Des scientifiques étudient l’impact épigénétique sur l’ensemble du génome


Briser le silence: les scientifiques étudient l'impact épigénétique sur l'ensemble du génome

Des scientifiques de l’Unité d’épigénétique des plantes de l’OIST ont cultivé les souches mutantes épigénétiques d’Arabidopsis thaliana dans différents plateaux sous lumière artificielle. Crédit: OIST

Toute vie dépend d’un génome, qui agit comme un manuel d’instructions pour construire tous les produits essentiels au développement et à la survie. Mais savoir laquelle de ces instructions individuelles – ou gènes – doit être lue, et quand, est la clé d’un organisme fonctionnant correctement: alors comment la vie réussit-elle?

Entrez dans la régulation épigénétique – le processus par lequel les cellules contrôlent l’expression ou la lisibilité des gènes. Dans les organismes multicellulaires, l’épigénétique est la raison pour laquelle chaque type de cellule varie en forme et en fonction, chaque type de cellule suivant un sous-ensemble d’instructions différent. Les cellules utilisent également la régulation épigénétique en tant que “ système immunitaire ”, supprimant l’activité des “ gènes sauteurs ” perturbateurs appelés transposons qui peuvent autrement sauter autour du génome et menacer son intégrité.

Malgré son importance, les scientifiques ont encore du mal à démêler les nombreuses voies que les cellules utilisent pour contrôler précisément l’activité des gènes. Des chercheurs de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont découvert un mystère en examinant comment les cellules végétales suppriment la transcription – la première étape de la façon dont les gènes fabriquent leurs produits. Leurs résultats, récemment publiés dans Communications Nature, identifient des sections d’ADN inconnues jusqu’alors qui sont réduites au silence par la régulation épigénétique, dont beaucoup proviennent de transposons.

“Cette étude fournit une vue complète sur comment et où les cellules suppriment la transcription à travers le génome entier”, a déclaré le Dr Tu Le, premier auteur et chercheur postdoctoral de l’unité OIST Plant Epigenetics. “Surtout, nous avons constaté que ce silence était vital pour garantir que les gènes impliqués dans le développement et les réponses au stress fonctionnent correctement.”

Pendant la transcription, la machinerie cellulaire copie une section d’ADN dans l’ARN. Habituellement, ces transcrits d’ARN sont ensuite utilisés pour fabriquer des protéines. Les cellules peuvent augmenter ou supprimer la transcription en ajoutant des étiquettes chimiques à l’ADN ou aux protéines histones qui conditionnent l’ADN, qui indiquent à la machinerie quels ARN transcrivent – et finalement les protéines – à produire et en quelle quantité.

Ce niveau de contrôle précis est vital pour la gestion des transposons. “Les transposons sont des parasites des génomes, qui favorisent leur propre expression au détriment de l’organisme”, a déclaré le professeur Hidetoshi Saze, auteur principal de l’étude et chef de l’Unité d’épigénétique des plantes. “Lorsqu’un transposon est actif, sa séquence génétique est utilisée pour fabriquer une protéine qui peut déplacer le transposon vers un emplacement différent dans le génome, comme les fonctions informatiques couper-coller ou copier-coller.”

Les transposons sont généralement réduits au silence, car leur activité peut désactiver des gènes importants. Mais parfois, en situation de stress, les plantes réactivent les transposons car elles sont une source de variation génétique, générant potentiellement des mutations bénéfiques qui permettent à la plante de s’adapter à l’environnement en mutation.

“Notre laboratoire vise à déterminer exactement comment les cellules reconnaissent et régulent les transposons”, a ajouté le Dr Le. “Ce travail est une première étape importante vers cet objectif.”

Dévoilement des sites cachés de transcription

Dans l’étude, les scientifiques ont utilisé plusieurs souches mutantes d’une plante appelée Arabidopsis thaliana, avec une voie épigénétique différente désactivée dans chaque souche.

Des scientifiques étudient l'impact épigénétique sur l'ensemble du génome

Dans les plantes de type sauvage (en haut), l’ADN (brins bleus) est méthylé (diamants rouges) et bien emballé, de sorte que les TSS cryptiques sont inaccessibles. Chez les mutants épigénétiques (inférieurs), l’ADN est moins méthylé et devient accessible, permettant aux TSS cryptiques d’être activés. Crédit: OIST

L’équipe a ensuite utilisé une technique de séquençage pour détecter des séquences d’ADN spécifiques qui agissent comme des sites de départ pour la machinerie de transcription du génome. Ils ont révélé des milliers de ces «sites de début de transcription» (TSS) qui n’étaient actifs que chez les mutants épigénétiques.

“Beaucoup de ces sites n’avaient pas été détectés dans des études précédentes, car ils sont complètement réduits au silence dans les plantes de type sauvage. Notre découverte de ces TSS cachés – ou cryptiques – fournit une source précieuse de données pour de futures recherches épigénétiques sur les plantes”, a déclaré le professeur Saze.

Les scientifiques ont identifié une souche mutante de la plante qui a activé un nombre particulièrement élevé de TSS cryptiques. Le gène manquant à ce mutant code pour une protéine clé qui maintient la méthylation de l’ADN. Lorsque des groupes méthyle sont ajoutés à l’ADN, cette étiquette épigénétique déclenche une voie biochimique qui oblige les histones à emballer l’ADN plus étroitement. Cela empêche physiquement les mécanismes de transcription d’accéder aux régions du génome qui contiennent les TSS cryptiques.

“Le nombre considérable de TSS cryptiques activés lorsque la méthylation de l’ADN est perdue montre qu’il s’agit d’une méthode puissante et répandue de faire taire”, a déclaré le Dr Le.

Des transposons à la tolérance au stress

Une autre conclusion clé a été le lien entre les transposons et les TSS cryptiques. Les scientifiques ont découvert que jusqu’à 65% des TSS cryptiques provenaient de ces «gènes sauteurs», qui étaient plus longs et plus fortement méthylés que les transposons sans TSS cryptiques.

“Cela suggère que les transposons avec des TSS cryptiques sont plus jeunes, intacts et encore capables de sauter autour du génome, c’est pourquoi ils sont réduits au silence”, a expliqué le Dr Le.

Étonnamment, les scientifiques ont remarqué que lorsque les TSS cryptiques étaient activés chez les mutants épigénétiques, cela changeait l’activité des gènes voisins impliqués dans le stress et le développement. Les scientifiques ne comprennent pas encore complètement le mécanisme derrière cet impact, mais les implications sont intrigantes.

“Il existe des recherches antérieures qui montrent qu’au fil du temps, à mesure que les transposons se dégradent, les plantes peuvent adapter les TSS dans les transposons pour leur propre usage, afin de réguler l’activité des gènes voisins”, a déclaré le professeur Saze. “L’effet des TSS cryptiques activés sur les gènes de stress et de développement suggère qu’à l’avenir, les plantes pourraient utiliser ces TSS pour s’adapter aux conditions changeantes.”

Dans les recherches futures, les scientifiques espèrent en savoir plus sur ces TSS cryptiques et comment ils affectent l’activité des gènes voisins. “Cette étude pourrait nous aider à mieux comprendre comment les plantes réagissent aux changements environnementaux tels que le réchauffement climatique, la sécheresse et la dégradation des nutriments dans le sol. Il pourrait alors être possible de développer de nouvelles cultures qui résistent à ce type de stress”, a déclaré le professeur Saze. .


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