Cartographie complète des éléments régulateurs dans le génome de la poule

Le poulet, le pionnier parmi les animaux agricoles à avoir son génome séquencé, constitue une pierre angulaire de la domestication. En tant que l'une des espèces d'oiseaux les plus étudiées, il offre des aperçus précieux sur les liens évolutifs entre les mammifères et les espèces aviaires. Au-delà de son statut dans le domaine agricole, le poulet sert de modèle essentiel dans diverses disciplines scientifiques, y compris la biologie évolutive et développementale, l'immunologie et la régulation épigénétique des gènes. L'effort pour annoter les éléments fonctionnels dans génomes du bétail joue un rôle clé dans le déchiffrement des bases moléculaires de traits économiquement significatifs et complexes tels que la croissance, la reproduction et la résistance aux maladies. Cette démarche, en particulier en ce qui concerne l'annotation complète des régions non codantes, est une nécessité urgente. À l'instar des projets Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) et Epigenome Roadmap, le consortium Functional Annotation of Animal Genomes (FAANG) réalise des avancées remarquables dans l'amélioration annotation du génome pour le bétail et la volaille.

Néanmoins, l'annotation actuelle des éléments régulateurs reste limitée à un ensemble restreint de tissus, en particulier chez le poulet. Cela souligne le besoin urgent d'une cartographie plus exhaustive des éléments régulateurs. La cartographie complète des éléments régulateurs dans le génome du poulet promet de faciliter l'identification de sites de variants causaux potentiels pour des traits économiquement importants. Cela, à son tour, accélère le processus de sélection et enrichit davantage l'utilité des poulets en tant que sujets de recherche en sciences de la vie.

Cette étude se présente comme un effort pionnier dans la construction d'une carte des éléments régulateurs à travers divers tissus, intégrant des données provenant de 377 distincts. épigénomique, transcriptomique, et des ensembles de données de conformation de la chromatine dérivés de 23 tissus adultes majeurs de poulet. Cela explore les fonctions nuancées et spécifiques aux tissus des éléments régulateurs et anticipe les interactions entre les amplificateurs et leurs gènes cibles, mettant même en lumière le concept de super-amplificateurs.

En mettant en lumière les aspects fonctionnels de ces éléments, cette recherche contribue à notre compréhension de divers aspects tels que la domestication des poules, les traits monogéniques et la régulation complexe des traits économiquement significatifs.

Le résumé de l'atlas épigénomique de la volaille. (Pan et al., 2023)

Régulation génique spécifique aux tissus chez les poules

Dans cette étude, 377 ensembles de données génomiques ont été générés à partir de 23 tissus majeurs de poulet en utilisant une combinaison de technologies avancées, y compris ChIP-seq (pour H3K4me3, H3K4me1, H3K27ac, H3K27me3 et CTCF), ATAC-seq, séquençage DNase, RRBS, RNA-seq, et Hi-C. Ces ensembles de données ont été soigneusement évalués dans le contexte de divers tests histologiques et tissus. Ils éclairent la relation complexe entre les éléments régulateurs et l'expression génique.

Comme exemple notable, les ensembles de données ont révélé que CDH17 présentait une expression spécifique et prononcée dans les tissus intestinaux par rapport à d'autres types de tissus. De plus, il était conspicuement enrichi près du site de début de transcription (TSS) au sein de la modification H3K27ac, reflétant les résultats d'autres marqueurs régulateurs actifs, en contraste avec les marqueurs de modification régulatrice inhibitrice. Ces résultats soulignent collectivement comment les gènes exprimés de manière spécifique aux tissus chez les poules sont régulés de manière cohésive par différents marqueurs épigénétiques.

