Intégration de l'ATAC-seq et de l'ARN-seq pour l'analyse des réseaux régulateurs de gènes chez les plantes

L'orchestration de l'expression génique chez les plantes implique des interactions complexes entre la structure de la chromatine et l'activité transcriptionnelle. L'avènement des techniques de séquençage à haut débit, en particulier l'ATAC-seq et l'RNA-seq, a révolutionné l'étude de la régulation génique. ATAC-seq permet de cartographier les régions de chromatine ouverte, fournissant des informations sur l'accessibilité de l'ADN et la localisation des éléments régulateurs. En revanche, RNA-seq quantifie les niveaux d'expression génique, éclairant le paysage transcriptionnel dynamique. L'intégration de ces deux ensembles de données permet aux chercheurs de déchiffrer l'interaction entre l'architecture de la chromatine et l'expression génique.

Intégration de l'ATAC-seq et de l'ARN-seq

La technique ATAC-seq capture les régions de chromatine ouverte en utilisant une enzyme transposase pour fragmenter l'ADN accessible. Cette technique identifie les zones où les facteurs de transcription et d'autres protéines régulatrices se lient, influençant ainsi l'expression génique. En analysant les données ATAC-seq, les chercheurs peuvent identifier les amplificateurs, les promoteurs et d'autres éléments cis-régulateurs qui régissent l'activation ou la répression des gènes.

Intégration ATAC-seq et les données RNA-seq offrent une perspective holistique sur la régulation des gènes. Elles permettent aux chercheurs de relier l'accessibilité de la chromatine aux dynamiques d'expression génique, révélant des relations causales entre les éléments régulateurs et leurs gènes cibles. Cette intégration aide à identifier des facteurs de transcription potentiels qui induisent des motifs d'expression spécifiques en modulant la structure de la chromatine. De plus, elle permet d'identifier des modules de gènes co-régulés qui jouent des rôles essentiels dans les processus cellulaires.

Stratégies analytiques

L'intégration de l'ATAC-seq et RNA-seq Les données impliquent une analyse en plusieurs étapes. Après le traitement individuel des données, la normalisation et les étapes de contrôle de qualité, les ensembles de données sont intégrés par le biais de corrélations statistiques ou d'approches d'apprentissage automatique. L'analyse de corrélation identifie les gènes avec des changements concordants dans l'accessibilité de la chromatine et l'expression. L'analyse de l'expression différentielle sur les deux ensembles de données peut révéler des gènes subissant des changements coordonnés, mettant en lumière leur pertinence fonctionnelle.

Études de cas

Étude de cas 1 : Régénération du blé

• Contexte

La transformation génétique est indispensable pour étudier la fonction des gènes et améliorer les caractéristiques des cultures. Cependant, cette technique est moins efficace chez le blé. Pour remédier à cette limitation, une compréhension globale des dynamiques transcriptionnelles et chromatiniennes durant la régénération du blé est nécessaire. L'intégration des techniques ATAC-seq (Analyse de la chromatine accessible aux transposases par séquençage) et RNA-seq (séquençage de l'ARN) offre un moyen puissant de déchiffrer le réseau de régulation des gènes orchestrant la régénération.

• Méthodes

Techniques RNA-seq, ATAC-seq et CUT&Tag.

• Résultats

L'analyse multi-omique intégrée a révélé que l'expression séquentielle des gènes régissant la transition de destin cellulaire médiée par l'auxine est étroitement liée aux changements dans l'accessibilité de la chromatine et aux modifications des histones. Le réseau de régulation transcriptionnelle (TRN) construit pour la régénération du blé était dominé par 446 facteurs de transcription essentiels. L'analyse comparative a mis en évidence des motifs de liaison à l'ADN divergents des facteurs de transcription DOF entre le blé et l'Arabidopsis. La validation expérimentale a démontré que TaDOF5.6 et TaDOF3.4 pouvaient améliorer l'efficacité de transformation dans différentes variétés de blé, soulignant leur rôle potentiel dans l'amélioration de l'efficacité de la transformation génétique.

Régénération et transformation du blé. (Liu et al., 2023)

Étude de cas 2 : Modèles d'expression génique chez les polyploïdes végétaux

• Contexte

L'adaptabilité et la plasticité du blé panifiable allohexaploïde (Triticum aestivum L., BBAADD) sont considérées comme influencées par la divergence d'expression due à la variation génétique et aux interactions entre ses sous-genomes. Cependant, les mécanismes moléculaires sous-jacents à cette divergence d'expression restent flous. Les protéines de liaison au promoteur Squamosa-like (SPL) jouent des rôles essentiels dans divers processus biologiques. Pour élucider le réseau de régulation gouvernant l'expression génique chez le blé et le rôle des SPL dans ce processus, cette étude a intégré diverses techniques omiques, y compris le DAP-seq pour 40 SPL, l'ATAC-seq et le RNA-seq.

