Multiomique
Recherche en transcriptomique
Utiliser la métabolomique pour mieux comprendre le transcriptome
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La métabolomique complète la transcriptomique
Les chercheurs étudient l'expression des gènes en identifiant et en mesurant les transcrits d'ARN. La transcriptomique révèle le profil d'expression des gènes, afin de montrer comment une cellule répond aux signaux intra- et extracellulaires. Ces données aident à caractériser les mécanismes qui régulent divers processus physiologiques et physiopathologiques. Cependant, tous les transcrits ne sont pas traduits en protéines, ce qui signifie que le transcriptome seul ne peut pas fournir une image complète des mécanismes cellulaires et moléculaires.
La métabolomique peut considérablement améliorer la recherche transcriptomique en fournissant une vue dynamique des résultats fonctionnels de l'expression des gènes. Alors que la transcriptomique se concentre sur la quantification des transcrits d'ARN pour en déduire l'activité des gènes, la métabolomique examine les petites molécules produites au cours des processus métaboliques, qui sont des produits directs des fonctions cellulaires. En intégrant ces deux approches, les chercheurs peuvent établir une corrélation entre les changements dans l'expression des gènes et les modifications des profils métaboliques, ce qui leur permet de mieux comprendre les réponses cellulaires et les mécanismes de régulation. Cette synergie permet d'identifier les voies métaboliques influencées par des expressions génétiques spécifiques, révélant ainsi des biomarqueurs et des cibles thérapeutiques potentiels. En fin de compte, la combinaison de la métabolomique et de la transcriptomique facilite une vision plus complète des systèmes biologiques, en reliant de manière significative le génotype au phénotype.
Obtenir des informations supplémentaires sur le transcriptome grâce à la métabolomique
Les métabolites sont les petites molécules réactives, intermédiaires et produits du métabolisme qui reflètent les apports du transcriptome, du protéome, du microbiome et de l'environnement. Les métabolites représentent également l'étape terminale du dogme central de la biologie, ce qui en fait le reflet le plus fidèle de l'état de santé en temps réel d'une cellule, d'un tissu ou d'un organisme. La métabolomique est désormais reconnue comme un outil puissant et complémentaire de la transcriptomique, et l'intérêt de l'inclure dans les études transcriptomiques est démontré dans les études de cas présentées ci-dessous.
Découverte de biomarqueurs et caractérisation des mécanismes de la maladie
La tuberculose (TB) touche 1,1 million d'enfants chaque année, entraînant environ 200 000 décès. Bien que les tests moléculaires rapides soient sensibles, leur spécificité est relativement faible et ils nécessitent un prélèvement d'échantillons invasif. La tuberculose induit de profonds changements dans le métabolisme énergétique et protéique systémique qui peuvent être identifiés dans le sang, ce qui suggère que les biomarqueurs sanguins pourraient remédier aux limites actuelles des tests de diagnostic de la tuberculose. Pour tester cette hypothèse, un groupe de recherche a effectué des analyses métabolomiques et transcriptomiques longitudinales sur une vaste cohorte de patients pédiatriques atteints de tuberculose et a intégré ces ensembles de données pour chaque participant au moment du diagnostic et tout au long du traitement. Ils ont identifié trois métabolites qui identifiaient correctement le statut de la tuberculose au moment du diagnostic (AUC = 0,66), et un ensemble de quatre métabolites qui identifiaient correctement le statut de la tuberculose un mois après le traitement (AUC = 0,86). Des analyses d'enrichissement des voies ont mis en corrélation ces métabolites avec les gènes métaboliques régulés par p53, la traduction mitochondriale et les interactions immunorégulatrices entre les cellules lymphoïdes et non lymphoïdes. Dans l'ensemble, cette étude montre que l'utilisation de la métabolomique parallèlement à la transcriptomique permet non seulement d'identifier de nouveaux biomarqueurs diagnostiques, mais aussi de révéler des informations mécanistiques qui n'auraient pas été déduites de la seule transcriptomique.
