De nouveaux atlas de cellules humaines suivent le développement des tissus, fournissant une feuille de route pour la recherche


Atlas de cellules visualisés
Deux atlas de cellules fœtales qui suivent l’expression des gènes et l’accessibilité de la chromatine sont visualisés ici comme les côtés jour et nuit du globe. (Illustration Cognition Studio Inc. / Dani Bergey)

Deux nouveaux atlas de cellules humaines ont cartographié la machinerie moléculaire qui construit les tissus dans les semaines suivant la conception – et pourraient éventuellement montrer la voie pour traiter les troubles du développement.

Les chercheurs à l’origine des atlas affirment que leur méthode d’analyse monocellulaire, détaillée dans une paire d’études publiées par la revue Science, pourrait considérablement accélérer les efforts visant à retracer le développement des cellules individuelles de l’embryon à l’âge adulte.

«Le point clé est que la méthode évolue de manière exponentielle», a déclaré Jay Shendure, généticien de l’Université de Washington, auteur principal des deux études. «Quand vous pensez au corps humain, il y a 37 billions de cellules. Pour vraiment obtenir le type d’atlas complet que nous souhaitons, nous voulons ce type d’évolutivité. »

Le co-auteur de l’étude, Dan Doherty, professeur de pédiatrie à l’UW, a comparé la promesse de la procédure à l’impact du télescope spatial Hubble ou du projet du génome humain. «Les méthodes unicellulaires – il est difficile de surestimer leur importance pour la compréhension de la biologie du développement», a-t-il déclaré. « Ils nous donnent vraiment une image que nous n’avons jamais vue auparavant. »

Quels gènes sont activés ou désactivés?

Un atlas se concentre sur l’expression génique dans 15 types de tissus fœtaux, à partir de phases de développement allant de 10 à 18 semaines après la conception. L’expression génique fait référence à la manière dont les gènes individuels d’une cellule sont activés ou désactivés pour produire les protéines qui déterminent la structure et la fonction de la cellule.

Plus de 4 millions de cellules de 121 échantillons ont été profilées, en utilisant une technique de marquage en trois étapes. Après trois cycles de fractionnement et d’étiquetage, chaque cellule a fini par être étiquetée avec une combinaison unique de trois «codes-barres» ADN. Cela a permis de suivre les cellules sans les séparer physiquement.

«À partir de ces données, nous pouvons générer directement un catalogue de tous les principaux types de cellules dans les tissus humains, y compris la façon dont ces types de cellules peuvent varier dans leur expression génique à travers les tissus», a déclaré Junyue Cao, l’auteur principal de l’étude, dans un communiqué de presse. Cao a travaillé sur l’étude en tant que stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Shendure et est maintenant professeur adjoint à l’université Rockefeller.

Pour confirmer leurs découvertes et combler les lacunes de l’atlas, les chercheurs ont comparé leurs résultats à un atlas similaire pour les cellules embryonnaires de souris. «Pour certains systèmes, cela nous a essentiellement permis de relier la dynamique de l’expression génique des stades embryonnaire aux stades fœtal du développement des mammifères», ont-ils déclaré dans l’étude.

Les chercheurs ont catalogué 77 principaux types de cellules, qui pourraient être classés en 657 sous-types. Certains des principaux types de cellules ont été trouvés dans plusieurs cellules tissulaires, mais la plupart d’entre eux étaient spécifiques à un organe. Dans certains cas, la façon dont une cellule s’est développée dépendait du type de tissu où elle a été trouvée.

«Ceci est probablement lié aux fonctions spécifiques aux tissus de l’organe», a expliqué Shendure. «Dans les poumons, les vaisseaux sanguins peuvent avoir différentes raisons ou déclencheurs environnementaux pour se contracter ou se dilater – quels signaux ils émettent en réponse à différents niveaux d’oxygène. Cela a du sens, si vous y réfléchissez.

Shendure a déclaré que lui et ses collègues avaient été surpris de constater que les globules rouges étaient produits par la glande surrénale. «Classiquement, les sources de sang au cours du développement sont considérées comme le foie et la rate», a-t-il déclaré.

Quelles régions de l’ADN sont ouvertes ou fermées?

L’atlas compagnon se concentre sur un autre facteur qui régit l’activité génétique. Une substance appelée chromatine contrôle la façon dont l’ADN est emballé à l’intérieur de nos chromosomes – ce qui rend certains segments d’ADN ouverts et accessibles à la machinerie moléculaire qui lit les instructions, tout en gardant d’autres segments fermés et inaccessibles.