Déchiffrer les états de la chromatine

Par la suite, en amalgamant les données des cinq marques épigénétiques à travers 23 tissus distincts, les auteurs de ChromHMM ont réussi à prédire 15 états chromatinens uniques. Comme prévu, ces états ont montré des motifs d'enrichissement différentiels : les promoteurs prédominaient à proximité des sites de début de transcription (TSS), des régions non codantes en 5' et des îlots CpG. Les promoteurs actifs et les enhancers étaient significativement surreprésentés dans les TSS et les gènes exprimés par rapport aux gènes réprimés.

Parmi ces états de chromatine, l'activité des enhancers a montré le plus grand dynamisme à travers les tissus, tandis que l'activité des promoteurs est restée remarquablement conservée. Les promoteurs ont présenté des niveaux de conservation plus élevés que les enhancers et les régions de répression au niveau de la séquence d'ADN. Les auteurs ont également exploré l'interaction complexe entre les éléments régulateurs et l'expression génique à proximité de régions spécifiques de rupture évolutive dans le génome de la poule, ainsi que la relation complexe entre Méthylation de l'ADN et éléments réglementaires.

Leur enquête s'est particulièrement concentrée sur les interactions entre les amplificateurs et des gènes cibles spécifiques, illustrant leur rôle dans la régulation de l'expression génique. Notamment, les gènes associés à une abondance d'amplificateurs présentaient des niveaux d'expression génique élevés, des motifs d'expression tissulaire spécifiques réduits et une conservation au niveau de la séquence accrue par rapport aux gènes avec moins d'amplificateurs associés. Pour illustrer ces concepts, les auteurs ont utilisé le locus du gène associé à l'ovalbumine (OVAL) pour expliquer comment les éléments régulateurs orchestrent l'expression génique à travers un éventail de tissus.

Découverte et caractérisation des états de la chromatine et des interactions entre les enhancers et les gènes chez le poulet. (Pan et al., 2023)

Le rôle des éléments régulateurs dans la génétique et l'évolution des poules

Dans cette étude, ils explorent l'application de l'annotation génomique avancée dans la recherche sur la biologie des poules. En examinant des traits à gène unique, ils exploitent des variants causaux résidant dans les régions non codantes de sept traits spécifiques inclus dans la base de données. Fait remarquable, leurs résultats révèlent que six de ces traits (représentant 75 %) sont étroitement liés à un ou plusieurs éléments régulateurs actifs soigneusement organisés. Des exemples notables incluent des loci de variants de traits associés à la polydactylie (SNP) et à la coloration du plumage des poules (déletion), tous deux identifiés au sein de ces domaines régulateurs.

De plus, leur enquête comprend une analyse approfondie des traits complexes, en examinant spécifiquement GWAS statistiques résumées pour 44 traits économiquement significatifs chez les poules, y compris des paramètres tels que la croissance et la production d'œufs. Notamment, ils ont découvert une prévalence accrue d'éléments régulateurs actifs liés aux signaux GWAS.

Les éléments régulateurs impliqués dans les traits monogéniques, les traits complexes et les signatures de sélection chez le poulet. (Pan et al., 2023)

Leur étude explore également la relation intrigante entre la domestication et les éléments régulateurs. Il est évident d'après leurs recherches que la domestication semble être guidée par la régulation des amplificateurs spécifiques aux tissus. Cela, combiné aux résultats précédemment documentés concernant les processus de sélection lors de la domestication, notamment lors de la transition du faisan rouge sauvage aux poules domestiques et la différenciation entre les poules de chair modernes et les poules pondeuses, met en lumière une interaction fascinante de facteurs. Ces observations suggèrent que leur cartographie des éléments régulateurs fournit des informations précieuses pour la caractérisation des loci candidats. Cela, à son tour, promet d'enrichir leur compréhension des mécanismes moléculaires sous-tendant l'évolution et la sélection tant des gènes uniques que des traits complexes, ainsi que des adaptations dans le domaine des poules.

Référence :

1. Pan, Zhangyuan, et al. "Un atlas des éléments régulateurs chez le poulet : une ressource pour la génétique et la génomique du poulet." Science Advances 9.18 (2023) : eade1204.