Zoomer pour avoir une vue d'ensemble

Publiée dans Science, cette étude, codirigée par Eileen Furlong à l'EMBL et Jay Shendure à l'Université de Washington, exploite les données de plus d'un million de cellules embryonnaires couvrant tous les stades du développement de l'embryon et représente une avancée significative à plusieurs niveaux. Cette recherche fondamentale aide également les scientifiques à répondre à des questions telles que la manière dont les mutations entraînent différents défauts de développement. En outre, elle ouvre la voie à la compréhension de la vaste partie non codante de notre génome, qui contient la plupart des mutations associées à des maladies.

"Le fait de capturer l'intégralité de l'embryogenèse - tous les stades et tous les types de cellules - afin d'obtenir une vision plus complète des états cellulaires et des changements moléculaires qui accompagnent le développement est un exploit en soi", a déclaré Eileen Furlong, chef de l'unité Biologie du génome de l'EMBL. "Mais ce qui m'enthousiasme vraiment, c'est l'utilisation de l'apprentissage profond pour obtenir une vue continue des changements moléculaires qui conduisent le développement embryonnaire - à la minute près."

Le développement embryonnaire commence par la fécondation d'un ovule, suivie d'une série de divisions cellulaires et de décisions qui donnent naissance à un embryon multicellulaire très complexe, capable de se déplacer, de se nourrir, de sentir et d'interagir avec son environnement. Les chercheurs étudient ce processus de développement embryonnaire depuis plus de cent ans, mais ce n'est qu'au cours de la dernière décennie que de nouvelles technologies ont permis aux scientifiques d'identifier les changements moléculaires qui accompagnent les transitions cellulaires au niveau d'une seule cellule.

Ces études unicellulaires ont suscité un grand enthousiasme car elles ont démontré la complexité des types de cellules dans les tissus, allant même jusqu'à identifier de nouveaux types de cellules, et ont révélé leurs trajectoires de développement en plus des changements moléculaires sous-jacents. Toutefois, les tentatives de dresser le profil de l'ensemble du développement embryonnaire à une résolution unicellulaire ont été hors de portée en raison de nombreux défis techniques en matière d'échantillonnage, de coûts et de technologies.

À cet égard, la mouche du vinaigre(Drosophila melanogaster), un organisme modèle prééminent dans les domaines de la biologie du développement, de la régulation des gènes et de la biologie de la chromatine, présente certains avantages clés lorsqu'il s'agit de développer de nouvelles approches pour résoudre ce problème. Le développement embryonnaire de la mouche à fruits est extrêmement rapide ; 20 heures seulement après la fécondation, tous les tissus sont formés, y compris le cerveau, l'intestin et le cœur, de sorte que l'organisme peut ramper et se nourrir. Ce phénomène, associé aux nombreuses découvertes faites chez la mouche à fruits qui ont permis de mieux comprendre le fonctionnement des gènes et de leurs produits, a incité le laboratoire Furlong et ses collaborateurs à relever ce défi.

"Notre objectif était d'obtenir une vue continue de tous les stades de l'embryogenèse, de saisir toute la dynamique et les changements au cours du développement d'un embryon, non seulement au niveau de l'ARN mais aussi des éléments de contrôle qui régulent ce processus", a déclaré le co-auteur Stefano Secchia, doctorant dans le groupe Furlong.

Travaux préliminaires avec des "exhausteurs

En 2018, les groupes Furlong et Shendure ont montré la faisabilité du profilage de la chromatine 'ouverte' à une résolution unicellulaire dans les embryons et comment ces régions d'ADN représentent souvent des exhausteurs de développement actifs. Les "exhausteurs" sont des segments d'ADN qui agissent comme des interrupteurs de contrôle pour activer et désactiver les gènes. Les données ont montré quels types de cellules de l'embryon utilisent quels exhausteurs à un moment donné et comment cette utilisation évolue dans le temps. Une telle carte est essentielle pour comprendre ce qui détermine des aspects spécifiques du développement embryonnaire.

"J'ai été très enthousiaste lorsque j'ai vu ces résultats", a déclaré Furlong. "Aller au-delà de l'ARN pour regarder en amont ces commutateurs de régulation dans des cellules uniques était quelque chose que je ne pensais pas être possible avant longtemps."

Aller au-delà des "instantanés

L'étude de 2018 était à l'état de l'art à l'époque, profilant ~20 000 cellules dans trois fenêtres différentes du développement de l'embryon (au début, au milieu et à la fin). Cependant, ce travail ne donnait encore que des instantanés de la diversité et de la régulation cellulaires pendant des points de temps discrets spécifiques. L'équipe a donc exploré le potentiel de l'utilisation d'échantillons provenant de fenêtres temporelles chevauchantes et, à titre de preuve de principe, a appliqué le concept à une lignée spécifique - le muscle.

Elle a ensuite préparé le terrain pour une mise à l'échelle spectaculaire à l'aide d'une nouvelle technologie développée dans le laboratoire de Shendure. Les travaux actuels de l'équipe ont permis d'établir le profil de la chromatine ouverte de près d'un million de cellules et de l'ARN d'un demi-million de cellules à des moments qui se chevauchent et qui couvrent la totalité du développement de l'embryon de drosophile.

Grâce à un type d'apprentissage automatique, les chercheurs ont tiré parti du chevauchement des points temporels pour prédire le temps à une résolution beaucoup plus fine. Le co-auteur Diego Calderon, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Shendure, a formé un réseau neuronal pour prédire le moment précis du développement de chaque cellule.

"Même si les échantillons collectés contenaient des embryons d'âges légèrement différents dans une fenêtre temporelle de 2 ou 4 heures, cette méthode permet de zoomer sur n'importe quelle partie de la chronologie de l'embryogenèse à l'échelle de quelques minutes", a déclaré Calderon.

Shendure a ajouté : "J'ai été étonné de voir à quel point cela fonctionne bien. Nous avons pu capturer des changements moléculaires qui se produisent très rapidement dans le temps, en quelques minutes, ce que les chercheurs précédents avaient découvert en sélectionnant manuellement les embryons toutes les trois minutes."

À l'avenir, une telle approche permettrait non seulement de gagner du temps, mais aussi de servir de référence pour le développement normal de l'embryon afin de voir comment les choses pourraient changer dans différents embryons mutants. Cela pourrait permettre de déterminer exactement quand, et dans quel type de cellule, le phénotype d'un mutant apparaît, comme l'ont montré les chercheurs dans le muscle. En d'autres termes, ces travaux permettent non seulement de comprendre comment le développement se déroule normalement, mais aussi de comprendre comment différentes mutations peuvent le perturber.

Le nouveau potentiel de prédiction que cette recherche laisse entrevoir, sur la base d'échantillons provenant de fenêtres temporelles beaucoup plus larges, pourrait servir de cadre à d'autres systèmes modèles. Par exemple, le développement de l'embryon de mammifère, la différenciation cellulaire in vitro , ou même le post-traitement médicamenteux dans les cellules malades, où les écarts dans les temps d'échantillonnage peuvent être conçus pour faciliter la prédiction optimale du temps à une résolution plus fine.

À l'avenir, l'équipe prévoit d'explorer les pouvoirs prédictifs de l'atlas.

"En combinant tous les nouveaux outils à notre disposition en génomique unicellulaire, en calcul et en génie génétique, j'aimerais beaucoup voir si nous pouvons prédire ce qui arrive aux destins des cellules individuelles in vivo après une mutation génétique", a déclaré Furlong. "...mais nous n'en sommes pas encore là. Cependant, avant ce projet, je pensais aussi que les travaux actuels ne seraient pas possibles de sitôt."