génome aidera les chercheurs à mieux comprendre comment le génome fonctionne, et en particulier comment il code pour différentes identités cellulaires. Les façons dont nous avons dû étudier la structure du génome nous ont donné des informations étonnantes, mais il y avait aussi des limites majeures.

Dr Marcin Emelinsky, premier auteur et professeur agrégé de pathologie, de médecine de laboratoire et de génomique computationnelle en biomédecine computationnelle à Weill Cornell Medicine et membre principal du New York Genome Center

Par exemple, la technologie précédente pour évaluer la structure 3D d’un génome a permis aux chercheurs d’étudier la fréquence à laquelle deux ou deux sites physiques du génome interagissent les uns avec les autres. Traditionnellement, des paires de loci appelées renforçateurs et stimuli- ; Composants du génome qui interagissent les uns avec les autres pour influencer l’expression des gènes.

Les informations sur ces associations fournissent un aperçu incomplet de la structure et de la fonction du génome. Par exemple, lier le modèle de repliement à la façon dont le génome code l’identité d’une cellule particulière – comme une cellule hépatique, pulmonaire ou épithéliale – a été difficile, a déclaré le Dr Emelinsky, qui est également membre de l’Englander Institute for Precision Medicine et le Sandra and Edward Mayer Cancer Center de Weill Cornell Medicine. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que ce repliement affecte l’expression des gènes. « Mais comment les types de cellules sont codés, en particulier dans la structure de l’ADN, est un mystère », a-t-il déclaré.

Le Dr Imieliński et son équipe de recherche, dont le premier auteur Aditya Deshpande, récemment diplômé d’un doctorat dans les établissements d’enseignement supérieur. Un programme de biologie computationnelle et de médecine travaillant dans le laboratoire du Dr Imelinsky a développé un nouveau test et un algorithme à l’échelle du génome qui leur permet d’étudier des groupes de loci, pas seulement des paires.

Ils ont adapté une technologie conventionnelle, Hi-C (capture de la conformation de la chromatine), qui évalue un mélange d’ADN et de protéines pour l’analyse de la structure du génome en 3D, pour le séquençage à l’échelle nanométrique ou pour le séquençage à haut débit de longs brins continus de molécules d’ADN. L’analyse résultante, que les chercheurs ont baptisée Pore-C, leur a permis d’observer des dizaines de millions de clusters positionnels 3D.

Ils ont également développé des méthodes statistiques pour identifier les loci importants, selon qu’ils interagissent de manière coopérative pour influencer l’expression des gènes. « Beaucoup d’interactions 3D du génome ne sont pas importantes », a déclaré le Dr Emelinsky. « Nos méthodes analytiques nous aident à hiérarchiser les interactions de groupe qui sont susceptibles d’être importantes pour la fonction du génome. » Comme l’une des principales conclusions de l’étude, les chercheurs ont découvert que les assemblages collaboratifs les plus importants d’éléments d’ADN se produisaient autour de gènes associés à l’identité cellulaire.

Les futures expériences exploreront quelles combinaisons spécifiques de composants génomiques sont essentielles pour différents aspects de l’identité cellulaire. La nouvelle technologie peut également aider les chercheurs à comprendre comment les cellules souches, les cellules immatures du maître dans le corps, se différencient en différents types de cellules.

De plus, les chercheurs pourraient mieux comprendre les anomalies des cellules cancéreuses. « À l’avenir, cette technologie pourrait être vraiment utile pour comprendre comment les génomes des cellules cancéreuses sont réarrangés et comment ces changements modifient les identités cellulaires qui permettent aux cancers de se développer et de se propager », a déclaré le Dr Emelinsky.