Explorer le cycle cellulaire d'un point de vue de transcriptome unicellulaire

La division cellulaire est un processus biologique fondamental avec des caractéristiques et des mécanismes de base conservés chez tous les eucaryotes. Le processus qui se déroule entre le début de la croissance d'une nouvelle cellule produite par la division cellulaire et la fin de la prochaine division cellulaire pour former des cellules filles est généralement appelé le cycle cellulaire. Le cycle cellulaire contient quatre phases : G1, S, G2 et M. C'est une série d'événements au cours desquels l'ADN cellulaire se réplique, croît et se divise.

Parmi les tissus, même les cellules du même type peuvent être dans des cycles cellulaires différents. Les méthodes traditionnelles d'étude du cycle cellulaire, telles que les expériences de coloration au PI (iodure de propidium) et la détection de molécules connexes, présentent des inconvénients tels que des expériences compliquées, un nombre limité de marqueurs disponibles, une difficulté accrue à trouver des cellules d'état intermédiaire et des difficultés à analyser des gènes clés dans le processus. En revanche, la technologie des cellules uniques offre une nouvelle direction pour la recherche sur le cycle cellulaire en raison de sa relative simplicité, de la disponibilité d'un grand nombre de profils d'expression génique, de la capacité à capturer des cellules rares et de la possibilité de trouver des gènes clés sans information a priori.

L'analyse du pseudotemps dans la recherche sur le cycle cellulaire

Les cellules commencent à se diviser après une série de points de contrôle pour la croissance et la préparation à la division. Ces étapes sont contrôlées par l'activité de protéines spécifiques qui sont régulées dans le temps et l'espace par la régulation transcriptionnelle, les modifications post-traductionnelles et la dégradation des protéines. Des études sur le cycle cellulaire ont montré que des centaines de gènes et de protéines sont régulés par le cycle cellulaire. Un des avantages du séquençage d'ARN à cellule unique (scRNA-seq) est l'analyse de pseudotemps. L'analyse de pseudotemps est utilisée pour inférer le cours des changements cellulaires à partir de résultats de données statiques en construisant des trajectoires de changements intercellulaires. En termes d'analyse de classification spécifique et de complexité, l'analyse de pseudotemps peut être divisée en analyse de trajectoire cellulaire et en analyse de généalogie cellulaire.

L'analyse de la trajectoire cellulaire fait référence au changement des cellules le long d'une direction spécifique, et la trajectoire a un point de départ et un point d'arrivée plus simples ; l'analyse de la généalogie cellulaire fait généralement référence à des cellules progénitrices avec plusieurs trajectoires de développement et destins sous des conditions spécifiques, et le processus de changement ressemble à une structure complexe en forme d'arbre. De plus, l'analyse de regroupement permet la reconstruction de processus continus du cycle cellulaire. En analysant les gènes spécifiquement exprimés, de nouveaux gènes avec des associations inconnues avec la division cellulaire et le cycle cellulaire peuvent être identifiés, par exemple, d'autres gènes dépendants du cycle cellulaire (CCD) peuvent être découverts efficacement en utilisant scRNA-seq, etc.

Analyse différentielle basée sur la trajectoire. (Van den Berge et al., 2020)

À l'exception de la scRNA-seq, les études sur le cycle cellulaire sont généralement réalisées dans des populations cellulaires synchronisées qui sont affectées par l'expression génique, la morphologie cellulaire et les altérations métaboliques, ce qui limite l'exploration des changements d'expression dans les phases du cycle cellulaire. Par conséquent, en plus des études sur la régulation des signaux de développement, les mécanismes moléculaires et les mécanismes de résistance, la scRNA-seq a été largement utilisée dans les études sur le cycle cellulaire, par exemple, pour des questions classiques telles que le développement des traits biologiques, les questions sur la capacité régénérative des tissus après un traumatisme et la méiose des cellules germinales.

L'analyse comparative des gènes liés au cycle cellulaire peut élucider les domaines structuraux spécifiques au cycle cellulaire, à la fois conservés et uniques, et fournir des informations clés pour l'analyse fonctionnelle de la progression du cycle cellulaire dans l'analyse par RNA à cellule unique et l'annotation des gènes marqueurs du cycle cellulaire. Le séquençage du transcriptome à cellule unique de lignées cellulaires importantes peut également révéler l'hétérogénéité transcriptionnelle dépendante du cycle cellulaire présente dans les taxons cellulaires. Une progression continue du cycle cellulaire a été reconstruite par une analyse de synchronisation mimétique, révélant des trajectoires de différenciation incluant l'entrée et la sortie du cycle cellulaire ; un ensemble de gènes exprimés spécifiquement au cycle cellulaire a également été identifié.

Une analyse comparative avec des gènes liés au cycle cellulaire provenant d'autres études a été réalisée pour élucider les domaines structurels et les gènes spécifiques à chaque stade, conservés ou distincts. L'analyse du cycle cellulaire corrélée à l'analyse mimétique peut être appliquée pour indiquer la capacité de cellules souches, identifier l'effet des médicaments pour bloquer le cycle cellulaire, etc., et a des applications potentielles dans les processus de différenciation et de développement, la réparation des dommages causés par des maladies et l'immunogenèse tumorale.

