La découverte, au cours du projet Génome humain au début des années 2000, que nous, les humains, ne possédons qu'environ 20,000 XNUMX gènes codant pour des protéines – à peu près autant que le minuscule ver nématode vivant dans le sol, et moins de la moitié de celui du plant de riz – a été un choc. . Ce coup porté à notre fierté a cependant été atténué par l’idée que le génome humain est riche en connexions régulatrices. Nos gènes interagissent dans un réseau dense, dans lequel des morceaux d’ADN et les molécules qu’ils codent (ARN et protéines) contrôlent « l’expression » d’autres gènes, influençant leur production respective d’ARN et de protéines. Pour comprendre le génome humain, nous devions comprendre ce processus de régulation génique.

Cette tâche s’avère cependant bien plus ardue que le décodage de la séquence du génome.

Initialement, on soupçonnait que la régulation des gènes était une simple question de produit génétique agissant comme un interrupteur marche/arrêt pour un autre gène, de manière numérique. Dans les années 1960, les biologistes français François Jacob et Jacques Monod ont été les premiers à élucider un processus de régulation génétique dans les détails mécanistiques : dans Escherichia coli Dans les bactéries, lorsqu'une protéine répresseur se lie à un certain segment d'ADN, elle bloque la transcription et la traduction d'une suite adjacente de gènes codant pour les enzymes permettant de digérer le sucre lactose. Ce circuit régulateur, que Monod et Jacob ont surnommé le lac opéron, a une logique soignée et transparente.

Mais la régulation génétique chez les métazoaires complexes – des animaux comme les humains, dotés de cellules eucaryotes complexes – ne semble généralement pas fonctionner de cette façon. Au lieu de cela, cela implique un groupe de molécules, notamment des protéines, des ARN et des morceaux d’ADN provenant de tout un chromosome, qui collaborent d’une manière ou d’une autre pour contrôler l’expression d’un gène.

Ce n’est pas seulement que ce processus de régulation chez les eucaryotes compte plus d’acteurs que ce que l’on voit généralement chez les bactéries et autres cellules procaryotes simples ; cela semble être un processus catégoriquement différent, et plus flou.

Une équipe de l’Université de Stanford, dirigée par le biophysicien et bioingénieur Polly Fordyce, semble maintenant avoir découvert une composante de ce mode flou de régulation génique. Leur travail, publié en septembre dernier dans Sciences, suggère que l'ADN à proximité d'un gène agit comme une sorte de puits peu profond pour piéger diverses molécules régulatrices, les gardant prêtes à l'action afin que, si nécessaire, elles puissent ajouter leur voix à la décision d'activer ou non le gène.

Ces puits régulateurs sont constitués d’étendues d’ADN résolument étranges. Ils sont constitués de séquences dans lesquelles une courte séquence d’ADN, longue d’une à six paires de bases, se répète plusieurs fois. Des dizaines de copies de ces « courtes répétitions en tandem » (STR) peuvent être enchaînées dans ces séquences, comme le même petit « mot » écrit encore et encore.

Les STR sont abondants dans le génome humain : ils représentent environ 5 % de tout notre ADN. On pensait autrefois qu'ils étaient des exemples classiques d'ADN « indésirable », car un « texte » d'ADN répétitif composé uniquement de DOS ne peut pas contenir autant d'informations significatives que, disons, la séquence irrégulière de lettres qui composent une phrase dans ce type de phrase. article.

Et pourtant, les STR ne sont clairement pas anodins : ils ont été associés à des maladies telles que la maladie de Huntington, l'amyotrophie spinobulbaire, la maladie de Crohn et certains cancers. Au cours des deux dernières décennies, les preuves se sont accumulées selon lesquelles ils peuvent d’une manière ou d’une autre améliorer ou inhiber la régulation des gènes. Le mystère était de savoir comment ils pouvaient être si puissants avec si peu de contenu informatif.

