Un nouveau mécanisme d'épistasie génique influençant la taille des fruits de tomate

L'épistasie génétique, un phénomène génétique fondamental, se produit lorsque l'expression d'une mutation génétique est influencée par des mutations dans un ou plusieurs autres gènes. L'étude de l'épistasie génétique est d'une importance capitale pour déchiffrer l'interaction complexe entre les gènes. Les stratégies de recherche traditionnelles consistent à observer les changements phénotypiques chez les sujets d'étude résultant de mutations naturelles ou induites qui entraînent des modifications fonctionnelles dans les protéines codées par différents gènes. Ces observations fournissent des informations sur les relations épistatiques entre les fonctions de gènes distincts.

Les avancées récentes dans technologie de séquençage à haut débit ont permis une exploration complète du réseau complexe de régulation épistatique au niveau génétique. Cependant, la plupart des études actuelles se concentrent principalement sur les mutations au niveau des protéines. Cette approche néglige l'éventail étendu des motifs cis-régulateurs qui régissent l'expression spatiale et temporelle des gènes dans le génome. Ces motifs, à leur tour, exercent une influence profonde sur la fonctionnalité des protéines qu'ils codent. Par conséquent, la fonction des gènes est souvent plus affectée par leurs profils d'expression.

Le défi actuel dans la recherche sur l'épistasie génique réside dans la disponibilité limitée des données concernant les variations dans les régions cis-régulatrices pour les gènes interagissant connus et la fiabilité limitée des données phénotypiques associées à ces sites. Par conséquent, l'étude de l'épistasie génique à ce niveau reste sous-explorée, malgré le rôle vital que ces variations jouent dans la formation des phénotypes.

Effets Dépendants du Contexte des Éléments Cis-Régulateurs chez des Mutants de Tomate

Pour commencer, l'équipe de recherche a utilisé la technologie d'édition génétique pour modifier la région cis-régulatrice du gène Slclv3. Grâce à ce processus, ils ont généré une variété de matériaux mutants de tomate, chacun ayant un nombre de chambres distinct. À partir de ce pool, ils ont soigneusement sélectionné 12 échantillons exemplaires avec une héritabilité stable, collectivement appelés 'Slclv3Pro.' Par la suite, ils ont combiné ces échantillons avec le type sauvage de la région cis-régulatrice du gène Slwus et un matériau mutant connu sous le nom de 'SlwusCR-lc' dans deux combinaisons différentes. Cette approche stratégique leur a permis de créer des matériaux végétaux avec des combinaisons diverses de variantes d'éléments cis-régulateurs pour les deux gènes.

Dans leur enquête sur les effets synergiques des éléments cis-régulateurs sur l'épistasie génique, les chercheurs ont formulé plusieurs hypothèses. Tout d'abord, ils ont postulé que l'impact de SlwusCR-lc est positivement corrélé à la force du site cis-régulateur dans le gène Slclv3Pro. Deuxièmement, ils ont émis l'hypothèse que les mutations dans différentes régions de la région cis-régulatrice ont des effets uniformes sur la fonction de SlwusCR-lc. Enfin, ils ont proposé que l'effet de SlwusCR-lc est dépendant du contexte, soit en renforçant, soit en atténuant, et lié au contexte génétique des plantes mutantes Slclv3Pro.

Pour évaluer rigoureusement ces hypothèses, les chercheurs ont utilisé la méthode du maximum de vraisemblance pour analyser une série de modèles imbriqués. Après avoir réalisé des analyses de corrélation, ils ont établi que l'effet de SlwusCR-lc sur le gène Slclv3Pro est effectivement dépendant du contexte. Un exemple frappant de cette dépendance contextuelle est le cas de la mutation ponctuelle Slclv3Pro-22, qui a entraîné un plus grand nombre de chambres que celui observé dans les fruits mutants SlwusCR-Lc, tant dans les contextes de type sauvage que mutant de Slclv3fas. Fait intéressant, lorsque la mutation SlwusCR-Lc a été introduite sur la base de la mutation ponctuelle Slclv3Pro-22, cela a conduit à une réduction du nombre de chambres, signifiant un effet épistatique régulateur négatif de SlwusCR-Lc sur le locus Slclv3Pro-22. Parallèlement, il a été observé que Slwuslc exerçait un effet épistatique régulateur positif robuste sur Slclv3fas.

L'épiastase idiosyncratique et dépendante de la dose entraîne une variation de la taille des fruits de tomate. (Aguirre et al., 2023)

Les chercheurs se sont ensuite penchés sur la question intrigante de savoir si les effets up-régulateurs imprévisibles induits par SlwusCR-lc en conjonction avec la région cis-régulatrice Slclv3 pourraient être influencés par SlCLE9. Leur analyse a révélé une corrélation frappante : le nombre de loci régulateurs au sein de l'allèle Slclv3Pro présentait un phénotype up-régulateur directement proportionnel et synergique lorsqu'il était associé à Slcle9. Un examen plus approfondi du modèle de données a mis en évidence un schéma dans les effets de Slcle9, montrant une relation de saturation dépendante de la dose. En essence, l'influence de Slcle9 est restée minimale jusqu'à ce qu'un seuil critique de disruption de SlCLV3 soit dépassé, au-delà duquel ses effets ont augmenté, se stabilisant finalement comme un renforcement quasi constant, en particulier en présence de niveaux robustes de Slclv3Pro.

Les chercheurs ont ensuite approfondi les complexités de l'épistasie impliquant la régulation d'éléments cis-agissants de dimension supérieure. Ils ont exploré ce phénomène en créant diverses combinaisons des trois mutants Slclv3Pro-Slcle9-Slwuslc. Les résultats des analyses de corrélation génotypique et phénotypique ont mis en lumière l'influence spécifique du contexte végétal sur les interactions bidirectionnelles dans le cadre de ces combinaisons alléliques de haute dimension (impliquant trois gènes).

Dans cette étude, ils ont mené une exploration systématique de la relation complexe entre Slclv3Pro-Slwuslc-Slcle9 au niveau cis-régulatoire. La recherche a révélé un phénomène d'up-régulation génique remarquable qui s'est avéré hautement dépendant du contexte génétique. De plus, il a présenté un effet de dosage qui a directement impacté le nombre de lumières dans les fruits de tomate, influençant par la suite la taille des fruits. Cette étude non seulement améliore leur compréhension de la complexité de l'épistasie génique au niveau cis-régulatoire, mais offre également des perspectives précieuses pour de futures stratégies de sélection génétique. Elle encourage une considération plus large des effets de différents génétique arrière-plans lors de la conception de nouvelles combinaisons d'allèles.

Référence:

1. Aguirre, Lyndsey, et al. "L'épigénie idiosyncratique et dépendante de la dose entraîne la variation de la taille des fruits de tomate." Science 382,6668 (2023) : 315-320.