Comment détecter les modifications des histones par séquençage ?

Qu'est-ce que les modifications des histones ?

Modifications des histones sont des altérations chimiques complexes qui jouent un rôle essentiel dans la régulation de l'information génétique stockée dans l'ADN. Dans le code génétique, la séquence des bases nucléotidiques, adénine (A), cytosine (C), thymine (T) et guanine (G), est fondamentale. Autour de l'ADN, il y a quatre protéines histones principales - H2A, H2B, H3 et H4 - qui forment collectivement une structure semblable à un perle. Cet assemblage, connu sous le nom de nucléosome, sert de bloc de construction fondamental de la chromatine.

Chaque nucléosome est composé de deux ensembles de ces histones de base, créant une structure octamérique. La chaîne d'ADN s'enroule autour de cet octamère, s'étendant sur environ 145 à 147 paires de bases.

Ce qui distingue les nucléosomes des perles lisses et uniformes ce sont les "queues" s'étendant des histones H2A, H2B, H3 et H4. Ces queues sont composées de séquences spécifiques d'acides aminés et sont soumises à des modifications post-traductionnelles (MPT). Ces modifications englobent une gamme de changements chimiques, y compris la méthylation, l'acétylation, la phosphorylation, l'ubiquitination, et plus encore.

Structure des histones.

Les modifications des histones exercent une influence profonde sur des processus critiques dépendant de l'ADN tels que la compaction des chromosomes, la dynamique des nucléosomes et la régulation transcriptionnelle. En affectant le niveau de compaction de la chromatine et son accessibilité, ces modifications ont un impact significatif sur l'expression génique. En fin de compte, elles jouent un rôle central dans la formation de tous les aspects de la physiologie biologique et des processus de développement. Dans le domaine de l'épigénétique, les modifications des histones sont parmi les mécanismes les plus importants pour réguler l'expression génique chez les organismes eucaryotes.

Parmi ces mécanismes, l'acétylation et la méthylation des histones ont fait l'objet de recherches approfondies et sont reconnues comme deux processus épigénétiques essentiels et omniprésents dans l'expression génique.

Méthylation des histones

Les modifications des histones les plus soigneusement examinées comprennent la méthylation et l'acétylation. Les altérations de la méthylation des histones sont orchestrées par des histones méthyltransférases (HMT) et des histones déméthylases (HDM). En général, la méthylation des histones se produit aux résidus d'arginine et de lysine des histones H3 et H4. Ces résidus peuvent être mono-, di- ou triméthylés, la lysine pouvant également subir une triméthylation.

La méthylation de l'arginine des histones augmente la transcription, tandis que la méthylation de la lysine à diverses positions produit des effets variés, certains favorisant l'expression génique et d'autres l'inhibant. L'étendue de la méthylation confère également des fonctions distinctes, telles que la monométhylation et la triméthylation de l'histone H3K4. H3K4me1 désigne généralement les amplificateurs transcriptionnels, tandis que H3K4me3 marque les promoteurs de gènes.

Méthylation des histones. (Zhou et al., 2011)

Acétylation des histones

L'acétylation des histones est régie par des histones acétyltransférases (HAT) et des histones désacétylases (HDAC). Cette modification se produit principalement sur les lysines et stimule la transcription des transcrits géniques. Le principe sous-jacent est que les modifications d'acétylation neutralisent la charge positive des histones, qui sont attirées par l'ADN chargé négativement. Une plus grande acétylation entraîne une réduction de la liaison histone-ADN, permettant un accès plus facile à l'ADN pour les facteurs de transcription et les ARN polymérases. Par exemple, H3K27ac et H3K9ac sont fréquemment associés à l'activité des enhancers et des promoteurs.

Nouvelles modifications des histones

En plus des modifications d'histones conventionnelles mentionnées précédemment, de nombreuses nouvelles modifications ont émergé ces dernières années. Celles-ci incluent la lactylation, la propionylation, la butyrylation, la 2-hydroxyisobutyrylation, la succinylation, la malonylation, la glutaralylation, la crotonylation et la β-hydroxybutyrylation.

En 2019, Nature a publié un rapport intitulé "Régulation métabolique de l'expression génique par la lactylation des histones", révélant le contrôle métabolique de l'expression génique par la lactylation des histones. Cette étude a non seulement réintroduit le concept selon lequel le lactate est plus qu'un simple sous-produit métabolique, mais a également souligné son influence sur les modifications épigénétiques du corps. Le rapport a mis en avant la lactylation, une nouvelle modification épigénétique, au premier plan de l'attention scientifique.