Contrôles complexes pour cellules complexes

Pour comprendre comment les STR s’intègrent dans le cadre général de la régulation génétique, prenons un peu de recul. Les gènes sont généralement flanqués de morceaux d’ADN qui ne codent pas pour l’ARN ou les protéines mais qui ont des fonctions régulatrices. Les gènes bactériens ont des régions « promotrices » où les enzymes polymérases peuvent se lier pour commencer la transcription de l’ADN adjacent en ARN. Ils possèdent également régulièrement des régions « opérateurs », dans lesquelles les protéines répresseurs peuvent se lier pour bloquer la transcription, désactivant ainsi un gène, comme dans le cas de la transcription. lac opéron.

Chez les humains et les autres eucaryotes, les séquences régulatrices peuvent être plus nombreuses, plus variées et plus déroutantes. Les régions appelées activateurs, par exemple, affectent la probabilité qu'un gène soit transcrit. Les activateurs sont souvent la cible de protéines appelées facteurs de transcription, qui peuvent se lier pour stimuler ou inhiber l'expression des gènes. Bizarrement, certains activateurs se trouvent à des dizaines de milliers de paires de bases des gènes qu’ils régulent et ne s’en rapprochent que grâce au réarrangement physique des boucles d’ADN dans un chromosome emballé.

La régulation des gènes eucaryotes implique généralement ces nombreux blocs régulateurs divers de l'ADN, ainsi qu'un ou plusieurs facteurs de transcription et d'autres molécules, tous rassemblés autour d'un gène comme un comité réuni pour décider de ce qu'il doit faire. Ils se rassemblent en grappes lâches et denses.

Souvent, les participants moléculaires ne semblent pas non plus interagir par le biais des paires « serrure et clé » très sélectives, courantes en biologie moléculaire. Ils sont en revanche beaucoup moins exigeants, interagissant plutôt faiblement et de manière non sélective, comme s'ils se promenaient et entamaient de brèves conversations les uns avec les autres.

En fait, la manière dont les facteurs de transcription se lient à l’ADN chez les eucaryotes reste un mystère. On a longtemps supposé qu’une partie d’un facteur de transcription devait correspondre étroitement à une séquence de « motif » de liaison dans l’ADN, comme les pièces d’un puzzle. Mais bien que certains de ces motifs aient été identifiés, leur présence ne correspond pas toujours très bien à l'endroit où les scientifiques trouvent des facteurs de transcription adhérant à l'ADN dans les cellules. Parfois, les facteurs de transcription persistent dans des régions sans aucun motif, tandis que certains motifs qui semblent devoir lier fortement les facteurs de transcription restent vides.

« Traditionnellement en génomique, l'objectif était de classer les sites génomiques de manière [binaire] comme « liés » ou « non liés » » par des facteurs de transcription, a déclaré Fordyce. "Mais le tableau est bien plus nuancé que cela." Les membres individuels de ces « comités » de régulation génétique ne semblent pas invariablement présents ou absents de leurs réunions, mais ont plutôt des probabilités différentes d'être présents ou non.

La tendance de la régulation génétique chez les eucaryotes à s’appuyer sur autant d’interactions faibles et diverses entre de grands complexes moléculaires « est l’une des choses qui rend notoirement difficile sa compréhension théorique », a déclaré le biophysicien. Thomas Kuhlman de l'Université de Californie à Riverside, qui a écrit un commentaire sur le papier du laboratoire Fordyce pour Sciences. C'est une profonde énigme de savoir comment, de ce processus apparemment chaotique, émergent des décisions précises concernant l'activation et la désactivation des gènes.

Au-delà de la mystérieuse logique floue de ce processus de décision, se pose également la question de savoir comment tous les membres du comité parviennent à se rendre dans la bonne salle – et y restent ensuite. Les molécules se déplacent généralement dans la cellule par diffusion, secouées par toutes les autres molécules environnantes, comme l'eau, et errant dans des directions aléatoires. On pourrait s’attendre à ce que ces comités lâches se séparent trop rapidement pour accomplir leur travail de réglementation.

Selon Fordyce et ses collègues, c'est là que les STR entrent en jeu. Les STR sont étonnamment courants dans les sites amplificateurs de l'ADN. Dans leur article, les chercheurs affirment que les STR agissent comme des patchs collants qui rassemblent les facteurs de transcription et les empêchent de s'égarer.

