Applications du séquençage des polysomes dans la recherche biomédicale et végétale

La régulation précise de l'expression génique est un mécanisme central des activités vitales, et l'efficacité de la traduction, en tant que lien clé dans la régulation post-transcriptionnelle, affecte directement le taux de synthèse des protéines et la diversité fonctionnelle. Les recherches traditionnelles se sont principalement concentrées sur le niveau transcriptionnel, mais des explications systématiques sur des questions fondamentales telles que la manière dont l'ARNm est reconnu par les ribosomes et comment le taux de traduction est régulé de manière dynamique font encore défaut. Séquençage des polysomes (Polysome-seq), en isolant les ARNm chargés sur différents ribosomes, a pour la première fois réalisé une quantification de l'activité translationnelle au niveau de la molécule unique, offrant une nouvelle perspective pour révéler les mécanismes de la maladie, la résistance au stress des cultures et l'évolution biologique. Ces dernières années, des découvertes révolutionnaires dans des domaines tels que le reprogrammation métabolique du cancer et les réponses des plantes au stress abiotiques ont mis en évidence sa double valeur dans la recherche fondamentale et les applications pratiques.

Cet article passe en revue de manière systématique les principes techniques et les cas à la pointe de la technologie de Polysome-seq, dans le but de promouvoir son application approfondie dans la recherche interdisciplinaire.

Principes techniques et avantages

Polysome-seq, basé sur la centrifugation en gradient de densité de saccharose, utilise le coefficient de sédimentation élevé des ribosomes pour séparer les ARNm chargés de différents ribosomes : ARN libre, ribosomes simples (80S) et polyribosomes (ARNm liés à plusieurs ribosomes). Analyse quantitative de chaque composant via Séquençage de l'ARN permet une évaluation précise de l'efficacité de la traduction et la détection de l'activité translationnelle dans les régions non codantes (comme les UTR) et les ARN non classiques (comme les lncRNA et les circRNA).

Avantages techniques

• "Norme d'or" pour l'efficacité de la traduction : reflète directement l'activité de traduction de l'ARNm, supérieure à d'autres méthodes indirectes.
• Capacité de surveillance dynamique : Capture les changements de traduction sous stress, traitement médicamenteux et autres conditions, telles qu'une augmentation de la liaison des ribosomes à l'ARNm sous stress oxydatif.
• Intégration multidimensionnelle : peut être combinée avec l'ARN-seq et l'épitrancriptomique (comme la modification m7G) pour une analyse conjointe, éclairant les réseaux de régulation translationnelle.

Applications en recherche biomédicale

Analyse du Mécanisme du Cancer

Chen Y et al., à travers profilage des polysomes, a montré que dans les cellules KD MVD, le contenu en ARNm de GPX4 était réduit dans le groupe à haute multigranule (groupes 13-19, représentant des complexes ARNm-ribosomes activement traduits), mais le niveau total d'ARNm n'a pas diminué.

Ce résultat confirme l'effet inhibiteur de la délétion de MVD sur la traduction de GPX4—bien que la quantité totale d'ARNm de GPX4 soit restée inchangée, la quantité d'ARNm activement traduit (état lié à plusieurs granules) a diminué, indiquant que MVD favorise la traduction des sélénoprotéines (comme GPX4) en maintenant les modifications de l'ARNt (comme la modification i⁶A37 de l'ARNt), tandis que la déficience en MVD entraîne un arrêt de la traduction, fournissant des preuves translationnelles pour la conclusion ultérieure selon laquelle "MVD inhibe la ferroptose induite."

