Etude systématique de l'expression des gènes à l'échelle des molécules uniques d'ARN – HI-FISH

L'étude de l'expression des gènes est un thème fondamental de la biologie. De nombreuses études ont caractérisé le profil d'expression des gènes humains, mais ces études ont le plus souvent mesuré des niveaux d'expression sur des populations de cellules. Ainsi, deux paramètres importants n'ont pu être étudiés: (i) la localisation sub-cellulaire des ARN; (ii) la variabilité d'expression d'une cellule à l'autre. Ce projet a pour but de combler ces lacunes et d'étudier de manière systématique l'expression des gènes humains sur des cellules individuelles et avec une sensibilité au niveau de la molécule unique d'ARN (hybridation in situ en molécule unique; smFISH). Cette étude constituera une des analyses les plus poussées de l'expression des gènes, et elle donnera accès à une dimension spatiale jusqu'ici négligée.

La localisation des ARN.
Si la plupart des ARNm sont localisés de manière aléatoire dans le cytoplasme, certains s'accumulent dans des régions particulières de la cellule. Le plus souvent, ceci permet une traduction locale de protéine, laquelle est importante dans de nombreux processus comme: (i) la polarité cellulaire, la migration cellulaire ou les phénomènes de division asymétrique; (ii) l'incorporation efficace de la protéine néo-synthétisée dans un complexe protéique ou membranaire, (iii) la signalisation cellulaire, la plasticité synaptique, etc...
Si l'on connait maintenant des dizaines d'ARNm localisés, dans différentes espèces, il n'existe que deux études systématiques, où environ un millier de gènes ont été étudiés par hybridation in situ, avec des techniques moins performantes que le smFISH. Néanmoins, une étude menée sur l'embryon de Drosophile a montré que près de 60% des gènes étudiés présentaient des localisations sub-cellulaires atypiques, avec de nombreux profils de localisation jamais observés auparavant. Cette étude indique qu'il y a de très nombreuses choses à découvrir dans le système humain: de nouveaux ARN localisés, de nouvelles localisations, et de nouvelles fonctions.

Le bruit transcriptionnel.
Il existe des différences dans l'expression des gènes entre les cellules individuelles, même dans des populations clonales de cellules. Ces variations peuvent être dues au micro-environnement cellulaire, mais aussi à des variations aléatoires de l'activité des promoteurs au cours du temps, appelées bruit transcriptionnel. Ces fluctuations contribuent à la variabilité phénotypique de populations clonales et peuvent avoir des conséquences importantes même à l'échelle d'un organisme multi-cellulaire. La plupart des études ont mesuré le bruit par les variations de quantité de protéines, et il n'y a à l'heure actuelle que peu de gènes caractérisés par smFISH. Ceci est néanmoins essentiel pour mesurer précisément le bruit transcriptionnel.

Plan de travail.
Notre projet est d'utiliser le smFISH pour caractériser l'expression des gènes humains. Tout d'abord, nous utiliserons une collection de lignées cellulaires contenant chacune un gène taggué, pour lequel nous pouvons détecter chacune des molécules d'ARN produite. Nous réaliserons du smFISH sur les gènes de cette collection et nous développerons des outils d'analyse d'image spécifiquement dédiés au smFISH en haut-débit. Ceci permettra d'identifier les ARNm ayant des localisations cytoplasmiques atypiques, et nous conduirons des études fonctionnelles sur quelques uns de ces gènes. Finalement, nous développerons la technique de smFISH elle-même, de manière à la rendre compatible avec la détection en haut-débit des ARN endogènes non-taggués. Ceci permettra d'atteindre plusieurs objectifs importants, comme l'analyse du bruit transcriptionnel pour de nombreux gènes et, à terme, l'analyse de l'ensemble du génome humain par smFISH.

La mise en place du smFISH en haut-débit ouvrira de nouvelles portes pour l'analyse de notre patrimoine génétique et permettra une compréhension de la localisation des ARNm et du bruit transcriptionnel à l'échelle du génome entier.