Lutte entre le virus et la cellule hôte observée vivante

Les cellules sont dotées de mécanismes de défense efficaces. Le plan de bataille et le schéma directeur sont inscrits dans les gènes, qui doivent être activés en cas d’attaque ennemie. Les scientifiques ont mis au point une nouvelle méthode pour étudier l’activité de milliers de gènes dans les cellules individuelles.

L’analyse d’une seule cellule permet de visualiser les cellules.

Lorsque des virus pénètrent dans l’organisme, par exemple dans le cas de la grippe ou d’une infection gastro-intestinale, les processus dans les cellules touchées changent. Dans le pire des cas, le virus s’empare complètement de la cellule infectée et son métabolisme est reprogrammé. La cellule produit alors des composants de virus et le virus se multiplie de manière explosive. Dans une autre cellule, par contre, le virus peut perdre du terrain et est éliminé avec succès par les mécanismes de protection activés. Mais comment en arrive-t-on au phénomène où une cellule est envahie et l’autre prend le virus sous contrôle ? À quelle vitesse les cellules individuelles réagissent-elles à une attaque virale et quels sont les gènes protecteurs qui deviennent actifs ? Ces questions étaient peu connues au niveau de la cellule unique. Cependant, dans une étude récente, les chercheurs ont maintenant fait des progrès considérables pour répondre à ces questions. Ils ont étudié comment l’activité des gènes qui reflète l’identité et l’état physiologique d’une cellule a changé au sein des cellules de souris infectées après l’infection par le cytomégalovirus (CMV).

Analyse de cellules individuelles en culture de cellules murines

Grâce à une méthode expérimentale fréquemment utilisée, le séquençage de l’ARN d’une seule cellule (scRNAseq), il est possible de déterminer quels gènes d’une cellule sont actuellement actifs. Cependant, les changements à court terme de l’activité des gènes, comme ceux qui se produisent lors d’une infection virale, ne peuvent être détectés que dans une mesure très limitée. De plus, chaque cellule individuelle ne peut être examinée qu’une seule fois. Ainsi, on ne sait toujours pas comment les cellules individuelles réagissent aux influences extérieures, comme une infection virale. Afin d’étudier les processus moléculaires au sein de chaque cellule infectée, les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode appelée scSLAM-seq qui leur permet pour la première fois de rendre visibles quels gènes sont activés dans quelle mesure dans chaque cellule en quelques heures. Lorsqu’un gène est activé, son code est traduit en ARN.

scSLAM-seq trie l’ARN en ancien et en nouveau

Afin de pouvoir différencier l’ARN déjà présent avant l’infection par le virus de l’ARN nouvellement ajouté, les chercheurs ont utilisé une astuce de marquage. Ils ont ajouté une forme d’uracile, élément constitutif de l’ARN, au milieu de culture cellulaire en même temps que le virus infectant. Les cellules ont ensuite incorporé l’uracile marqué dans leur ARN nouvellement produit. L’expérience a été arrêtée au bout de deux heures. Une réaction chimique a été utilisée pour convertir l’uracile marqué en un autre élément constitutif de l’ARN, la cytosine. La séquence d’ARN contient de la cytosine au lieu de l’uracile, où l’uracile doit être incorporé. L’idée sous-jacente est que l’ARN produit après l’infection virale a maintenant une étiquette avec laquelle les chercheurs peuvent l’identifier comme nouveau lors du séquençage de l’ARN ultérieur. À l’aide d’une procédure bio-informatique complexe, les chercheurs ont examiné l’ARN de chaque cellule individuelle, l’ont attribué à plus de 4 000 gènes connus par cellule et l’ont séparé en nouvel et ancien ARN. Cela permet pour la première fois d’effectuer des analyses dose-réponse au niveau d’une seule cellule. Au total, l’équipe de recherche a examiné l’ARN de 100 cellules individuelles. Cela suffisait déjà pour obtenir un tout nouvel aperçu de l’activation des gènes cellulaires. Grâce au scSLAM-seq, les chercheurs ont pu pour la première fois analyser précisément comment une cellule unique réagissait dans un court laps de temps à un trouble tel qu’une infection virale ou bactérienne, quels gènes étaient ensuite lus en plus ou en moins grand nombre, et ainsi comprendre le plan de bataille qu’elle avait préparé dans la lutte contre l’intrus.

Chaque cellule fait tic-tac différemment

Les scientifiques ont également pu montrer que la lecture des gènes ne se fait pas en continu, mais par lots, Par exemple, l’infection par le virus réveille des centaines de gènes de leur sommeil de Belle au bois dormant et provoque leur lecture dans les heures qui suivent l’entrée du virus dans la cellule. Cela active surtout les gènes qui aident les cellules à combattre l’infection. Cela explique également pourquoi les cellules présentent souvent des différences si marquées dans leurs profils d’ARN et pourquoi certaines cellules sont capables d’attaquer les virus immédiatement et d’autres pas encore à ce moment-là. Chaque cellule suit son propre rythme : par exemple, des cellules ayant des profils d’ARN initialement identiques présentent des ARN complètement différents à l’intérieur de leur cellule après seulement quelques jours.

Protection contre les maladies auto-immunes ?

Le principe on/off de l’activation des gènes cellulaires a probablement une fonction très importante pour notre corps. Si tous les gènes qui servent à la lutte contre les virus étaient produits en permanence par chaque cellule du corps, cela pourrait entraîner de fausses réactions et des maladies auto-immunes. En activant les gènes au bon moment, le système immunitaire peut créer un environnement protecteur sans risque de fausses réactions nocives. Par exemple, certains mécanismes ne sont pleinement fonctionnels que dans un petit nombre de cellules du corps. Ces cellules “sentinelles” sont alors capables, par exemple, de reconnaître un virus envahissant et de le combattre efficacement. Et ils informent les autres cellules, qui alimentent alors également l’arsenal de défense complet et activent les gènes correspondants pour contrôler l’infection et bannir le danger.