Régulation du gène et circuits de régulation du gène

Les circuits de régulation du gène conduisent des processus physiologiques, développementaux et comportementaux fondamentaux dans les organismes à travers l’arbre de la vie (Carroll et al., 2001). Les exemples incluent la chimiotaxie chez les bactéries (Alon et al., 1999), le comportement d’accouplement chez la levure (Tsong et al., 2006), et le modelage du développement chez la drosophile (Lawrence, 1992). Ces circuits comprennent un ensemble de gènes – codant généralement pour des protéines de liaison à l’ADN appelées facteurs de transcription – qui régulent l’expression d’autres gènes du circuit. Le génotype d’un circuit de régulation comprend l’ADN codant pour les gènes des facteurs de transcription, ainsi que les sites de liaison à l’ADN de ces facteurs près des gènes du circuit. Il code deux aspects du comportement du circuit, à savoir les interactions entre les gènes (c’est-à-dire « qui régule qui ») et la logique d’intégration des signaux utilisée par chaque gène pour interpréter les signaux fournis par les produits de ses gènes régulateurs. Le premier aspect est codé par la présence ou l’absence de sites de liaison de facteurs de transcription à proximité d’un gène, tandis que le second est codé par le nombre, l’espacement et l’affinité de liaison de ces sites (Sharon et al., 2012 ; Smith et al., 2013). Le phénotype d’un circuit de régulation est son schéma spatio-temporel d’expression génétique, qui spécifie quand, où et dans quelle mesure chaque gène du circuit est exprimé. Un exemple classique d’un tel circuit est celui formé par les gènes gap de Drosophila melanogaster, qui interprète un gradient morphogène déposé par la mère le long de l’axe antérieur-postérieur de l’embryon en développement pour créer des bandes d’expression précises, qui sont fondamentales pour définir le plan corporel segmenté de la mouche et constituent le phénotype de ce circuit génétique (Lawrence, 1992).

Chaque génotype de circuit avec un phénotype d’expression donné peut être considéré comme un membre d’un réseau de génotypes. Les sommets d’un tel réseau représentent des circuits entiers et les arêtes relient les sommets si leurs circuits correspondants diffèrent dans une seule interaction de régulation, ou dans la logique de régulation d’un seul gène. La plupart de ce que nous savons sur les réseaux génotypiques des circuits de régulation provient de modèles computationnels. Par exemple, Ciliberti et al. (2007a,b) ont utilisé un tel modèle pour démontrer que pour tout phénotype d’expression génique donné, la grande majorité des génotypes forment un réseau de génotypes unique et connecté. Des observations similaires ont été faites en utilisant des circuits régulateurs modèles inspirés du développement de la drosophile, dans lesquels un gradient morphogène est interprété le long d’un domaine spatial pour former une bande unique et centralisée d’expression génique (Cotterell et Sharpe, 2010). Là aussi, les circuits de formation de bandes forment des réseaux de génotypes. Dans les deux modèles, les génotypes individuels ont généralement de nombreux voisins présentant le même phénotype. Ces génotypes sont donc, dans une certaine mesure, robustes aux mutations qui provoquent de petits changements génétiques. En outre, ces réseaux s’étendent largement dans l’espace des génotypes possibles. Par exemple, deux circuits du même réseau de génotypes peuvent être aussi différents l’un de l’autre que deux circuits choisis au hasard dans l’espace des génotypes (Ciliberti et al., 2007a). Des preuves empiriques que des circuits avec des génotypes très différents peuvent avoir le même phénotype existent pour les circuits qui régulent le métabolisme du galactose, le type d’accouplement et l’expression des protéines ribosomales chez les champignons (Martchenko et al., 2007 ; Tanay et al., 2005 ; Tsong et al., 2006).

Les réseaux de génotypes ne confèrent pas seulement une robustesse mutationnelle aux phénotypes d’expression des circuits de régulation des gènes, ils facilitent également l’évolutivité. Ciliberti et al. (2007a) l’ont démontré en échantillonnant des paires de circuits à partir de réseaux de génotypes et en déterminant les ensembles de nouveaux phénotypes d’expression qui pourraient être réalisés par des mutations réglementaires de chaque circuit de la paire. Ils ont constaté que ces ensembles deviennent de plus en plus distincts à mesure que la différence entre les circuits échantillonnés augmente. En d’autres termes, parce que les réseaux de génotypes s’étendent loin dans l’espace des génotypes des circuits de régulation, ils permettent l’accès à une grande diversité de phénotypes d’expression génique nouveaux et facilitent ainsi l’évolutivité.

Alors que les analyses computationnelles ont permis de caractériser des espaces entiers de circuits de régulation, les données expérimentales issues des puces à ADN de liaison aux protéines (Berger et al., 2006) ont permis de caractériser les plus petites unités de l’organisation des circuits, les sites de liaison des facteurs de transcription, et les espaces qu’ils forment. Ces courtes séquences d’ADN définissent les interactions régulatrices d’un circuit, et les mutations de ces séquences peuvent affecter le phénotype d’expression génique d’un circuit (Wray, 2007 ; Prud’homme et al., 2007), soit en modifiant l’affinité de liaison, soit en abolissant la liaison. La compréhension de la robustesse des sites de liaison des facteurs de transcription est donc importante pour comprendre la robustesse des circuits de régulation. Une étude récente utilisant les données des puces à ADN de liaison aux protéines de 89 facteurs de transcription de levure et 104 facteurs de transcription de souris a analysé les réseaux de génotypes de chacun des sites de liaison de ces facteurs (Payne et Wagner, 2014). Pour 99 % des 193 facteurs, la majorité des séquences liées par le facteur font partie d’un seul réseau génotypique. De plus, ces réseaux sont densément connectés, ce qui implique que les sites de liaison individuels sont, dans une certaine mesure, résistants aux mutations. Certains réseaux sont plus grands que d’autres – ils comprennent plus de sites de liaison – et les sites de liaison individuels dans les grands réseaux sont plus robustes que les sites de liaison dans les petits réseaux.

Pour chacun des 193 facteurs de transcription que Payne et Wagner (2014) ont examinés, ils ont également échantillonné des paires de sites du même réseau génotypique et déterminé les ensembles de facteurs de transcription qui se lient aux sites voisins de ceux de la paire. Plus la distance mutationnelle entre les sites augmente, plus la diversité des facteurs de transcription qui se lient aux sites voisins augmente. De plus, plus un réseau de génotypes est grand (et plus ses sites de liaison sont robustes en moyenne), plus le nombre de facteurs de transcription uniques qui se lient aux sites adjacents au réseau de génotypes est élevé. En somme, ces observations suggèrent que la robustesse et l’évolutivité présentent une relation synergique dans les circuits de régulation des gènes et leurs sites de liaison des facteurs de transcription, rendue possible par l’existence de grands réseaux de génotypes qui s’étendent dans tout l’espace des génotypes.