L'annotation du cycle cellulaire

Chaque phase du cycle cellulaire possède des gènes marqueurs significatifs, et en analysant l'expression des gènes liés au cycle cellulaire, il est possible d'annoter le cycle dans lequel se trouve une cellule. Sur la base des gènes signatures du cycle et de la matrice d'expression unicellulaire, l'état du cycle dans lequel se trouve une cellule individuelle peut être évalué pour déterminer si la cellule est dans un état prolifératif.

Progression du cycle cellulaire. (Wang 2021)

Dans les études sur la méiose, comme la méiose des cellules germinales dans les tissus ne se produit pas simultanément, il est difficile pour le transcriptome ordinaire de refléter avec précision les mécanismes de régulation de l'expression génique pendant la méiose, et l'approche à cellule unique peut bien résoudre le problème de l'hétérogénéité. Dans l'analyse du transcriptome à cellule unique, le cycle cellulaire dans lequel se trouve chaque cellule peut être déduit des données des clusters de gènes à des stades spécifiques du cycle cellulaire. Par exemple, les cellules méiotiques expriment plusieurs sous-unités d'histones avec des protéines liant les microtubules, et l'expression combinée des protéines du cycle cellulaire et des kinases dépendantes des protéines du cycle cellulaire n'apparaît pas dans les cellules d'origine.

Ce phénomène peut être utilisé pour distinguer entre le premier stade de la prophase de la méiose et la phase cellulaire mitotique. L'identification des gènes régulateurs du développement des cellules primitives en calculant la corrélation de chaque gène avec le cycle cellulaire qui ressemble le plus au timing de développement proposé est une analyse qui peut distinguer les gènes de différenciation des cellules primitives des gènes régulateurs du cycle cellulaire, ce qui ne serait pas possible en utilisant des données provenant de tissus entiers. On peut constater qu'en étudiant les motifs d'expression de gènes spécifiques dans des cellules individuelles, les cellules à différents stades du cycle peuvent être efficacement identifiées et catégorisées.

Les cellules dans la même phase se regroupent tandis que les cellules dans des phases différentes sont clairement séparées et forment un cycle dans la distribution de l'ACP, ce qui permet d'inférer le processus dynamique du cycle cellulaire à partir de données statiques, résolvant ainsi la difficulté de l'hétérogénéité cellulaire et de l'homogénéisation des données, et permettant des réponses précises aux questions scientifiques au niveau cellulaire.

Impact du cycle cellulaire sur l'analyse des données

Lors de l'étude du cycle cellulaire, les tissus peuvent contenir deux populations cellulaires très différentes, par exemple, des cellules en prolifération et des cellules quiescentes ou sénescentes, et les méthodes utilisant des tests moléculaires ne peuvent rapporter qu'un état intermédiaire, qui ne reflète alors véritablement aucun des deux types cellulaires.

Lorsqu'on se concentre sur l'hétérogénéité des types cellulaires, le cycle cellulaire peut être considéré comme le principal biais systématique. Dans les données de transcriptome unicellulaire, les cellules du même type proviennent souvent de différentes phases du cycle cellulaire, ce qui peut affecter l'analyse de regroupement en aval, se manifestant par la division du même type de cellules en différentes populations cellulaires. De plus, lors de l'exécution du regroupement cellulaire, différents types de cellules peuvent être dans un état prolifératif et être regroupés en raison d'une forte expression de gènes liés au cycle cellulaire, ce qui est en réalité un mélange de plusieurs cellules. Par conséquent, il est nécessaire de prendre en compte l'effet du cycle cellulaire sur le regroupement lors de l'analyse, en se basant sur la compréhension de l'ensemble de l'expérience.

L'analyse du cycle cellulaire nous permet de comprendre l'état dans lequel se trouvent les cellules, et lorsque les résultats de regroupement sont fortement influencés par le cycle cellulaire, l'influence du cycle cellulaire doit être éliminée en fonction de la question scientifique étudiée, laissant la fraction biologiquement significative. Si la fraction est très petite, il est également possible de choisir de ne pas la traiter. De plus, combiner différents types d'analyse unicellulaire, tels que l'imagerie de cellules vivantes avec des biosenseurs fluorescents et la transcription unicellulaire ou la génomique, pour relier le comportement moléculaire d'une cellule à son destin ultérieur peut être une direction importante pour la recherche sur le cycle cellulaire.

Conclusion

En général, les études sur les cellules uniques peuvent aborder la question de l'hétérogénéité cellulaire. Grâce au séquençage du transcriptome à cellule unique combiné à l'analyse de clustering et à l'analyse de timing mimétique, nous pouvons reconstruire le processus continu du cycle cellulaire et ainsi inférer l'état de valeur ajoutée des cellules ; en analysant les gènes exprimés spécifiquement, nous pouvons découvrir des gènes connus et inconnus associés à la division cellulaire et au cycle cellulaire ; en analysant les informations moléculaires des cellules, nous pouvons inférer la différenciation et le destin développemental des cellules, etc. On peut dire que les études sur le cycle cellulaire à cellule unique ont un potentiel d'application important dans la régulation des signaux de développement, la réparation des dommages causés par les maladies, l'immunogenèse tumorale, etc.

Références:

1. Van den Berge, Koen, et al. "Analyse de l'expression différentielle basée sur la trajectoire pour les données de séquençage unicellulaire." Communications Nature 11.1 (2020) : 1201.
2. Wang, Zhixiang. "Régulation de la progression du cycle cellulaire par la signalisation cellulaire induite par des facteurs de croissance." Cellules 10,12 (2021) : 3327.