Les patrons d’expression de gènes : ont-ils évolué avec la complexité des organismes?

Abstract

La régulation de la transcription est l‟un des processus cellulaires des plus fondamentaux et constitue la première étape menant à l‟expression protéique. Son altération a des effets sur l‟homéostasie cellulaire et est associée au développement de maladies telles que le cancer. Il est donc crucial de comprendre les règles fondamentales de la fonction cellulaire afin de mieux cibler les traitements pour les maladies. La transcription d‟un gène peut se produire selon l‟un des deux modes fondamentaux de transcription : en continu ou en burst. Le premier est décrit comme un processus aléatoire et stochastique qui suit une distribution de Poisson. À chaque initiation de la transcription, indépendante de la précédente, un seul transcrit est produit. L‟expression en burst se produit lorsque le promoteur est activé pour une courte période de temps pendant laquelle plusieurs transcrits naissants sont produits. Apportant la plus grande variabilité au sein d‟une population isogénique, il est représenté par une distribution bimodale, où une sous-population n‟exprime pas le gène en question, alors que le reste de la population l‟exprime fortement. Les gènes des eucaryotes inférieurs sont pour la plupart exprimés de manière continuelle, alors que les gènes des eucaryotes supérieurs le sont plutôt en burst. Le but de ce projet est d‟étudier comment l‟expression des gènes a évolué et si la transcription aléatoire, ou de Poisson, est une propriété des eucaryotes inférieurs et si ces patrons ont changé avec la complexité des organismes et des génomes. Par la technique de smFISH, nous avons étudié de manière systématique quatre gènes évolutivement conservés (mdn1+, PRP8/spp42+, pol1+ et cdc13+) qui sont continuellement transcrits dans la levure S. cerevisiae. Nous avons observé que le mode d‟expression est gène-et-organisme spécifique puisque prp8 est exprimé de manière continuelle dans la levure S. pombe, alors que les autres gènes seraient plutôt exprimés en légers burst.

Regulating transcription is one of the most fundamental cellular processes and the first step of a long cascade of processes leading to protein expression. Altering transcriptional output often has major effects on cellular homeostasis and is associated with many disease phenotypes, such as cancer. Understanding the fundamental rules governing transcription regulation is therefore instrumental in understanding cellular function as well as in finding disease treatments. Transcription of a gene can occur through two fundamental different modes: “continuous” or “bursting”. Continuous transcription is defined as stochastic process where a promoter is always in its “on” state and each initiation event is independent of the previous. Bursting transcription occurs when a promoter is activated for a short time and multiple mRNAs are produced during the “on” state, followed by long periods of transcription inactivity. It leads to greater variability in an isogenic population, as expression is often bimodal as a sub-population does not express a given gene. Bursting expression is frequently observed in higher eukaryotes, while a continuous pattern seems to be common in lower eukaryotes. The goal of this project is to study how gene expression patterns evolved. We investigate whether Poisson-like transcription is a property of lower eukaryotes and whether transcription patterns have changed when organisms and genomes evolved into more complex systems. Using smFISH, we have systematically determined expression patterns of four evolutionarily conserved genes; mdn1+, PRP8/spp42+, pol1+ and cdc13+, previously shown to be continuously expressed in the yeast S. cerevisiae. Expression was studied in the yeast S. pombe, as an example for another lower eukaryote as well as in human cell-lines. We observe that expression patterns are organism-and-gene specific suggesting that expression patterns have evolved to fulfill gene specific functions.