• Méthodes

DAP-seq, ATAC-seq et RNA-seq

• Résultats

Ciblage diversifié des SPL : L'étude a révélé qu'un ensemble de SBR à faible affinité était ciblé par plusieurs SPL, entraînant des préférences de séquence différentielles autour du motif central GTAC.

Conservation des SBR : Malgré leur faible affinité, les SBR identifiés étaient évolutivement conservés et montraient un enrichissement pour les signaux GWAS liés à des traits agricoles importants.

Variations des CRE et divergence des sous-genomes : L'analyse des SBR dans les régions cis-régulatrices (CRE) des gènes synteniques a montré une forte diversification parmi les sous-genomes. Seule une petite fraction des SBR (moins de 8 %) coexiste dans les gènes en triade, soulignant le rôle crucial des variations des CRE dans la différenciation des sous-genomes.

Validation fonctionnelle : Les expériences de knockout des sous-familles TaSPL7A/B/D et TaSPL15A/B/D ont fourni des preuves expérimentales que les SBR à haute et à basse affinité jouent des rôles essentiels dans la régulation de l'expression génique pour contrôler le nombre de talles et la taille des épis.

Des sites de liaison SPL à faible affinité contribuent à la divergence d'expression des sous-genomes dans le blé allohexaploïde. (Pei et al., 2023)

Étude de cas 3 : Réponses des plantes au stress thermique

Contexte :

La régulation complexe de l'expression génique chez les plantes implique des interactions complexes entre les facteurs de transcription (TF), la structure de la chromatine et l'organisation tridimensionnelle du génome au sein du noyau. Cette organisation permet aux plantes de réagir rapidement aux stress environnementaux en modifiant les motifs d'expression génique. Cependant, les mécanismes sous-jacents aux changements dynamiques de la conformation de la chromatine et leur relation avec l'expression génique lors des réponses au stress restent mal compris. Cette étude de cas se concentre sur l'investigation des changements chromatinien à l'échelle du génome associés au reprogrammation transcriptionnelle en réponse au stress thermique chez les plants de tomate.

Méthodes

Pour élucider les dynamiques de la réorganisation de la chromatine et de l'expression génique dans des conditions de stress thermique, les chercheurs ont utilisé une combinaison de deux techniques puissantes : l'Assay pour la chromatine accessible aux transposases par séquençage (ATAC-seq) et le séquençage de l'ARN (RNA-seq).

Résultats

Les données ont montré que le stress thermique induisait des changements rapides dans l'architecture de la chromatine des plants de tomate. Ces changements impliquaient la formation transitoire de contacts entre promoteurs et amplificateurs, suggérant un rôle de la conformation chromatinienne en 3D dans la médiation de l'expression des gènes en réponse au stress. Les gènes exprimés de manière différentielle identifiés par RNA-seq indiquaient que les changements chromatinien observés étaient associés à l'expression de gènes réactifs au stress thermique. Cela suggérait un lien direct entre l'architecture chromatinienne altérée et l'activation de gènes spécifiques nécessaires à l'adaptation au stress thermique.

Les chercheurs ont également exploré les mécanismes moléculaires à l'origine de la réorganisation de la chromatine lors du stress thermique. Ils ont découvert que le facteur de transcription HSFA1a, connu pour être essentiel à la tolérance au stress thermique chez la tomate, jouait un rôle crucial dans l'orchestration de la réorganisation spatiale de la chromatine. Cela a indiqué que les facteurs de transcription sont des acteurs clés dans le contrôle des réponses transcriptionnelles dynamiques par le biais de la reconfiguration 3D des contacts promoteur-enhancer.

HSFA1a module les réponses des plantes au stress thermique et modifie l'organisation chromatinienne 3D des interactions entre enhancers et promoteurs. (Huang et al., 2023)

Références :

1. Liu, Xuemei, et al. "Dévoiler le réseau de régulation transcriptionnelle impliqué dans l'amélioration de la régénération et de la transformation du blé." Plantes de la nature (2023) : 1-18.
2. Pei, Hongcui, et al. "Les sites de liaison SPL à faible affinité contribuent à la divergence d'expression des sous-genomes dans le blé allohexaploïde." Science China Vie des Sciences 66,4 (2023) : 819-834.
3. Huang, Ying, et al. "HSFA1a module les réponses des plantes au stress thermique et altère l'organisation chromatinienne 3D des interactions entre enhancers et promoteurs." Communications Nature 14.1 (2023) : 469.