Dutta N et. al. Integration of metabolomics and transcriptomics reveals novel biomarkers in the blood for tuberculosis diagnosis in children. Sci Rep. 2020 Nov 11;10(1):19527. PMID : 33177551
Science alimentaire
Bien que les cultures génétiquement modifiées (GM) soient propres à la consommation, l'introduction de gènes qui confèrent une résistance aux insectes et aux herbicides peut entraîner une intégration aléatoire dans des régions génomiques indésirables, ce qui se traduit par un faible rendement, des tiges fendues et un contenu nutritionnel plus faible. Pour mieux comprendre ces effets potentiels, un groupe de recherche a évalué les effets de la modification génétique sur le Z58, une souche commerciale de maïs cultivée principalement en Chine. Ils ont utilisé la métabolomique globale et le profilage transcriptomique pour comparer l'étendue des variations du Z58 génétiquement modifié (GM) par rapport à sa souche non GM. Pour modifier génétiquement le Z58, ils ont introduit la cassette du gène HIR, qui confère une résistance aux insectes et aux herbicides. Les cultures génétiquement modifiées et non génétiquement modifiées cultivées dans la même région environnementale de Chine et dans des régions différentes ont été comparées. La modification génétique a augmenté l'expression des diacylglycérols, mais cette différence a eu peu d'effet sur le phénotype des cultures. Les différences les plus significatives en matière de transcriptomique et de métabolomique ont été observées entre les cultures cultivées dans des environnements différents. 894 gènes ont été exprimés différemment en fonction de la température. Sous des températures élevées, les voies liées au stress abiotique, y compris le métabolisme de l'arginine et de la proline, ont été enrichies. En revanche, les basses températures ont enrichi les voies liées aux lésions membranaires et à la production d'espèces réactives de l'oxygène. Dans l'ensemble, ces données ont montré que la composition moléculaire de l'OGM Z58 est généralement similaire à celle de son homologue non génétiquement modifié et que les différences entre l'état moléculaire de chaque souche de maïs dépendent largement de l'environnement. Cette étude démontre que les analyses multiomiques sont des outils précieux pour évaluer la sécurité et l'intégrité moléculaire des cultures génétiquement modifiées. Les recherches futures devraient continuer à utiliser des approches omiques complètes dans diverses régions écologiques afin de garantir la résilience environnementale et génétique des cultures génétiquement modifiées.
Fu W et. al. Evaluation on reprogrammed biological processes in transgenic maize varieties using transcriptomics and metabolomics. Sci Rep. 2021 Jan 21;11(1):2050. PMID : 33479482.
Sciences du sport et de l'exercice
De plus en plus de preuves suggèrent que les sports de contact affectent la santé neurologique. Cependant, les mécanismes qui régulent l'apparition et la perpétuation des dommages neurologiques dans ce contexte sont mal compris. Pour mieux comprendre ce phénomène, un groupe de recherche a utilisé des statistiques de médiation basées sur la permutation pour intégrer la métabolomique, les mesures des miARN neuroinflammatoires et un contrôle moteur basé sur la réalité virtuelle afin d'étudier les relations à plusieurs échelles chez les joueurs de football universitaire au cours d'une saison de football. Sur 14 médiations (six avant la saison et huit pendant la saison), les métabolites se sont révélés être des médiateurs de la relation statistique entre les miARN neuroinflammatoires et le contrôle moteur basé sur la réalité virtuelle. Un examen plus approfondi a montré que ces métabolites médiateurs étaient systématiquement des acides gras à chaîne moyenne ou longue et que les métabolites du cycle de l'acide tricarboxylique diminuaient au cours de la saison. Cela a conduit à l'hypothèse que les chocs répétés à la tête augmentent les miARN neuroinflammatoires qui empêchent la b-oxydation des acides gras, conduisant à des niveaux accrus d'acides gras à chaîne moyenne à longue qui ne peuvent pas être métabolisés. Les métabolites du cycle de l'acide tricarboxylique diminuent alors, ce qui entraîne une baisse de la production de GTP/FADH2/NADH et une crise énergétique subséquente qui compromet le contrôle de la motricité. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent un nouveau cadre mécanistique pour les lésions neurologiques induites par les blessures et démontrent l'éclairage que la métabolomique peut apporter lorsqu'elle est évaluée parallèlement à la transcriptomique dans les études mécanistiques.