MVD a promu la synthèse de CoQ10 et la modification de sélénocystéine-tRNA (Chen Y et al., 2025)

Du D et al. ont utilisé le séquençage de polysomes, tRNA m⁷G. MeRIP-Seq, et Ribo-seq technologies pour révéler le mécanisme clé de la modification m⁷G du tRNA par METTL1 et la régulation de la traduction dans le cancer du sein, fournissant de nouvelles cibles pour le traitement du cancer du sein (comme les inhibiteurs combinés de CDK4/6) :

• METTL1 régule la traduction des gènes liés au cancer du sein (tels que GADD45A et RB1) de manière dépendante des codons.
• Les niveaux réduits des ARNm liés aux polynucléotides régulés par METTL1 (tels que GADD45A et RB1) confirment son effet de répression translationnelle.
• Combiné avec le Ribo-seq, il a été clarifié que METTL1 bloque sélectivement la traduction pendant la phase G2/M du cycle cellulaire grâce à la modification de l'ARNt m⁷G.
• En augmentant les niveaux de tRNA m⁷G, la traduction de gènes clés tels que GADD45A et RB1 est favorisée, bloquant la progression du cycle cellulaire G2/M et inhibant la prolifération du BC.

METTL1 augmente les niveaux de méthylation m7G des tRNA et la traduction globale des mRNA (Du D et al., 2024)

Pour en savoir plus sur les applications du séquençage polyribosomal dans la recherche sur le cancer, veuillez vous référer à "Applications du séquençage des polysomes dans la recherche sur le cancer.

(2) Maladies neurologiques et métaboliques

Chak K et al., utilisant le séquençage des polysomes, la qRT-PCR et les techniques de Northern blot, ont conjointement découvert le mécanisme compétitif entre le pré-miR-21 et le miR-21 mature, révélant sa base moléculaire pour réguler TGFBR2/NT-3 dans l'épilepsie :

• Le pré-miR-21 et le miR-21 mature se font concurrence pour les sites de liaison sur l'UTR 3' de l'ARNm TGFBR2 (avantages énergétiques qui se chevauchent), mais ne se font pas concurrence pour l'ARNm NT-3 ;
• Après que le pré-miR-21 se lie à l'UTR 3' de TGFBR2, il contrecarre la dégradation/l'inhibition de la traduction de TGFBR2 par le miR-21 mature, entraînant une augmentation de l'expression de TGFBR2 et une diminution de l'expression de NT-3 après une crise (SE) ;
• L'analyse de séquençage des polysomes a révélé que le pré-miR-21 est situé dans le composant multisomique de la traduction active, suggérant qu'il pourrait contrebalancer l'inhibition de miR-21 de manière post-transcriptionnelle, prolongeant l'expression du récepteur TGF-β et affectant l'épilepsie.
• Le rapport entre le pré-miR-21 et le miR-21 mature est un facteur clé régulant la répression traductionnelle/la dégradation de certains ARNm (comme TGFBR2 et E2f6). Un déséquilibre dans le rapport pré-/mature peut conduire à la progression de maladies (comme l'épilepsie).

Le pré-miR-21 est associé aux ARNm impliqués dans la traduction active (Chak K et al., 2016)

Pour en savoir plus sur les applications du séquençage polyribosomal en neurosciences, veuillez vous référer à "Séquençage des polysomes en neurosciences : Perspectives sur la traduction cérébrale.

Li Q et al., utilisant le profilage des polysomes combiné à l'analyse de la stabilité de l'ARN, à l'analyse de la stabilité des protéines, et Techniques RIP, ont découvert que YTHDF1 favorise l'autophagie induite par l'hypoxie et sa progression dans le HCC par le biais d'une régulation translationnelle dépendante de m⁶A. Leurs résultats sont les suivants :

• Knockout de YTHDF1 : l'ARNm ATG2A/ATG14 passe du "multimère (composant de traduction actif)" au "non-multimère", entraînant une diminution du contenu en ARNm dans le composant de traduction → répression translationnelle ;
• Surexpression de YTHDF1 : l'ARNm ATG2A/ATG14 se déplace vers le "multimère", entraînant une augmentation du contenu en ARNm dans le composant de traduction → activation translationnelle.
• YTHDF1-WT (type sauvage) peut immunoprécipiter l'ARNm ATG2A/ATG14, tandis que YTHDF1-MUT (mutation du site de liaison m⁶A) ne peut pas. YTHDF1 se lie à l'ARNm cible par l'intermédiaire du site de liaison m⁶A.
• YTHDF1 favorise l'expression des gènes liés à l'autophagie ATG2A/ATG14 par une activation translationnelle dépendante de m⁶A, entraînant ainsi l'autophagie, la croissance et la métastase induites par l'hypoxie dans le CHC.