«L’étude de la chromatine vous donne une idée de la« grammaire »réglementaire de la cellule», a déclaré le co-auteur de l’étude, Darren Cusanovich, ancien élève du laboratoire de Shendure qui est maintenant professeur à l’Université d’Arizona. « Les courts segments d’ADN qui sont ouverts ou accessibles sont enrichis pour certains » mots « , qui sont à leur tour la base pour que la cellule spécifie qu’elle veut certains gènes. »

Les chercheurs à l’origine de l’atlas d’accessibilité de la chromatine ont analysé 800 000 cellules individuelles de 59 échantillons de fœtus représentant 15 types de tissus différents, en utilisant une méthode de codage à barres en trois étapes similaire à celle utilisée pour l’étude de l’expression génique.

Ils ont recherché des associations entre des régions ouvertes d’ADN et des traits génétiques spécifiques d’organes, y compris des maladies. Dans la plupart des cas, ils ont trouvé les associations qu’ils recherchaient. Par exemple, les régions d’ADN associées au diabète de type 2 étaient accessibles dans les cellules endocrines des îlots, ainsi que dans les cellules associées au foie, au pancréas et à l’estomac.

«Si vous regardez où est le signal pour les études génétiques de l’asthme, vous pourriez le trouver dans des régions qui sont ouvertes dans les cellules qui sont dans les poumons», a déclaré Shendure. «Même s’ils proviennent de tissus fœtaux, nous pouvons toujours voir ces signaux en relation avec des maladies courantes chez les adultes.»

Silvia Domcke, chercheuse postdoctorale à l’UW, l’un des principaux auteurs de l’étude sur la chromatine, a déclaré que les résultats pouvaient révéler quelles parties du génome sont fonctionnelles même si elles ne codent pas pour les séquences protéiques.

« Nous ne savons toujours pas quel pourcentage du génome qui ne code pas pour les gènes peut être impliqué dans la régulation des gènes », a déclaré Domcke. «Notre atlas fournit désormais ces informations pour de nombreux types de cellules.»

Comment les atlas pourraient être utilisés

Shendure a déclaré que les atlas sont susceptibles d’améliorer notre compréhension de la machinerie à l’intérieur de nos cellules et comment cette machinerie se développe différemment dans différents types de cellules. Cela pourrait apporter de nouvelles approches pour traiter les troubles du développement qui sont «individuellement rares mais collectivement communs, et souvent dévastateurs lorsqu’ils surviennent», a déclaré Shendure.

«En particulier pour ces types de troubles du développement, les défis de la thérapie sont réels», a-t-il déclaré. « D’un autre côté, il existe une multitude de données pour comprendre comment la régulation des gènes se joue au cours du développement, ce qui à son tour façonne la façon dont ces maladies se manifestent. »

Shendure a déclaré qu’une frontière potentielle est connue sous le nom de thérapie de régulation cis. L’approche tire parti des outils d’édition de gènes tels que CRISPR, mais avec une torsion.

« Vous utilisez CRISPR non pas pour cibler le gène, mais pour cibler la séquence qui transmet le signal de régulation », a déclaré Shendure. Des atlas cellulaires comme ceux publiés aujourd’hui pourraient identifier de nouvelles cibles à atteindre.

Dans leurs documents de recherche, Shendure et ses collègues disent que leurs techniques pourraient être étendues à des études monocellulaires à d’autres stades de développement.

«Nous sommes ravis de voir à quoi aboutira une nouvelle mise à l’échelle exponentielle de ces technologies, en termes de capacité à compléter des atlas de cellules humaines et à les étendre à une gamme de maladies différentes», a déclaré Shendure.

Un point de controverse a à voir avec l’utilisation des études de tissu foetal humain. Des échantillons ont été obtenus auprès du Laboratoire de recherche sur les anomalies congénitales d’UW, qui existe depuis 1964. Le laboratoire fonctionne selon un ensemble de directives éthiques élaborées par les National Institutes of Health, mais a été périodiquement pris au piège du débat de plusieurs décennies sur l’avortement.

Dan Doherty, de l’UW, a déclaré que les échantillons de tissus ont été «incroyablement précieux» pour le projet d’atlas cellulaire et de nombreuses autres études de recherche.

«Ce travail n’aurait pas pu être fait dans d’autres organismes», a-t-il déclaré.

Les deux atlas unicellulaires, ainsi que d’autres ressources, sont disponibles en ligne via un site Web du Brotman Baty Institute de Seattle, appelé DESCARTES (qui signifie plus ou moins DEvélopmentaire Single Caune UNEtlas de gène REgulaTion et ExpreSsion). En plus de son poste à l’UW, Shendure est directeur scientifique du Brotman Baty Institute.

Des collaborateurs de l’UW Medicine, du Brotman Baty Institute, d’Illumina, de l’Université de l’Arizona, du Fred Hutchinson Cancer Research Center, de l’Institut Max Planck de génétique moléculaire et du centre médical de l’Université de Rochester ont contribué aux études. Les composantes des études ont été financées par le Brotman Baty Institute, la Fondation Paul G. Allen Frontiers, l’Initiative Chan Zuckerberg, le Howard Hughes Medical Institute et les National Institutes of Health.