Ajuster l'adhésivité

Le groupe de Fordyce a systématiquement étudié comment les différences dans la séquence STR influencent le collage des facteurs de transcription sur un motif de liaison. Ils ont examiné deux facteurs – l’un provenant de la levure, l’autre provenant des humains – qui correspondent à un motif particulier à six bases. Les chercheurs ont mesuré à la fois la force (ou l’affinité) de cette liaison et la vitesse à laquelle les facteurs de transcription se bloquent et se décollent (cinétique) lorsque le motif est flanqué d’un STR au lieu d’une séquence aléatoire. À titre de comparaison, ils ont examiné la facilité avec laquelle les facteurs se lient au STR seul et à une séquence d'ADN totalement aléatoire.

"L'un des plus grands défis de ce domaine est de démêler la myriade de variables qui ont un impact sur la liaison du [transcription factor] à une position spécifique du génome", a déclaré David Suter, biologiste moléculaire à l'École polytechnique fédérale de Lausanne en Suisse. La forme de l’ADN, la proximité avec d’autres segments d’ADN et la tension physique dans les molécules d’ADN peuvent toutes jouer un rôle dans la liaison des facteurs de transcription. Les valeurs de ces paramètres diffèrent probablement à chaque position du génome, et peut-être aussi entre les types de cellules et au sein d'une même cellule, au fil du temps et à une position donnée. "Il s'agit d'un vaste espace de variables inconnues qui sont très difficiles à quantifier", a déclaré Suter.

C'est pourquoi les expériences bien contrôlées comme celles de l'équipe de Stanford sont si utiles, a ajouté Kuhlman. Habituellement, lorsque les chercheurs ont besoin de mesurer des interactions faibles comme celles-ci, ils ont deux choix : ils peuvent effectuer quelques mesures très détaillées et extrêmement précises et généraliser à partir de celles-ci, ou ils peuvent prendre un grand nombre de mesures rapides et sales et utiliser des mesures mathématiques complexes. méthodes statistiques pour déduire des résultats. Mais Fordyce et ses collègues, a déclaré Kuhlman, ont utilisé une procédure automatisée basée sur une puce microfluidique pour prendre des mesures précises lors d'expériences à haut débit « afin d'obtenir le meilleur des deux mondes ».

L'équipe de Stanford a découvert que différentes séquences STR peuvent modifier les affinités de liaison des facteurs de transcription à l'ADN jusqu'à un facteur 70 ; ils ont parfois plus d'impact sur la liaison aux facteurs de transcription que sur la modification de la séquence du motif de liaison lui-même. Et les effets étaient différents pour les deux facteurs de transcription différents qu’ils ont examinés.

Les STR semblent donc capables d’affiner la capacité des facteurs de transcription à s’ancrer sur un site d’ADN et ainsi à réguler un gène. Mais comment, exactement ?

Une salle d'attente près d'un gène

Les chercheurs ont estimé que la partie d'un facteur de transcription qui lie l'ADN pourrait interagir faiblement avec un STR, la force exacte de cette affinité dépendant de la séquence STR. Parce qu’une telle liaison est faible, elle n’aura pas beaucoup de spécificité. Mais si un facteur de transcription est vaguement saisi et libéré par un STR, encore et encore, l'effet cumulatif est de maintenir le facteur de transcription à proximité du gène afin qu'il soit plus susceptible de se lier solidement à la région du motif si nécessaire.

Fordyce et ses collègues ont prédit que les STR agiraient ainsi comme un « lobby » ou un puits où les facteurs de transcription peuvent se rassembler, même de manière transitoire, à proximité d'un site de liaison réglementaire. "La nature répétitive d'un STR amplifie le faible effet de tout site de liaison unique qui le compose", a déclaré Connor Horton, le premier auteur de l'étude, qui est maintenant doctorant à l'Université de Californie à Berkeley.

À l’inverse, a-t-il ajouté, certains STR peuvent également agir pour éloigner les facteurs de transcription des séquences régulatrices, absorbant les facteurs de transcription ailleurs comme une éponge. De cette façon, ils peuvent inhiber l’expression des gènes.

