Déterminer la dose correcte dans la reprogrammation cellulaire

Les facteurs de transcription sont des protéines qui contrôlent l’expression des gènes dans une cellule. Ils sont si puissants qu’ils peuvent être utilisés pour reprogrammer une cellule en un tout nouveau type de cellule, ou même la «réinitialiser» en une cellule souche. En fait, cette capacité a façonné des décennies de recherche en médecine régénérative, où les chercheuses et chercheurs espèrent produire des types de cellules spécifiques à la demande pour réparer les tissus, étudier des maladies ou tester des médicaments.

Pourtant, l’utilisation des facteurs de transcription dans des expériences réelles n’a pas été fiable. Dans de nombreuses expériences, seul un petit nombre de cellules réagit comme prévu, tandis que les autres ignorent les instructions ou passent dans des états indésirables. Même en utilisant des facteurs de transcription de reprogrammation connus, les résultats sont souvent difficiles à prédire et incohérents. Pourquoi certaines cellules réagissent-elles et d’autres pas?

Une nouvelle méthode de l’EPFL apporte de la clarté en se penchant sur un facteur longtemps négligé: le dosage. Dans une étude publiée dans Nature Genetics, une équipe dirigée par Bart Deplancke du Laboratoire de biologie et génétique des systèmes de la Faculté des sciences de la vie de l’EPFL, en collaboration avec des collègues de l’Académie chinoise des sciences, a développé scTF-seq. Il s’agit d’une méthode à haut débit qui dissèque systématiquement la manière dont les facteurs de transcription influencent le destin des cellules à une résolution unicellulaire. L’étude révèle que la dose d’un facteur de transcription est aussi importante que le facteur de transcription lui-même dans la détermination du résultat.

Un principe autre que «marche-arrêt»

«Nous savons depuis longtemps que les facteurs de transcription peuvent déclencher des changements spectaculaires de l’identité cellulaire», affirme Wangjie Liu, doctorante et principale autrice de l’étude. «Mais nos résultats montrent que la dose d’un facteur de transcription peut complètement remodeler l’aspect de cette transformation. Souvent, il ne s’agit pas d’un principe binaire «marche-arrêt», mais plutôt d’un réglage de cadran, et le résultat peut changer totalement en fonction de l’endroit où le cadran est réglé.»

Pour scTF-seq, l’équipe a créé une bibliothèque de 384 facteurs de transcription, chacun étiqueté avec un «code-barres génétique» unique et placé sous contrôle induit par la doxycycline. Elle les a ensuite ajoutés aux cellules stromales de souris, qui sont des cellules précurseurs polyvalentes pouvant se transformer en cellules adipeuses, musculaires ou osseuses.

En combinant cette configuration avec le séquençage de l’ARN unicellulaire et le code-barres génétique, les chercheuses et chercheurs ont suivi près de 40 000 cellules individuelles, chacune exprimant un facteur de transcription spécifique à des doses variables. Cela leur a permis de créer une carte détaillée, résolue en fonction de la dose, de la façon dont chaque facteur de transcription influence l’expression génique et le destin cellulaire.

L’équipe a constaté que les facteurs de transcription varient considérablement dans leur pouvoir de reprogrammation et dans leur sensibilité à la dose. Certains facteurs de transcription ont déclenché des changements importants à de faibles concentrations; d’autres ont nécessité des doses élevées; certains ont eu peu ou pas d’effet.

Une boîte à outils performante

Certains ont également montré des réponses non linéaires, par exemple induisant un destin à faible dose et un autre à forte dose. Cependant, pour certains facteurs de transcription, la même dose pouvait encore déclencher des résultats distincts dans différentes cellules. Cela suggère que d’autres facteurs encore cachés autres que la dose influencent la réponse.

L’étude a également révélé que les paires de facteurs de transcription ajoutent une autre couche de complexité. Selon le rapport, deux facteurs de transcription peuvent soit coopérer, soit interférer.

«Nous considérons souvent les facteurs de transcription comme des clés qui permettent de déverrouiller des types cellulaires spécifiques», déclare Bart Deplancke. «Mais ce que nous montrons ici, c’est que chaque clé se comporte différemment selon la fermeté avec laquelle vous la tournez et si une autre clé se trouve dans la serrure en même temps. Si nous voulons concevoir des cellules de manière fiable, nous devons comprendre cette logique de dosage.»

Ces travaux présentent un grand intérêt pratique. Alors que les scientifiques cherchent de plus en plus à concevoir des cellules dans une boîte de Petri, par exemple pour la réparation tissulaire, la modélisation de maladies ou le criblage de médicaments, il sera essentiel de comprendre comment les facteurs de transcription se comportent sur une plage de doses. La plateforme scTF-seq fournit une boîte à outils performante à cette fin, permettant aux chercheuses et chercheurs de décoder les règles qui régissent la manière dont les facteurs de transcription déterminent le destin des cellules.

Autre contributeur

Institut Suisse de Bioinformatique