Cette technique est la plus complète à ce jour pour étudier la forme des gènes.
La nouvelle technique est “comme la mise à niveau du Hubble vers le James Webb”.
Une nouvelle technique d’imagerie capture l’architecture tridimensionnelle du génome humain avec des détails sans précédent, montrant comment les gènes individuels se replient au niveau des nucléosomes, les unités fondamentales constituant l’architecture tridimensionnelle du génome.
La technologie, qui a été créée par des chercheurs barcelonais du Centre de régulation génomique (CRG) et du Institut de recherche en biomédecine (IRB Barcelone), combine la microscopie à haute résolution avec une modélisation informatique sophistiquée. C’est la technique la plus complète à ce jour pour étudier la forme des gènes.
La nouvelle technique permet aux chercheurs de créer et de naviguer numériquement dans des modèles tridimensionnels de gènes, en voyant non seulement leur architecture, mais également des informations sur leur mouvement ou leur flexibilité. Comprendre le fonctionnement des gènes pourrait nous aider à mieux comprendre comment ils influencent le corps humain à la fois sur la santé et la maladie puisque presque toutes les maladies humaines ont une base génétique.
Comparaison à l’aide d’un microscope conventionnel (à gauche) pour visualiser la structure du gène NANOG, qui apparaît comme une tache verte brillante par rapport à l’utilisation de MiOS (à droite) qui peut imager des gènes individuels. MiOS a une résolution environ dix fois meilleure et détaille également les aspects critiques de la structure qui ne sont pas discernables avec les méthodes conventionnelles. Crédit : Vicky Neguembor/CRG et Pablo Dans/IRB Barcelona
Les scientifiques pourront éventuellement utiliser ces connaissances pour prédire ce qui arrive aux gènes lorsque les choses tournent mal, par exemple en cataloguant les différences dans la structure des gènes qui causent la maladie. La méthode pourrait potentiellement être utilisée pour tester des médicaments qui modifient la forme d’un gène aberrant, contribuant ainsi au développement de nouveaux traitements pour diverses maladies.
La technologie est la prochaine évolution des techniques d’imagerie utilisées pour étudier les organismes vivants, qui ont commencé il y a plus de quatre cents ans avec la création de microscopes. Ceux-ci ont joué un rôle crucial dans l’avancement de la médecine et de la santé humaine, par exemple, utilisés par Robert Hooke pour décrire les cellules pour la première fois et plus tard utilisés par Santiago Ramón y Cajal pour identifier les neurones. Malgré de grands progrès, les limites des microscopes optiques étaient claires dès 1873, les chercheurs stipulant que leur résolution maximale ne pouvait pas dépasser 0,2 micromètre.
Cette limite physique a été dépassée au 21e siècle avec la création de la microscopie à super-résolution, une percée qui a reçu le prix Nobel de chimie en 2014. En utilisant la fluorescence, les chercheurs ont repoussé les limites de la microscopie optique et capturé des événements à 20 nanomètres, un exploit qui a révélé comment la vie fonctionne à une échelle moléculaire sans précédent.
Exemple de modèle MiOS montrant comment un gène se replie en 3D. Cela révèle à quel point certaines régions sont compactées et d’autres étirées et plus accessibles. Crédit : Pablo Dans/IRB Barcelone
La microscopie à super résolution a changé le cours de la recherche biomédicale, permettant aux scientifiques de suivre les protéines dans une variété de maladies. Il a également permis aux chercheurs d’étudier les événements moléculaires qui régulent l’expression des gènes. Les scientifiques veulent maintenant s’appuyer sur la technologie et aller plus loin en ajoutant plus de couches d’informations.
Les chercheurs ont émis l’hypothèse que la microscopie à super-résolution et sa fusion avec des outils informatiques avancés pourraient être un moyen d’imager les gènes au niveau de détail nécessaire pour étudier leur forme et leur fonction. Une équipe interdisciplinaire de scientifiques a partagé son expertise et a créé une nouvelle technique appelée Modeling immuno-OligoSTORM – ou MiOS en abrégé.