Vike N et. al. A preliminary model of football-related neural stress that integrates metabolomics with transcriptomics and virtual reality. iScience. 2021 Dec 15;25(1):103483. PMID : 35106455
Applications de la métabolomique à la recherche en transcriptomique
- EDécouverte de biomarqueurs
- EMécanismes d'apparition et de progression de la maladie
- ECaractérisation des interactions transcription-métabolite
- EBiologie des systèmes
- ERéseaux gènes-métabolites
- EÉvaluation de la réponse thérapeutique
- ECaractériser le mécanisme d'action des nouvelles thérapeutiques
- EAnalyse des voies d'accès
"En combinant la métabolomique et l'analyse du transcriptome, on peut étudier les niveaux de métabolites et d'ARNm, en capitalisant sur les disparités et les synergies entre ces deux études histologiques. Cette approche permet une évaluation complète de l'expression des gènes, dévoilant de nouveaux résultats qui ne peuvent être obtenus par l'histologie individuelle conventionnelle".
Chen, W., Guo, W., Li, Y. et al.
Integrative analysis of metabolomics and transcriptomics to uncover biomarkers in sepsis. Sci Rep 14, 9676 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-59400-0
Intégration de la métabolomique et de la transcriptomique pour analyser la réponse du foie au stress thermique chez les poulets
Dans l'industrie de la volaille, le stress thermique est une cause importante de morbidité du bétail et de faible efficacité alimentaire. Le foie est un régulateur important du métabolisme et contrôle de nombreux processus physiologiques qui sont compromis par un stress thermique prolongé. Afin de développer des interventions alimentaires susceptibles d'atténuer l'impact négatif du stress thermique, un groupe a étudié les mécanismes qui régulent la réponse au stress thermique dans le foie du poulet de chair moderne.
Étant donné que les données métabolomiques identifient les changements dans les composés biologiquement actifs et que l'ARN-seq identifie les gènes qui régulent les changements métaboliques, ce groupe de recherche a combiné l'expression ARN-seq et le profilage métabolomique du foie pour identifier les gènes et les composés qui fonctionnent comme des biomolécules associées au stress thermique. Ils ont développé un pipeline statistique composé de k-means, de random forest et de clustering hiérarchique. Ils ont également appliqué des approches d'apprentissage statistique aux données métabolomiques et transcriptomiques afin de concentrer leur analyse sur un module central de gènes enrichis dans le foie.
Figure 1. Les niveaux des enzymes de régulation changent en fonction de l'expression des gènes.
Leur approche statistique a permis de classer par ordre de priorité de nombreux lipides jouant un rôle diversifié en matière de signalisation et de structure. Étant donné que la réponse au stress thermique implique le maintien de l'intégrité cellulaire et membranaire et que les acides gras saturés et insaturés influencent l'expression des protéines de choc thermique, ce résultat s'aligne sur les conclusions précédentes. Plusieurs antioxydants et leurs précurseurs, dont le glutathion et la cystéinylglycine, ont également été enrichis, ce qui suggère une tentative d'atténuer les dommages cellulaires causés par les intermédiaires toxiques résultant de la production accrue d'énergie. Cette hypothèse est corroborée par la régulation des sucres et des métabolites liés à l'énergie. Enfin, ils ont identifié des métabolites clés impliqués dans la gluconéogenèse, la glycéronéogenèse et le catabolisme des acides aminés, ce qui suggère que la glycine est déplacée vers la gluconéogenèse en cas de stress thermique et qu'elle contribue à la production de F6P. En même temps, les acides aminés provenant des protéines catabolisées alimentent le découplage de la gluconéogenèse et de la glycéronéogenèse en cas de stress thermique. Avec l'aide de la métabolomique, cette étude a révélé de nouvelles informations sur la régulation du stress thermique qui suggèrent des candidats pour des études de suivi de la supplémentation alimentaire. Les recherches futures pourront s'appuyer sur ces résultats pour explorer des programmes d'élevage ciblés ou des compléments alimentaires qui atténuent les effets néfastes du stress thermique, dans le but d'améliorer la résilience et la productivité des volailles dans des conditions climatiques de plus en plus variables.
Publications et citations en transcriptomique
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