Le travail, a déclaré Suter, « montre de manière convaincante que les STR ont un impact direct sur la liaison des facteurs de transcription in vitro ». De plus, l'équipe de Stanford a utilisé un algorithme d'apprentissage automatique pour montrer que les effets observés dans leurs expériences in vitro semblent également se produire dans les cellules vivantes (c'est-à-dire in vivo).

Mais Robert Tjian, biochimiste à Berkeley et chercheur au Howard Hughes Medical Institute, pense qu'il est peut-être trop tôt pour être sûr de l'influence d'une combinaison STR-facteur de transcription donnée sur l'expression des gènes dans les cellules réelles.

Tjian, Xavier Darzacq et leurs collègues du laboratoire qu'ils dirigent ensemble à Berkeley conviennent que les STR semblent offrir un moyen de concentrer les facteurs de transcription à proximité des sites de régulation des gènes. Pourtant, sans savoir à quel point les facteurs doivent être proches pour activer la transcription, il est difficile de comprendre la signification fonctionnelle de ce résultat. Tjian a déclaré qu'il aimerait voir si l'introduction d'un STR dans une cellule vivante influence de manière prévisible l'expression d'un gène cible. À l’heure actuelle, dit-il, il n’est « pas convaincu que les DOS constitueront nécessairement un aspect majeur des mécanismes [de régulation] in vivo ».

Une grammaire combinatoire

Une énigme persistante est de savoir comment un tel mécanisme fournit de manière fiable le type de régulation génique précise dont les cellules ont besoin, puisque la force et la sélectivité de la liaison des facteurs de transcription dans les puits STR sont faibles. Fordyce pense qu'une telle spécificité d'influence pourrait provenir de nombreuses sources, non seulement des différences dans les séquences STR, mais également des interactions coopératives entre les facteurs de transcription et d'autres protéines impliquées dans la régulation.

Compte tenu de tout cela, a déclaré Horton, il n'est pas clair qu'il soit simple de prédire l'effet d'une combinaison STR-facteur de transcription donnée sur l'expression d'un gène. La logique du processus est en effet floue. Et la « grammaire » de l’influence est probablement combinatoire, a ajouté Horton : le résultat dépend de différentes combinaisons de facteurs de transcription et d’autres molécules.

L’équipe de Stanford pense que peut-être 90 % des facteurs de transcription sont sensibles aux STR, mais qu’il existe bien plus de types de facteurs de transcription dans le génome humain que de types de STR. "La mutation d'une séquence STR pourrait affecter la liaison de 20 facteurs de transcription différents dans ce type de cellule, entraînant une diminution globale de la transcription de ce gène voisin sans impliquer aucun facteur de transcription spécifique", a déclaré Horton.

Ainsi, l’équipe de Stanford est d’accord avec Tjian sur le fait que la régulation des gènes dans les cellules vivantes ne sera pas pilotée par un mécanisme simple et unique. Au contraire, les facteurs de transcription, leurs sites de liaison à l’ADN et d’autres molécules régulatrices peuvent s’assembler en rassemblements denses qui exercent leur influence collectivement.

"Il existe désormais de nombreux exemples qui soutiennent l'idée selon laquelle les éléments de l'ADN peuvent encombrer les facteurs de transcription au point où ils forment des condensats avec les cofacteurs", a déclaré Richard Young, biologiste cellulaire au Whitehead Institute du Massachusetts Institute of Technology. Les amplificateurs lient de nombreux facteurs de transcription pour produire cet encombrement. Les STR peuvent être un ingrédient qui aide à rassembler les facteurs de transcription à proximité d’un gène, mais ils ne constitueront pas toute l’histoire.

Pourquoi réguler les gènes de manière aussi compliquée, plutôt que de s’appuyer sur le type d’interactions fortes et spécifiques entre les protéines régulatrices et les sites d’ADN qui dominent chez les procaryotes ? Il est possible que ce flou soit ce qui a rendu possibles de grands métazoaires complexes.