Les deux groupes de recherche se sont associés dans le cadre de l’appel Ignite de l’Institut des sciences et technologies de Barcelone (BIST), qui facilite l’échange de connaissances entre différents domaines scientifiques et explore de nouvelles approches pour résoudre des questions complexes.
De gauche à droite : Pia Cosma, Laura Martin, Rafael Lema, Ximena Garate, Victoria Neguembor, Pablo Dans, Juan Pablo Arcon, Jürgen Walther, Isabelle Brun Heath, Pablo Romero, Diana Buitrago. Crédit : BIST
« Notre stratégie de modélisation informatique intègre des données
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>ADN[{“attribute=””>DNA techniques de séquençage et de microscopie à super-résolution pour fournir une image (ou un film) essentielle de la forme 3D des gènes à des résolutions supérieures à la taille des nucléosomes, atteignant les échelles nécessaires pour comprendre en détail l’interaction entre la chromatine et d’autres facteurs cellulaires », explique le Dr Juan Pablo Arcon, co-premier auteur de l’ouvrage et chercheur postdoctoral à l’IRB Barcelone.
Comme preuve de concept, l’équipe de recherche a utilisé MiOS pour fournir de nouvelles informations sur la position, la forme et le compactage des gènes clés d’entretien ménager et de pluripotence, révélant de nouvelles structures et de nouveaux détails qui ne sont pas capturés en utilisant uniquement les techniques conventionnelles. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Structural & Molecular Biology. Les auteurs correspondants de l’étude incluent le professeur de recherche ICREA Pia Cosma au CRG et le professeur Modesto Orozco à l’IRB Barcelone, ainsi que Pablo Dans, auparavant chercheur à l’IRB Barcelone et maintenant à l’Université de la République (Uruguay) et à l’Institut Pasteur de Montevideo.
« Nous montrons que MiOS fournit des détails sans précédent en aidant les chercheurs à naviguer virtuellement à l’intérieur des gènes, révélant comment ils sont organisés à une toute nouvelle échelle. C’est comme une mise à niveau depuis le
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>TélescopespatialHubble[{“attribute=””>HubbleSpaceTelescope au James Webb, mais au lieu de voir des étoiles lointaines, nous explorerons les étendues les plus éloignées à l’intérieur d’un noyau humain », explique le Dr Vicky Neguembor, co-première et également co-auteure correspondante de l’étude et chercheuse au CRG.
Alors que de nombreuses recherches basées sur le génome changent déjà la façon dont nous diagnostiquons, traitons ou prévenons les maladies, l’impact de MiOS est à plus long terme. En mettant en lumière le fonctionnement des gènes et leur régulation à l’échelle nanométrique, la technique permettra de nouvelles découvertes en laboratoire scientifique, dont certaines pourraient éventuellement se traduire en pratique clinique.
L’équipe de recherche utilise déjà MiOS en explorant des gènes importants pour le développement humain. L’équipe continuera également à développer MiOS, en ajoutant des fonctionnalités supplémentaires qui peuvent par exemple détecter comment les facteurs de transcription – protéines impliquées dans le processus de conversion ou de transcription, ADN en
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>ARN[{“attribute=””>RNA – se lier à l’ADN.
Référence : “MiOS, une stratégie d’imagerie et de calcul intégrée pour modéliser le repliement des gènes avec une résolution de nucléosome” par Maria Victoria Neguembor, Juan Pablo Arcon, Diana Buitrago, Rafael Lema, Jürgen Walther, Ximena Garate, Laura Martin, Pablo Romero, Marta Gut, Julie Blanc, Melike Lakadamyali, Chao-ting Wu, Isabelle Brun Heath, Modesto Orozco, Pablo D. Dans et Maria Pia Cosma, 11 octobre 2022, Nature Biologie structurale et moléculaire.
DOI: 10.1038/s41594-022-00839-y
L’étude a été financée par l’Institut des sciences et technologies de Barcelone, le programme-cadre Horizon 2020, le ministère espagnol des Sciences, de l’Innovation et des Universités et le gouvernement de Catalogne.
