MLes souvenirs peuvent vivre dans le cerveau sous forme de substances remarquablement cohérentes. C’est la définition du mot engramme, qui décrit le contenu physique de la manière dont un souvenir est stocké. Mais les souvenirs s’étendent au-delà du niveau de l’organisme ; les cellules conservent également des souvenirs de la variété des gènes qu’elles expriment au fil du temps. Comme les éléments cis-régulateurs (CRE) régulent l’expression des gènes, la mesure de l’activité de ces CRE pourrait fournir des informations sur la manière dont les gènes sont exprimés dans les cellules. Cependant, techniques existantes ne peut enregistrer la régulation des gènes cellulaires qu’à un seul instant.1
Motivés à trouver un moyen d’enregistrer l’activité de ces CRE au fil du temps, Jay Shenduregénéticien à l’Université de Washington, et son équipe ont développé une technique appelée enregistrement génomique piloté par l’amplificateur de l’activité transcriptionnelle en multiplex, ou ENGRAM.2 En exploitant l’édition primaire, qui permet d’insérer une séquence d’ADN courte et unique à un endroit précis, Shendure et son équipe ont pu suivre et écrire des informations sur la régulation des gènes dans un emplacement génomique. Leur approche, publiée dans Nature, pourrait potentiellement fournir des informations sur la manière dont, au fil du temps, certains gènes façonnent l’identité d’une cellule.2
Un CRE est une portion d’ADN qui régule l’expression d’un gène voisin. Lorsque le gène est sur le point d’être activé, les facteurs de transcription se lient à une section du CRE et commencent le processus d’expression du gène. Pour le système ENGRAM, l’équipe a utilisé des CRE pour amener les ARN guides d’édition primaire (pegRNA) à insérer de petites séquences d’ADN (codes-barres) à un emplacement spécifié du génome. Lorsqu’un CRE était activé, l’édition primaire s’ensuivait et le code-barres correspondant était écrit. En attribuant à chaque CRE un code-barres unique, les scientifiques ont pu suivre l’activité de nombreux CRE différents.
En utilisant la même séquence d’espacement sur chaque pegRNA, les scientifiques ont assuré que tous les codes-barres étaient inscrits au même endroit dans le génome pour créer une « liste » de codes-barres. « C’est la clé de la multiplexité », a déclaré Wei (Will) Chenqui est co-auteur de l’article et qui était auparavant étudiant diplômé dans le laboratoire de Shendure. Chen est maintenant chercheur postdoctoral à l’Institute for Protein Design.
Les scientifiques ont pu simplement séquencer l’ADN cellulaire, examiner les codes-barres qui y étaient inscrits et démêler l’histoire régulatrice de la cellule. Lorsque les scientifiques ont testé le système sur des cellules vivantes pour voir si le nombre de codes-barres enregistrés correspondait à la quantité d’ARN produite par l’expression génétique, ils ont découvert que les deux étaient corrélés, ce qui a validé le fait que les CRE capturaient quantitativement l’étendue de l’expression.
Les scientifiques ont ensuite testé si le système d’enregistrement ENGRAM pouvait correctement capturer les effets de plusieurs signaux en incorporant trois CRE qui s’activeraient en réponse à différents stimuli, comme l’application d’un médicament. Ils ont découvert que les codes-barres enregistrés reflétaient la quantité de signal externe appliqué : plus le signal était important, plus le nombre de codes-barres était élevé.
Enfin, lorsque l’équipe a testé ENGRAM sur des cellules embryonnaires de souris, elle a pu mesurer l’activité de 98 CRE synthétiques à mesure que les cellules embryonnaires se différenciaient au fil du temps. « Au final, nous pouvons cartographier, dans une série chronologique, la dynamique de différents signaux », a déclaré Chen.
« (L’étude) aborde une limitation importante dans le domaine, à savoir que nous devons avoir la capacité d’enregistrer les niveaux d’expression directement à partir des gènes », a déclaré Harris Wangun biologiste de l’Université de Columbia qui n’a pas participé à l’étude.
Certains pourraient craindre que le processus même d’insertion d’ADN synthétique dans le génome pour enregistrer l’activité des éléments régulateurs puisse perturber l’état normal de la cellule. Mais selon Reza KalhorPour un bioingénieur de l’université Johns Hopkins qui n’a pas participé à l’étude, c’est un risque inévitable. « Le principe de Heisenberg nous dit que nous ne pouvons rien mesurer sans le modifier », a-t-il déclaré.
Pour Shendure, il s’agit de découvrir le parcours de la cellule, et pas seulement sa destination finale. « L’idée est que nous puissions parvenir à un monde où nous effectuerons systématiquement des mesures sur toutes les cellules d’un système qui reflètent non seulement la dynamique finale de ce système, mais aussi tout ce qui s’est passé en cours de route », a-t-il déclaré.
