Et si vous pouviez prendre une photo de chaque gène à l’intérieur d’un organisme vivant —non pas avec la lumière, mais avec l’ADN lui-même ?
Des scientifiques de l’Université de Chicago ont été les pionniers d’une technique d’imagerie révolutionnaire appelée microscopie volumétrique à ADN. Il construit des cartes 3D complexes du matériel génétique en étiquetant et en suivant les interactions moléculaires, créant ainsi des vues inédites à l’intérieur d’organismes comme les embryons de poisson zèbre.
La nouvelle fenêtre sur la génétique
Le séquençage génétique traditionnel peut révéler beaucoup de choses sur le matériel génétique d’un échantillon, comme un morceau de tissu ou une goutte de sang, mais il ne montre pas où se trouvent des séquences génétiques spécifiques dans cet échantillon, ni comment elles sont liées aux gènes et molécules voisins.
Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l’Université de Chicago développent une nouvelle technologie qui capture à la fois l’identité et la localisation du matériel génétique. La méthode fonctionne en marquant des molécules d’ADN ou d’ARN individuelles et en suivant la manière dont les étiquettes voisines interagissent. Ces interactions sont utilisées pour construire un réseau moléculaire qui reflète la disposition spatiale des gènes, créant ainsi efficacement une carte tridimensionnelle de l’activité génétique. Connue sous le nom de microscopie volumétrique à ADN, cette technique génère des images 3D détaillées d’organismes entiers de l’intérieur vers l’extérieur – jusqu’au niveau des cellules individuelles.
Imager un organisme entier
Joshua Weinstein, PhD, professeur adjoint de médecine et de génie moléculaire à l’UChicago, a passé plus d’une décennie à développer la microscopie ADN, avec le soutien des National Institutes of Health et de la National Science Foundation. Dans une étude récente publiée aujourd’hui (27 mars) dans Nature Biotechnology, Weinstein et le chercheur postdoctoral Nianchao Qian ont utilisé cette technique pour produire une carte ADN 3D complète d’un embryon de poisson zèbre—, un modèle largement utilisé pour étudier le développement et le système nerveux.
“C’est un niveau de biologie que personne n’a jamais vu auparavant”, a déclaré Weinstein. “Pouvoir voir ce genre de vue de la nature depuis l’intérieur d’un spécimen est exaltant.”
Repenser la microscopie
Contrairement aux microscopes traditionnels qui utilisent de la lumière ou des lentilles, la microscopie à ADN crée des images en calculant les interactions entre les molécules, offrant ainsi une nouvelle façon de visualiser le matériel génétique en 3D. Tout d’abord, de courtes étiquettes de séquences d’ADN appelées identifiants moléculaires uniques (UMI) sont ajoutées aux cellules. Ils s’attachent aux molécules d’ADN et d’ARN et commencent à faire des copies d’eux-mêmes. Cela déclenche une réaction chimique qui crée de nouvelles séquences, appelées identifiants d’événements uniques (UEI), qui sont uniques à chaque appariement.
Ce sont ces appariements qui aident à créer la carte spatiale de l’endroit où se trouve chaque molécule génétique. Les paires UMI proches les unes des autres interagissent plus fréquemment et génèrent plus d’UEI que celles qui sont plus éloignées les unes des autres. Une fois l’ADN et l’ARN séquencés, un modèle informatique reconstruit leurs emplacements d’origine en analysant les liens physiques entre les étiquettes UMI, créant ainsi une carte spatiale de l’expression des gènes.
Les téléphones portables et cellules : une analogie intelligente
Weinstein compare cette technique à l’utilisation de données provenant de téléphones portables qui se pingent les uns les autres pour déterminer l’emplacement des personnes dans une ville. Connaître le numéro de téléphone portable ou l’adresse IP de chaque personne, c’est comme connaître la séquence génétique d’une molécule, mais si vous pouvez superposer leurs interactions avec d’autres téléphones à proximité, vous pouvez également déterminer leur emplacement.
“Nous pouvons le faire avec les téléphones portables et les humains, alors pourquoi ne pas le faire avec les molécules et les cellules”, a-t-il déclaré. “Cela renverse l’idée de l’imagerie. Plutôt que de compter sur un appareil optique pour éclairer, nous pouvons utiliser la biochimie et l’ADN pour former un réseau massif entre les molécules et coder leurs proximités les unes par rapport aux autres.”
Les applications futures du cancer et de l’immunothérapie
La microscopie de l’ADN ne repose pas sur une connaissance préalable du génome ou de la forme d’un échantillon, elle pourrait donc être utile pour comprendre l’expression génétique dans des contextes uniques et inconnus. Les tumeurs génèrent par exemple d’innombrables nouvelles mutations génétiques, ce qui permettrait à l’outil de cartographier le microenvironnement tumoral et l’endroit où il interagit avec le système immunitaire. Les cellules immunitaires interagissent les unes avec les autres et réagissent aux agents pathogènes de manière spécifique au contexte. La microscopie à ADN pourrait donc aider à démêler ces mécanismes génétiques. De telles applications pourraient à leur tour guider une immunothérapie plus précise contre le cancer ou adapter des vaccins personnalisés.
“C’est la base essentielle pour pouvoir disposer d’informations véritablement complètes sur l’ensemble des cellules uniques du système lymphatique ou du tissu tumoral”, a déclaré Weinstein. “Il existe encore une lacune majeure dans la technologie qui nous permet de comprendre les tissus idiosyncratiques, et c’est ce que nous essayons de combler ici.”
