Pendant longtemps, on a pensé que le génome était divisé en deux parties. D'un côté, il y avait les gènes, qui sont des parties de l'ADN contenant les instructions pour fabriquer les protéines. Dans ces gènes, il y a les exons, qui sont utilisés pour produire l'ARN puis les protéines. De l'autre côté, il y avait l'ADN régulateur, souvent situé dans des zones appelées non codantes. Cet ADN régulateur disait où, quand et à quel niveau les gènes devaient fonctionner. Cette séparation était très utile, mais elle est moins stricte qu'on ne le pensait.
Dans l'étude que nous avons récemment publiée dans Nature Communications, nous montrons que des milliers d'exons, parmi les environ 200 000 présents dans le génome humain, ne servent pas seulement à fabriquer des protéines. Certains d'entre eux fonctionnent aussi comme des régulateurs, c'est-à-dire des parties d'ADN qui peuvent aider à activer les gènes. Cela signifie qu'une même partie de l'ADN peut contenir deux informations : une pour la protéine et une pour la régulation.
Cette idée existait déjà avec quelques exemples, mais notre recherche est la première à proposer une vision d'ensemble, à grande échelle, et à comparer plusieurs espèces, de l'humain à la souris, en passant par la mouche (drosophile) et même une plante, l'Arabidopsis thaliana.
Comment avons-nous trouvé cette réponse ?
Ce phénomène n'était pas complètement inconnu. Depuis les années 1990, il était mentionné dans des publications scientifiques, à travers des cas spécifiques ou des analyses plus générales, sans que l'on comprenne bien son importance.
Pour répondre à cette question, nous avons utilisé plusieurs méthodes qui analysent de grandes quantités de données biologiques provenant de recherches antérieures. Nous avons d'abord examiné plus de 20 000 cartes montrant où se fixent les facteurs de transcription. Ce sont des protéines qui contrôlent l'activité des gènes. Cela nous a permis de trouver les exons qui ressemblent à des zones de régulation.
Ensuite, nous avons cherché d'autres signes montrant que ces exons pouvaient réellement jouer un rôle dans la régulation. Par exemple, nous avons vérifié s'ils se trouvaient dans les zones de l'ADN les plus accessibles, ce qui est nécessaire pour que les gènes puissent être activés. Nous avons aussi regardé s'ils pouvaient augmenter l'activité d'un gène lors d'expériences. De plus, nous avons bloqué certaines de ces séquences dans des cellules pour voir comment leur absence affectait l'activité des gènes.
Finalement, nous avons identifié plus de 10 000 exons potentiels chez l'humain, avec des caractéristiques similaires chez les autres espèces étudiées. Cela prouve que cette double fonction n'est pas rare, mais qu'elle est très courante chez les êtres vivants.
Pourquoi est-ce important ?
Cette découverte change notre façon de comprendre comment les gènes sont régulés. On cherchait surtout les séquences qui activent les gènes dans l'ADN non codant, qui représente 98 % de notre ADN. Nous montrons qu'une partie de cette régulation se trouve aussi au cœur même des régions qui codent pour des protéines. Les exons ne servent donc pas seulement à fabriquer des protéines : certains aident aussi à diriger le fonctionnement des gènes, parfois pour leur propre gène, parfois pour d'autres gènes situés plus loin.
C'est aussi important pour la médecine. En génétique, on s'intéresse beaucoup aux changements dans l'ADN qui modifient la protéine. Mais les changements appelés synonymes, souvent considérés comme sans effet, sont moins étudiés. Le code génétique est lu par groupes de trois lettres, appelés codons, et plusieurs codons différents peuvent donner le même acide aminé. Cela signifie qu'un changement dans l'ADN peut ne pas modifier la protéine produite. Cependant, si un exon sert aussi de régulateur, un changement synonyme peut quand même perturber un signal de régulation sans changer directement la protéine.
Dans notre étude, nous avons montré par des expériences que certaines de ces variations modifient bien la capacité de régulation de l'exon. Nous avons aussi observé dans des données provenant de tumeurs que des mutations situées dans ces exons sont liées à des changements dans l'activité des gènes cibles, y compris pour des mutations synonymes.
Quelles sont les prochaines étapes ?
Nous pensons que ce n'est que le début. Les 10 000 exons identifiés chez l'humain sont une liste, mais pas encore une carte complète de toutes les situations où ces séquences agissent. La prochaine étape est donc de les étudier plus en détail, dans plus de types de cellules, de tissus et d'espèces. Cela nous aidera à comprendre quand ces régulateurs présents dans les exons sont actifs, quels gènes ils contrôlent et comment ils ont évolué.
Il faudra aussi revoir notre manière d'analyser les variations d'ADN situées dans les exons. Jusqu'à présent, beaucoup d'analyses demandaient principalement : est-ce que cette mutation change la protéine ? Il faut maintenant poser une deuxième question : est-ce que cela change aussi la régulation du gène ? Cette double approche pourrait améliorer la compréhension des variations d'ADN qui sont encore mal comprises, notamment en cancérologie et en génétique humaine.
Ce travail a été soutenu par le MESR, INSERM, IFB, ANR.