La combinaison de ChIP-seq et d'ATAC-seq éclaire le paysage régulateur du génome

Bien que le ChIP-seq et l'ATAC-seq fournissent individuellement des informations précieuses sur différents aspects de la biologie de la chromatine, leur combinaison permet de débloquer une compréhension plus profonde de la régulation génique. L'intégration des données ChIP-seq avec ATAC-seq les données permettent aux chercheurs d'explorer la connexion entre la liaison des facteurs de transcription et l'accessibilité de la chromatine.

En comparant ChIP-seq et les profils ATAC-seq, les chercheurs peuvent déterminer si des facteurs de transcription sont liés à des régions de chromatine accessible, suggérant des sites régulateurs actifs. À l'inverse, si la liaison des facteurs de transcription est détectée dans des régions avec une chromatine fermée, cela peut indiquer le potentiel de régulation des gènes lors du remodelage de la chromatine.

La combinaison de ces techniques aide également à identifier les éléments régulateurs spécifiques aux types cellulaires. L'analyse conjointe permet aux chercheurs de distinguer les éléments régulateurs généraux présents dans la plupart des types cellulaires de ceux qui sont uniques à des lignées cellulaires spécifiques, fournissant des informations cruciales sur la régulation génique spécifique aux types cellulaires et les cibles thérapeutiques potentielles.

Flux de travail de ChIP-seq et ATAC-seq. (Ma et al., 2020)

Le ChIP-seq et l'ATAC-seq font progresser la recherche sur la chromatine embryonnaire.

Au cours du développement embryonnaire des mammifères, divers changements épigénétiques se produisent à travers le génome, y compris la méthylation de l'ADN, les modifications des histones, les régions de chromatine ouverte et les changements de conformation de la chromatine. Ces éléments régulateurs génomiques, tels que les promoteurs, les amplificateurs, les isolateurs et les régions de contrôle des motifs, jouent des rôles critiques dans la direction du développement embryonnaire grâce à des interactions avec des facteurs de transcription spécifiques au type cellulaire. De plus, les interactions à long terme entre ces éléments régulateurs ont suscité l'intérêt des chercheurs.

Les récentes innovations en ChIP-seq ont permis l'étude des modifications des histones dans un très faible nombre de cellules, comme les embryons. Dans les embryons de souris en développement précoce, la modification des histones H3K4me3 subit d'importants événements de reprogrammation. Elle disparaît dans le syncytium et réapparaît lors de l'activation du génome syncytial de la progéniture (ZGA). En optimisant le ChIP-seq dans les embryons, les chercheurs peuvent explorer le processus complexe de transmission des modifications des histones mammifères des parents à la progéniture. Cela inclut l'identification des différences dans les motifs de modification parentale avant et après la fertilisation, éclairant ainsi des événements développementaux cruciaux.

De même, la méthode ATAC-seq améliorée trouve des applications dans les tissus embryonnaires, aidant à la localisation de l'accessibilité chromatinienne à l'échelle du génome pendant des périodes critiques du développement embryonnaire. Par exemple, dans les embryons préimplantatoires, l'ATAC-seq a été essentielle pour découvrir des changements chromatinien à haute résolution durant l'activation génomique zygotique (ZGA) et la dynamique temporelle de l'activation génomique syntenique secondaire (minorZGA). Ces études épigénomiques ont également révélé des états chromatinien uniques à différentes étapes du développement embryonnaire, offrant des perspectives précieuses pour de futures recherches sur le développement embryonnaire humain et ses implications cliniques potentielles.

Bien que ces avancées aient révélé des aspects essentiels du développement embryonnaire précoce, il reste encore des questions sans réponse. Les chercheurs cherchent à identifier les facteurs clés responsables de la régulation des changements d'états de la chromatine et à explorer le rôle des transposons dans ce processus complexe.

Déchiffrer le développement des organes avec ChIP-seq et ATAC-seq

Les technologies de séquençage de l'épigénome sont devenues des outils indispensables pour étudier les trajectoires de développement et comprendre la détermination du destin cellulaire. L'exploitation de ChIP-seq et ATAC-seq au niveau des cellules uniques permet une exploration complète des dynamiques de développement des tissus et des organes. Notamment, en 2018, le scATAC-seq a été utilisé pour analyser des cellules regroupées à différents stades du développement du cortex antérieur de la souris, révélant des régulateurs clés déduits à partir de la chromatine ouverte.

