Transcriptomique et analyse de l'expression génique

La transcriptomique est l'étude du transcriptome — l'ensemble complet des transcrits d'ARN produits par un génome dans des conditions particulières — et l'analyse de l'expression génique est l'ensemble des méthodes utilisées pour mesurer quels gènes sont transcrits, dans quelle mesure et dans quelles cellules. Étant donné que le génome est largement fixe tandis que l'expression varie selon les tissus, les stades de développement et les états pathologiques, le transcriptome constitue une lecture dynamique de la manière dont le génotype est traduit en fonction cellulaire.

Definition

La transcriptomique et l'analyse de l'expression génique regroupent les technologies et les méthodes analytiques permettant de cataloguer et de quantifier les transcrits d'ARN dans les cellules, les tissus ou les organismes, afin de caractériser l'activité génique et sa régulation.

Scope

Ce domaine oriente le lecteur sur la manière dont l'abondance d'ARN est mesurée et interprétée. Il couvre les principales plateformes de mesure (micropuces et séquençage d'ARN à haut débit), la cartographie des variants génétiques par rapport à l'expression (loci de caractères quantitatifs d'expression), la résolution au niveau des cellules individuelles et de la position tissulaire (transcriptomique unicellulaire et spatiale), ainsi que les couches régulatrices de l'épissage alternatif et de l'ARN non codant. Il les traite comme des sujets méthodologiques et conceptuels au sein de la génomique, et non comme des directives cliniques.

Sub-topics

• Épissage alternatif et fonction des ARN non codants
• Loci de caractères quantitatifs d'expression (eQTL)
• Profilage de l'expression par microréseaux
• Méthodes et technologies de séquençage de l'ARN
• Transcriptomique unicellulaire et spatiale

Core questions

• Quels gènes sont exprimés dans une cellule ou un tissu donné, et à quel niveau ?
• Comment l'expression diffère-t-elle entre les conditions, telles que les états sains et pathologiques ?
• Comment les variants génétiques et les éléments régulateurs façonnent-ils l'abondance et la structure des transcrits ?
• Comment l'expression est-elle organisée à la résolution des cellules uniques et de la position spatiale au sein du tissu ?

Key concepts

• Transcriptome
• Expression génique différentielle
• Mesure basée sur l'hybridation (micropuces)
• Mesure basée sur le séquençage (RNA-seq)
• Comptage et normalisation des lectures
• Loci de caractères quantitatifs d'expression (eQTL)
• Résolution unicellulaire et spatiale
• Épissage alternatif et ARN non codant

Mechanisms

L'expression génique est mesurée soit par hybridation de transcrits marqués à des sondes complémentaires sur une puce, ce qui produit un signal de fluorescence relatif par sonde, soit par rétrotranscription et séquençage de fragments d'ARN et comptage des lectures qui se mappent à chaque gène ou transcrit. Les micropuces comparent l'expression à un ensemble de sondes fixe, tandis que le séquençage d'ARN échantillonne directement les transcrits, permettant la découverte de nouveaux transcrits, isoformes et jonctions d'épissage, ainsi qu'une gamme dynamique plus large. L'analyse en aval normalise les différences de profondeur et de composition du séquençage, puis teste l'abondance différentielle entre les conditions ; les mêmes données au niveau des lectures peuvent être partitionnées par variant génétique (cartographie des eQTL), par cellule individuelle (RNA-seq unicellulaire) ou par coordonnée spatiale (transcriptomique spatiale).

Clinical relevance

Le profilage de l'expression sous-tend les taxonomies moléculaires des maladies — par exemple, les sous-types transcriptionnels de tumeurs — et constitue la base de plusieurs essais de recherche et de diagnostic de l'expression génique. En tant que domaine de référence, il explique comment les preuves au niveau de l'ARN sont générées et interprétées ; il décrit les méthodes d'investigation et ne constitue pas une base pour des décisions individuelles de diagnostic ou de traitement.

Evidence & guidelines

La littérature méthodologique est ancrée par des articles fondateurs sur les plateformes (la micropuce à ADNc de Schena et coll. en 1995 ; les revues sur le RNA-seq de Wang et coll.) et par de vastes ressources de référence telles que l'encyclopédie ENCODE des éléments fonctionnels de l'ADN et l'atlas GTEx des effets régulateurs au niveau tissulaire, qui définissent ensemble les normes actuelles pour la mesure et l'interprétation de l'expression génique humaine.

History

La mesure de l'expression est passée des méthodes à faible débit comme le Northern blotting au profilage à l'échelle du génome au milieu des années 1990, lorsque les micropuces à ADN complémentaire et à oligonucléotides ont permis de surveiller des milliers de gènes simultanément. À la fin des années 2000, le séquençage à haut débit a redéfini le domaine sous le nom de RNA-seq, qui compte directement les transcrits et résout la structure des isoformes. Des avancées ultérieures ont poussé la résolution jusqu'aux cellules uniques et à la position spatiale au sein des tissus, tandis que des projets de consortiums tels qu'ENCODE et GTEx ont construit des cartes de référence de l'expression et de son contrôle génétique.

Key figures

• Patrick O. Brown
• Mark Gerstein
• Michael Snyder
• Barbara Wold

Seminal works

• schena-1995
• wang-2009
• encode-2012
• gtex-2020

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre le génome et le transcriptome ?

Le génome est la séquence d'ADN (largement fixe) d'un organisme, tandis que le transcriptome est l'ensemble des transcrits d'ARN effectivement produits à un moment et un endroit donnés. Le transcriptome varie donc selon le type de cellule, la condition et l'état, ce qui en fait une lecture dynamique de l'activité génique.

Pourquoi le séquençage d'ARN a-t-il largement remplacé les micropuces pour de nombreuses études ?

Le séquençage d'ARN mesure directement les transcrits plutôt que par hybridation à des sondes fixes, il peut donc détecter de nouveaux transcrits et isoformes, offre une gamme dynamique plus large et ne dépend pas d'une connaissance préalable des séquences à sonder. Les micropuces restent utiles là où un ensemble de sondes défini et un coût inférieur sont suffisants.