Pour être des espèces viables, les organismes doivent être capables d’évoluer et de s’adapter à des circonstances changeantes. Si nos cellules s'appuyaient sur un réseau énorme mais étroitement prescrit d'interactions de régulation génétique, il serait difficile d'y apporter des modifications sans perturber l'ensemble de l'engin, tout comme une montre suisse se gripperait si nous supprimions (ou même déplacions légèrement) un élément. de ses myriades de roues dentées. Toutefois, si les interactions moléculaires régulatrices sont lâches et peu spécifiques, il existe un relâchement utile dans le système – tout comme un comité peut généralement prendre une bonne décision même si l’un de ses membres est malade.

Fordyce note que chez les procaryotes comme les bactéries, il peut être relativement facile pour les facteurs de transcription de trouver leurs sites de liaison car le génome à rechercher est plus petit. Mais cela devient de plus en plus difficile à mesure que le génome grossit. Dans les grands génomes des eucaryotes, « vous ne pouvez plus tolérer le risque de rester temporairement coincé sur un « mauvais » site de liaison », a déclaré Fordyce, car cela compromettrait la capacité de réagir rapidement aux conditions environnementales changeantes.

De plus, les STR eux-mêmes sont hautement évolutifs. Un allongement ou un raccourcissement de leur séquence, ou une altération de la taille et de la profondeur du « puits de facteurs de transcription », peuvent facilement se produire à la suite d’incidents dans la réplication ou la réparation de l’ADN, ou à la suite d’une recombinaison sexuelle des chromosomes. Pour Fordyce, cela suggère que les STR « peuvent donc servir de matière première pour développer de nouveaux éléments de régulation et affiner les modules de régulation existants pour les programmes transcriptionnels sensibles », tels que ceux régissant le développement des animaux et des plantes.

Le pouvoir des interactions faibles

De telles considérations conduisent les biologistes moléculaires à accorder beaucoup plus d’attention aux interactions faibles et relativement non sélectives dans le génome. Beaucoup d’entre eux impliquent des protéines qui, au lieu d’avoir une structure fixe et précise, sont lâches et souples – « intrinsèquement désordonnées », comme le disent les biochimistes. Si les protéines fonctionnaient uniquement à travers des domaines structurels rigides, a expliqué Young, cela limiterait non seulement la manière dont les systèmes de régulation pourraient évoluer, mais également les types de régulation dynamique observés dans la vie. "Vous ne trouverez pas d'organisme vivant - ni même de virus - fonctionnant uniquement avec des éléments structurels stables comme ceux d'une montre suisse", a déclaré Young.

Peut-être que l’évolution est simplement tombée sur les STR en tant que composant d’une solution aussi complexe mais finalement plus efficace à la régulation des gènes chez les eucaryotes. Les STR eux-mêmes peuvent survenir de plusieurs manières, par exemple en raison d'erreurs de réplication de l'ADN ou de l'activité de segments d'ADN appelés éléments transposables qui se copient dans tout le génome.

"Il se trouve que les faibles interactions émergentes qui en résultent entre les protéines et les séquences répétitives pourraient… apporter un avantage sélectif aux cellules où cela se produisait", a déclaré Kuhlman. Il suppose que ce flou a probablement été imposé aux eucaryotes, mais qu’« ils ont ensuite pu l’exploiter pour leur propre bénéfice ». Les bactéries et autres procaryotes peuvent s’appuyer sur une logique de régulation « numérique » bien définie, car leurs cellules ont tendance à n’exister que dans quelques états simples et distincts, comme se déplacer et se répliquer.

Mais les différents états cellulaires des métazoaires sont « beaucoup plus complexes et parfois proches d’un continuum », a déclaré Suter, ils sont donc mieux servis par une régulation « analogique » plus floue.

"Les systèmes de régulation génétique chez les bactéries et les eucaryotes semblent avoir divergé considérablement", a reconnu Tjian. Alors que Monod aurait fait remarquer un jour que « ce qui est vrai pour E. coli est vrai pour l'éléphant », il semble que ce ne soit pas toujours le cas.