EChaque bactérie court pour devenir une bactérie, et celle qui aura la stratégie la plus rapide en sortira vainqueur. Les espèces Escherichia coli en est un bon exemple. Il peut continuellement doubler sans interruption et, contre-intuitivement, ce bug a évolué vers diviser plus rapidement qu’il ne peut répliquer son génome.1 Étant donné que E. coli pousse sa réplication à l’extrême, les scientifiques ont émis l’hypothèse que cela pourrait interférer avec un autre processus qui se déroule sans repos : l’expression des gènes. Cependant, les scientifiques ont eu du mal à étudier les effets de la réplication sur l’expression des gènes, car les microbes d’une population bactérienne sont comme des travailleurs postés dans une ville sans sommeil.2 Chacun occupe une étape différente du cycle cellulaire, produisant trop de bruit pour filtrer les modèles.
Maintenant, je fais rapport dans Natureles chercheurs ont exploité une technique qui mesure l’expression des gènes dans le bactérie individuelleleur permettant de concentrer l’analyse sur des cellules uniques.3 Les modèles qui ont émergé des données ont révélé comment ces insectes très actifs régulent leur génome.
Microbiologiste et co-auteur de l’étude Andrew Poutainqui est membre de Itai Yanai équipe de recherche en biologie des systèmes de l’Université de New York, a reconnu qu’à tout moment, une bactérie individuelle exprime un ensemble distinct de gènes qui pourraient se perdre dans son analyse s’il faisait la moyenne de tous les membres de la population, le guidant vers transcriptomique unicellulaire.4 Pourtant, Pountain a déclaré : « Les données brutes avec lesquelles vous travaillez sont terribles » car elles sont encore très bruitées.
« C’est comme si quelqu’un vous disait de recréer un film, mais il vous donne les images individuellement, et chaque image est extrêmement sombre ou floue », a déclaré Yanai. L’équipe a dû trouver un moyen de nettoyer et d’aligner les cadres pour produire un biopic cohérent sur les tendances de l’expression génétique de la bactérie.
Pour découvrir des liens potentiels entre la réplication et l’expression des gènes, l’équipe a développé une nouvelle façon d’organiser les données collectées à partir de cellules non synchronisées qu’elles ont congelées dans le temps à l’aide de formaldéhyde. Ils ont émis l’hypothèse que si la réplication affecte l’expression des gènes, elle le fera dans l’ordre dans lequel elle copie les gènes le long du chromosome. En triant les données à la recherche de modèles reliant l’expression des gènes à la position chromosomique du gène, tout le chaos s’est soudainement transformé en ordre. « Si vous lui imposez une structure, qui est cette structure de cycle cellulaire basée sur la réplication, alors tout d’un coup, cela passe d’incroyablement bruyant et très difficile à incroyablement logique », a déclaré Pountain.
E. coli a un chromosome circulaire, mais la réplication ne se produit pas dans le sens des aiguilles d’une montre autour du chromosome. Plutôt, il reproduit simultanément deux segments à 180° en deux fois moins de temps, tous deux partant du même point de départ, à midi. Un segment se réplique dans le sens des aiguilles d’une montre tandis que l’autre le fait dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, se connectant à six heures.5
L’équipe a remarqué un schéma similaire pour l’expression des gènes : des gènes situés sur des segments opposés mais à égale distance du point de départ à 12 heures exprimés en même temps. Ces résultats suggèrent que ces gènes partageaient un signal d’activation synchronisé par la réplication synchronisée des deux segments.
D’autres modèles d’expression dans les données faisaient allusion à l’influence de la réplication. E. coli ne fait pas de pause entre un cycle de réplication et le suivant. Au même moment où les deux segments fusionnent à la ligne d’arrivée à six heures, une nouvelle vague de réplication commence au point de départ à midi. De même, ils ont découvert que les gènes proches du début et de la fin s’activaient en même temps, révélant que la réplication contrôlait leur expression.
Enfin, les données bruyantes sur l’expression des gènes collectées auprès des populations bactériennes étaient logiques, même si elles ont été une surprise pour l’équipe. « Nous ne nous attendions jamais vraiment à trouver un système beaucoup plus général et de portée beaucoup plus mondiale », a déclaré Pountain.
Kuanwei Shengun biologiste des systèmes de l’Université Harvard qui n’a pas participé aux travaux, a déclaré : « Il existe plusieurs études démontrant, par exemple, qu’un seul gène est fortement affecté par la réplication », mais il a noté qu’il s’agit de la première démonstration que ces effets sont systémiques.
Après avoir montré que la réplication influence l’expression globale des gènes, l’équipe a ensuite généré des graphiques montrant les modèles d’expression de gènes uniques, qu’ils ont appelés profils d’interaction transcription-réplication (TRIP). Ces graphiques ont révélé des changements dans le moment et le niveau d’expression des gènes qui se sont produits parallèlement aux cycles de réplication.
Pountain a comparé TRIP à un électrocardiogramme (ECG). De la même manière que les ondes d’un ECG véhiculent des informations sur la santé cardiaque, les courbes d’un TRIP révèlent comment la réplication active et désactive un gène. L’équipe de recherche doit encore décoder le TRIP de chaque gène pour comprendre dans quelle mesure la réplication contrôle son expression par rapport à d’autres régulateurs, comme les facteurs de transcription.
« C’est comme si nous avions découvert ce nouveau dictionnaire, mais nous ne savons pas encore ce que signifie chaque mot », a déclaré Yanai. Avec le temps, ils visent à définir les différents TRIP du génome.
L’équipe a également découvert des tendances similaires dans l’expression des gènes Staphylococcus aureus, une espèce lointainement apparentée, ce qui suggère que le processus pourrait être conservé entre les bactéries. Cependant, « à l’heure actuelle, on ne sait pas dans quelle mesure on peut extrapoler à (d’autres bactéries). Je pense que cela mérite une étude plus approfondie », a ajouté Sheng.
La question de savoir si les archées ou les eucaryotes ont un processus similaire reste également ouverte. « Les cellules eucaryotes sont beaucoup plus compliquées à différents égards », a déclaré Sheng. Ils ont plusieurs chromosomes plus gros, de multiples origines de réplication sur chaque chromosome et certaines régions de l’ADN sont plus étroitement regroupées que d’autres, de sorte que cette forme de régulation génique pourrait être strictement procaryote. Néanmoins, « les bactéries sont des agents pathogènes importants avec lesquels nous devons lutter », a déclaré Yanai. «Cet outil pourrait à lui seul revêtir une grande importance biomédicale.»
Les références
- Youngren B, et al. La multifourche Escherichia coli le chromosome est un polymère annulaire thermodynamique autoduplicatif et autoségrégant. Développeur de gènes. 2014;28(1):71-84.
- Thanbichler M. Synchronisation de la dynamique chromosomique et de la division cellulaire chez les bactéries. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2010;2(1).
- Pountain AW, et al. Les interactions transcription-réplication révèlent une régulation du génome bactérien. Nature. 2024;626(7999).
- Blattman SB, et al. Séquençage d’ARN unicellulaire procaryote par indexation combinatoire in situ. Nat Microbiol. 2020;5(10):1192-1201.
- Rudolph C, et al. Éviter et résoudre les conflits entre la réplication et la transcription de l’ADN. Réparation de l’ADN. 2007;6(7):981-993.