Méthodes de recherche sur les modifications des histones : ChIP-seq

ChIP-seqChIP-seq, un acronyme pour Immunoprécipitation de la chromatine suivie de séquençage de nouvelle génération (NGS), est une technique puissante à la pointe de la recherche en épigénétique. Elle intègre parfaitement les forces de la ChIP, qui isole les modifications des histones cibles, avec la précision du séquençage de deuxième génération. En utilisant des anticorps adaptés à des modifications spécifiques des histones, cette méthode permet l'immunoprécipitation sélective de fragments d'ADN modifiés par des histones. Par la suite, ces fragments d'ADN sont fragmentés et séquencés, révélant ainsi les emplacements précis et les abondances relatives des modifications des histones à travers tout le génome. ChIP-seq est en effet devenu la référence en matière d'élucidation complète de la distribution des modifications des histones dans le génome.

Les modifications des histones et la méthylation de l'ADN, en tant que marques épigénétiques essentielles, exercent une influence profonde sur l'architecture et la fonctionnalité de la chromatine. Elles jouent un rôle clé dans la régulation d'une multitude de processus biologiques essentiels, tels que l'expression génique, la réplication de l'ADN et la réparation. L'interaction complexe entre ces deux mécanismes épigénétiques est vitale pour maintenir l'équilibre physiologique et revêt une importance cruciale dans divers états pathologiques.

Contrairement aux méthodologies antérieures qui nécessitaient des approches expérimentales distinctes pour la détection des modifications des histones et de la méthylation de l'ADN, Technologie ChIP-seq, par exemple, facilite l'investigation ciblée des modifications des histones. Des techniques complémentaires telles que BS-seq sont utilisées pour la détection précise des motifs de méthylation de l'ADN. Il est important de souligner que cette approche innovante non seulement améliore l'efficacité de la recherche, mais permet également une analyse plus complète des marques épigénétiques. Il est essentiel de souligner que les méthodes traditionnelles nécessitent non seulement des échantillons substantiels, mais manquent également de la capacité d'évaluer simultanément plusieurs marques épigénétiques.

Séquençage par nanopores

L'avancement implacable de Technologie de séquençage par nanopore a ouvert une nouvelle ère de recherche en génomique. Notamment, ses longueurs de lecture étendues et sa capacité de séquençage direct ont considérablement amélioré la précision de l'identification des modifications des histones. Plus significativement, la technologie de séquençage par nanopores a la capacité unique de discerner simultanément la méthylation de l'ADN et les modifications des histones. Elle permet d'explorer l'interaction inhérente entre ces mécanismes épigénétiques tout en révélant simultanément l'agencement spatial de ces marques à travers le génome, même à des profondeurs de séquençage faibles.

Le séquençage par nanopore présente des avantages distincts en termes de simplicité, de sensibilité accrue et de fiabilité :

• Détection des modifications des histones et de la méthylation de l'ADN : Cette technologie révolutionnaire permet la détection simultanée des modifications des histones et de la méthylation de l'ADN sur une seule molécule d'ADN. Elle élimine efficacement le besoin de méthodes expérimentales séparées pour étudier ces deux marqueurs épigénétiques distincts.
• Longueurs de lecture étendues : Séquençage par nanopore fournit des longueurs de lecture étendues, ce qui améliore considérablement la précision et la sensibilité de la détection, offrant une vue plus complète des paysages épigénétiques.
• Flux de travail rationalisé : La méthodologie se vante d'une procédure expérimentale rationalisée, condensant l'ensemble du processus de récolte des cellules à la préparation de la bibliothèque en une seule journée.
• Exploration à faible couverture : Il est à noter que le séquençage par nanopores permet de profiler simultanément la méthylation de l'ADN et les modifications des histones, même à des profondeurs de séquençage faibles. Cela est essentiel pour explorer les connexions intrinsèques entre ces deux éléments épigénétiques critiques.

Référence

1. Zhou, Vicky W., Alon Goren, et Bradley E. Bernstein. "Cartographie des modifications des histones et de l'organisation fonctionnelle des génomes des mammifères." Nature Reviews Génétique 12.1 (2011) : 7-18.