Profilage des polysomes des cellules hypoxiques SMMC7721 et Hep3B (Li Q et al., 2021)

Pour en savoir plus sur les applications du séquençage polyribosomal en immunologie, veuillez vous référer à "Séquençage des polysomes en immunologie : Régulation translationnelle des réponses immunitaires.

Applications dans la recherche sur les plantes

Réponse au stress abiotiques

Juntawong P et al., en utilisant le profilage des polysomes combiné à l'immunopurification (IP), à la qRT-PCR et à l'imagerie confocale, ont découvert l'association entre la protéine de choc à froid CSP1 d'Arabidopsis (protéine liant l'ARN RBP) et les ribosomes, ainsi que sa régulation translationnelle sélective dans des conditions de stress. Leurs résultats étaient les suivants :

• La co-localisation de CSP1 avec les ribosomes : Le CSP1-FLAG marqué par un épitope (transgène 35S:AtCSP1-FH#11) n'était présent que dans le composant multimérique (complexe de traduction actif contenant ≥2 ribosomes), et non dans le monomère de faible densité ou la sous-unité 40S ;
• La traduction globale n'a pas été affectée : Les niveaux multi-corps dans les semis transgéniques étaient similaires à ceux du type sauvage Col-0, indiquant que la surexpression de CSP1 n'altère pas la synthèse globale des protéines ;
• Changements sous stress de froid : Après un traitement à 4°C, l'abondance et la co-localisation multi-corps de CSP1 ont augmenté, mais le niveau global multi-corps n'a pas été affecté (les niveaux multi-corps sont insensibles aux températures supérieures à zéro).
• CSP1 est un régulateur de traduction sélectif qui se lie aux multimères (complexes mRNA-ribosome en traduction active) et à des ARNm spécifiques (riches en G+C dans l'UTR 5' et impliqués dans la respiration cellulaire/traduction). En cas de stress thermique ou de déficit en eau, l'abondance de CSP1 et la colocalisation des multimères sont renforcées, favorisant la traduction de ces ARNm et ainsi améliorant la résistance des plantes au stress. Son action est sélective (n'affecte pas la traduction globale) et dépend de son association avec les ribosomes.

CSP1 est localisé dans le noyau et le cytosol, et co-purifie avec des polysomes (Juntawong P et al., 2013)

Régulation de la maturation des fruits

Le profilage des polysomes a été utilisé pour étudier l'effet de l'invalidation de SlYTH2 (protéine de lecture m⁶A de la tomate) sur l'efficacité de la traduction des fruits. Les résultats ont montré que :

• Le knockout de SlYTH2 (mutant slyth2) n'a pas modifié les niveaux des sous-unités ribosomiques 40S ou 60S, mais le niveau des monomères 80S (ribosomes simples) a diminué de manière significative.
• À partir du segment 8 (représentant les multi-ribosomes, c'est-à-dire les complexes de traduction actifs avec ≥2 ribosomes), le nombre de dimères, trimères et multimères dans le mutant slyth2 a augmenté de manière significative.
• L'augmentation des pics de multimères (complexes de traduction actifs) a été accompagnée d'une diminution des monomères 80S (ribosomes inactifs), indiquant que l'efficacité de traduction des fruits mutants slyth2 était supérieure à celle du type sauvage (WT).
• Technologie de profilage des polysomes a révélé directement le rôle régulateur de SlYTH2 dans l'efficacité de la traduction : SlYTH2 réduit l'efficacité de la traduction des gènes cibles (SlHPL, SlCCD1B) en inhibant la liaison des polysomes multinucléotidiques ; après l'élimination de SlYTH2, la liaison des polysomes multinucléotidiques des gènes cibles augmente, l'efficacité de la traduction s'améliore, et conduit finalement à une augmentation des volatils aromatiques et à un renforcement de l'arôme des fruits.

