Perspectives Circadiennes : ChIP-seq et ATAC-seq révèlent la dynamique d'expression des gènes chez la plante de riz

Pour se synchroniser avec les altérations rythmiques de l'environnement causées par la rotation de la Terre, les plantes supérieures ont développé un mécanisme interne de mesure du temps connu sous le nom d'horloge biologique. Cette horloge biologique régule avec précision divers processus biologiques au sein des organismes, y compris l'expression des gènes, le métabolisme cellulaire et la croissance et le développement. Cette orchestration garantit une acquisition et une utilisation optimales de l'énergie. Dans le contexte du riz, environ un tiers des gènes qui sont activement transcrits présentent des motifs cycliques. Cependant, les mécanismes complexes par lesquels l'horloge biologique régule l'expression rythmique des gènes restent insuffisamment examinés. De plus, les fondements épigénomiques et génomiques tridimensionnels de l'expression rythmique des gènes demeurent flous.

Les chercheurs ont rassemblé d'importants ensembles de données génomiques à l'échelle du génome comprenant RNA-seq, H3K9ac ChIP-seq, ATAC-seq, et des données BL-Hi-C sous trois conditions lumineuses distinctes. Grâce à leurs efforts, ils ont révélé le motif d'oscillation circadienne associé à la modification de l'histone H3K9ac et les altérations rythmiques dynamiques de la structure 3D du génome. De plus, ils ont exploré les variations d'expression des gènes rythmiques du riz en réponse à diverses conditions lumineuses.

Des analyses intégrées du génome 3D, de l'épigénome et du transcriptome révèlent la coordination transcriptionnelle du rythme circadien chez le riz. (Zhang et al., 2023)

Changements rythmiques dans les sites de modification H3K9ac

Les sites de modification de H3K9ac ont montré des altérations rythmiques notables sous différentes conditions. Il a été déterminé que l'étendue des signaux de modification de H3K9ac présentait une corrélation positive notable avec le degré de changements rythmiques dans l'expression aux sites correspondants. Le sommet de la modification d'acétylation des histones en termes d'expression a précédé le pic de l'expression génique rythmique pendant une période de 1 à 2 heures. Cela suggère que les altérations rythmiques de l'acétylation de H3 jouent un rôle crucial dans la propulsion de l'expression transcriptionnelle des gènes présentant des motifs rythmiques. De plus, l'étude a révélé des variations significatives dans les caractéristiques oscillatoires de l'expression génique rythmique chez le riz sous différentes conditions lumineuses. Dans le cadre de l'expression génique rythmique à l'échelle du génome, les niveaux d'expression étaient plus bas sous des conditions de faible luminosité (LL) par rapport aux conditions de jour long (LD), mais plus élevés que ceux sous des conditions d'obscurité continue (DD). L'amplitude de l'expression sous des conditions LL était inférieure à celle des conditions LD, mais supérieure à celle des conditions DD. De plus, la phase était avancée sous des conditions LL et retardée sous des conditions DD. L'examen des motifs d'expression des gènes biologiques fondamentaux bien connus sous diverses conditions a confirmé leur alignement avec les motifs d'expression des gènes rythmiques à l'échelle du génome. L'obscurité continue a induit un retard de phase dans l'expression génique rythmique, tandis que la lumière continue a entraîné une réduction de l'amplitude de l'expression génique rythmique.

Les changements circadiens dans l'acétylation de H3 régulent l'expression génique oscillante. (Zhang et al., 2023)

Dynamique de la liaison des facteurs de transcription et des réseaux régulatoires dans l'expression génique circadienne

L'examen des données ATAC-seq a révélé que les zones de chromatine accessibles restaient relativement stables tout au long du cycle de 24 heures. Cependant, une quantité substantielle de facteurs de transcription a montré un lien temporel avec ces régions chromatiniennes, orchestrant l'expression rythmique des gènes. Par la suite, les scientifiques ont cartographié le réseau régulateur formé par ces facteurs de transcription à liaison oscillatoire, les reliant à des gènes affichant des motifs d'expression rythmique. Cette connexion a été établie en intégrant les empreintes rythmiques trouvées dans les régions de chromatine ouverte des gènes fondamentaux de l'horloge biologique et en utilisant la modélisation prédictive pour les facteurs de transcription. Notamment, l'enquête a mis en évidence les rôles significatifs des facteurs de transcription liés à la signalisation de la lumière et de la température dans la conduite des fluctuations du rythme circadien et la coordination de l'expression des gènes cruciaux de l'horloge biologique.

Cartographie du réseau régulatoire des facteurs de transcription oscillants. (Zhang et al., 2023)

Résumé

En utilisant la technologie Hi-C in situ, les chercheurs ont réalisé une analyse comparative de la structure de la chromatine à deux moments : ZT8 et ZT20. Les gènes présentant une expression rythmique spécifique au temps à ZT8 étaient observés comme étant densément empaquetés, tandis qu'à ZT20, ils semblaient plus lâchement arrangés. Cette observation suggère que l'expression rythmique de ces gènes est synchronisée avec la structure 3D changeante de la chromatine tout au long de la journée. De plus, certains longs ARN non codants (lncARN) rythmiques ont affiché des modifications oscillatoires synchronisées de H3K9ac, et ces lncARN étaient co-exprimés avec des gènes rythmiques voisins. On pense que cette co-expression découle d'interactions au sein de l'espace chromatine. Ces résultats éclairent un mécanisme potentiel impliquant l'alignement des modifications oscillantes de H3K9ac, des facteurs de transcription liés de manière dynamique, et des lncARN et gènes rythmiques co-exprimés. En fin de compte, ces perspectives offrent un nouvel éclairage sur les altérations dynamiques de la conformation spatiale de la chromatine qui sont liées à l'expression rythmique des gènes.

Référence :

1. Zhang, Ying, et al. "Des analyses intégrées du génome 3D, de l'épigénome et du transcriptome révèlent la coordination transcriptionnelle du rythme circadien chez le riz." Recherche sur les acides nucléiques (2023) : gkad658.