En intégrant les données ChIP-seq, ATAC-seq et DNase-seq avec des données transcriptomiques dans des modèles d'organoïdes, les chercheurs obtiennent des informations précieuses sur la dynamique de développement de cellules spécifiques, identifient des régulateurs transcriptionnels essentiels et localisent des clusters cellulaires susceptibles de présenter une vulnérabilité aux maladies. Cette approche multi-omique, combinant les données de transcriptome unicellulaire et d'ATAC-seq dans le développement des organes, établit une base solide pour le traitement clinique des maladies. Par exemple, une compréhension approfondie des points temporels clés et des réseaux de régulation génique dans le développement hippocampique humain a fourni des informations cruciales sur les populations cellulaires liées à la pathologie des maladies de Parkinson, d'Alzheimer et de Huntington.

Applications futures de l'épigénomique à cellule unique. (Ma et al., 2020)

Au-delà des investigations neurobiologiques, les analyses de la dynamique de la chromatine ont également éclairé le développement musculaire, le développement de la glande mammaire et le destin des cellules précurseurs cardiaques. Des études détaillées sur la dynamique de la chromatine à l'échelle unicellulaire ouvrent la voie à des modèles complets du développement des organes humains, permettant aux chercheurs de retracer efficacement l'origine embryonnaire de chaque tissu et organe.

Dévoiler la complexité du cancer à travers le ChIP-seq et l'ATAC-seq

Notre compréhension actuelle des tissus tumoraux hautement hétérogènes reste limitée, englobant les variations dans le microenvironnement tumoral, les disparités entre les cancers primitifs primaires et les métastases, ainsi que l'évolution des sous-clones tumoraux. Il est crucial de noter que les cellules immunitaires dans le microenvironnement tumoral jouent un rôle significatif dans l'évasion immunitaire et l'infiltration des cellules cancéreuses. L'émergence de l'ATAC-seq à cellule unique (scATAC-seq) et ses applications offrent une voie prometteuse pour déchiffrer l'hétérogénéité épigénétique à l'origine de la progression tumorale et identifier des cibles thérapeutiques potentielles.

En appliquant le scATAC-seq, les chercheurs ont identifié des réseaux régulateurs gouvernant le stroma malin et les cellules immunitaires dans le microenvironnement tumoral. L'exploration approfondie de la cinétique de développement des cellules immunitaires individuelles a permis de comparer la déplétion des cellules T dans le microenvironnement tumoral avant et après l'immunothérapie. En conséquence, des populations clés de cellules T régulatrices réactives à l'immunothérapie ont été identifiées, facilitant des stratégies de traitement personnalisées.

L'intégration des profils ChIP-seq, ATAC-seq et des mutations de l'ADN au sein des mêmes cellules permet aux scientifiques de découvrir de nouveaux sous-clones de cellules cancéreuses pour des essais cliniques personnalisés. Ainsi, comprendre les motifs de régulation de la chromatine au niveau des cellules individuelles a le potentiel de conduire à des avancées biomédicales significatives dans le traitement du cancer.

De plus, la technologie élargie de l'ATAC-seq, y compris l'ATAC-see, offre de nouvelles perspectives sur l'hétérogénéité tumorale. L'ATAC-see permet l'imagerie in situ de la chromatine ouverte en marquant de manière fluorescente les motifs ouverts, fournissant des preuves physiques de la co-localisation de l'ADN extrachromosomique (ecDNA) et des signaux ATAC-see. Soutenue par des données d'ATAC-seq et de MNase-seq, cette découverte met en évidence la grande accessibilité de l'ecDNA, expliquant l'abondante expression des oncogènes situés sur l'ecDNA.

Dans l'ensemble, tirer parti de l'adaptabilité des technologies ChIP-seq et ATAC-seq offre de grandes promesses pour ouvrir la voie à des thérapies ciblées et fournir des preuves physiques pour visualiser l'hétérogénéité du cancer. Ces avancées devraient favoriser des découvertes scientifiques complètes et fiables dans la lutte contre le cancer.

Référence:

1. Ma, Shaoqian et Yongyou Zhang. "Profilage du paysage régulateur de la chromatine : perspectives sur le développement de ChIP-seq et ATAC-seq." Biomédecine moléculaire 1 (2020) : 1-13.