SlYTH2 inhibe l'efficacité de la traduction de SlHPL et SlCCD1B, ce qui supprime l'accumulation de protéines (Bian H et al., 2024)

Comparaison technique et limitations

Limitations clés

• Entrée d'échantillon élevée : nécessite ≥1×10⁷ cellules, ce qui limite l'application pour les échantillons de faible abondance ou rares.
• Manque de résolution à l'échelle cellulaire unique : Les protocoles actuels ne sont pas encore adaptés à l'analyse des cellules uniques, s'appuyant plutôt sur le profilage au niveau de la population.

Directions de développement futur

• Analyse des polyribosomes à cellule unique : Développement de techniques de traitement de micro-échantillons pour analyser l'hétérogénéité cellulaire.
• Intégration multi-omique : Combinaison de m6A-seq et Dépistage CRISPR pour construire des réseaux de régulation de la traduction (comme l'axe de l'autophagie dans le cancer).
• Technologie de suivi dynamique : Utilisation d'expériences en séries temporelles pour révéler des changements transitoires dans les événements de traduction, tels que la régulation rapide des réponses au stress.

Conclusion : Le Polysome-seq, en quantifiant l'efficacité de la traduction et la distribution des ribosomes, constitue un outil indispensable pour la recherche sur les mécanismes des maladies, l'amélioration des cultures et l'adaptation environnementale. Avec l'avancement de la technologie des cellules uniques et de l'intégration des multi-omiques, il jouera un rôle encore plus important dans la médecine de précision et la biotechnologie agricole.

Références

1. Chen Y, Lee D, Kwan KK, Wu M, Wang G, Zhang MS, Deng H, Cheu JW, Lau MH, Chan CY, Ooi ZY, Wu Y, Bao MH, Lo RC, Ng IO, Wong CM, Wong CC. La voie du mévalonate favorise le cancer du foie en supprimant la ferroptose par la production de CoQ10 et la modification de l'ARNt sélénocystéine. J Hepatol. 2025 déc;83(6):1338-1352.
2. Du D, Zhou M, Ju C, Yin J, Wang C, Xu X, Yang Y, Li Y, Cui L, Wang Z, Lei Y, Li H, He F, He J. La méthylation du tRNA m7G médiée par METTL1 et le dysfonctionnement de la traduction restreignent la tumorigenèse du cancer du sein en alimentant le blocage du cycle cellulaire. J Exp Clin Cancer Res31 mai 2024 ; 43(1) : 154.
3. Chak K, Roy-Chaudhuri B, Kim HK, Kemp KC, Porter BE, Kay MA. L'augmentation du précurseur de microARN-21 après un statut épileptique peut rivaliser avec le microARN-21 mature pour modifier la traduction. Exp Neurol. Déc 2016 ; 286 : 137-146.
4. Li Q, Ni Y, Zhang L, Jiang R, Xu J, Yang H, Hu Y, Qiu J, Pu L, Tang J, Wang X. L'expression induite par HIF-1α du lecteur m6A YTHDF1 stimule l'autophagie induite par l'hypoxie et la malignité du carcinome hépatocellulaire en favorisant la traduction d'ATG2A et d'ATG14. Signal Transduct Target Ther. 2021 23 fév;6(1):76.
5. Juntawong P, Sorenson R, Bailey-Serres J. La protéine de choc à froid 1 chaperonne les ARNm pendant la traduction chez Arabidopsis thaliana. Plante J. Juin 2013 ; 74(6) : 1016-28.
6. Bian H, Song P, Gao Y, Deng Z, Huang C, Yu L, Wang H, Ye B, Cai Z, Pan Y, Wang F, Liu J, Gao X, Chen K, Jia G, Klee HJ, Zhang B. Le lecteur m6A SlYTH2 régule négativement l'arôme des fruits de tomate en entravant le processus de traduction. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 9 juil.;121(28):e2405100121.