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Circuits Génétiques Synthétiques pour la détection d’événements rare.
Jerome Bonnet, Centre de Biochime Structurale, Montpellier, France.
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Ecole Interdisciplinaire d’échange et de formation en biologie du CNRS,
Porqueroles 2014.
L’application des systèmes biologiques à des problèmes dans les sciences
fondamentales, la santé et l'environnement nécessite souvent de mettre en oeuvre des
comportements dépendant de l’histoire du système et donc de disposer d’une certaine
forme de "mémoire" biologique programmable. Par exemple, l'étude du vieillissement, du
cancer, ou du développement bénéficierait de compteurs génétiquement encodées
capable d'enregistrer plusieurs dizaines de division cellulaire ou d’événements de
différenciation. La detection a posteriori d’événements rares grace a l’enregistrement de
ces événement par les cellules concernées permettrai de mieux mesurer leur fréquence et
de mieux comprendre les conséquences de ces événements sur les population cellulaires
exposées qui seraient clairement identifiées. !
Mémoire volatile a rétrocontrôle.
A partir de ses observations initiales sur le contrôle de l’expression des gènes, Monod
proposa dès 1961 des architectures théoriques de systèmes de mémoire basés sur des
boucles de rétrocontrôle (negatifs ou positifs) qui permettraient le maintien de la
differentiation cellulaire au cours du développement (1). Ces systèmes ont la
caractéristique d’être bistables, c’est a dire qu’ils ne peuvent occuper uniquement deux
états, faisant ainsi office d’”interrupteurs” moléculaires. Les systèmes décrits ici sont
basés sur des réseaux transcriptionnels.
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Rétrocontrole négatif.
Un des système modèle de mémoire est l’interrupteur de décision et de maintien de la
differentiation entre le mode lysogène et lytique du phage Lambda (2). Ce système
bistable est composé de deux represseurs, Cro et CI chacun inhibant la synthèse de
l’autre, et maintenant l’état lytique ou lysogène respectivement. Si la bascule initiale entre
les deux modes est encore mal comprise, l’entrée dans le mode lytique a partir du mode
lysogène est bien caractérisée. Le stress environnemental comme les UV provoque la
degradation du represseur CI et la bascule. Le systeme Cro/CI a donc été très tot
recomposé dans les années 80 pour construire un détecteur et enregistreur de
l’endommagement de l’ADN dans une population bactérienne (3). Ce meme système a
été réutilisé en 2000 pour construire un interrupteur a bascule (4).
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Rétrocontrole positif.
Il est aussi possible d’utiliser des systèmes a boucle de rétrocontrôle positif dit
“autocatalytiques”. Dans ces systèmes, après activation initiale, un activateur
transcriptionnel maintien sa propre synthèse et ainsi la mémoire (5-7).
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Mémoire non-volatile a ADN.
Une autre approche pour stocker l’information en biologie est d’utiliser le materiel
génétique. L’ADN est un support exceptionnel de stockage d’information du fait de son
universalité, sa stabilité, et de son faible coût métabolique (8). En utilisant notamment des
recombinases sites spécifiques, il est possible d’inverser une séquence d’ADN située
entre 2 sites de recombinaison. Ainsi, selon l’orientation de cette séquence, deux états
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peuvent être stockés dans une molécule d’ADN, une propriété rendant ce système
biologique comparable a une unité de mémoire électronique ou “bit”.
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Les systèmes a recombinases sont encore une fois dérivés de la machinerie des
bactériophages. En effet, les bactériophages tempérés sont capables, après adhésion à
la bactéries et injection de leur génome, d’intégrer ce génome dans le chromosome
bactérien a l’aide d’une enzyme site-spécifique, l’intégrase. Le phage est aussi capable,
lors de l’entrée dans le cycle lytique, d’exciser son génome en exprimant un co-facteur,
l’excisionase, qui inverse la directionalité de l’Intégrase. !
Il fut très tot découvert chez des prophages mutants qu’une orientation antiparallèle des
sites de recombinaison conduisait non plus a une excision mais a une inversion (9). Sur
cette base, des systèmes synthétiques de contrôle de l’expression des genes utilisant les
intégrases ont rapidement vu le jour. Ces systèmes sont basés sur l’inversion d’une
séquence contenant un promoteur dirigeant la transcription des genes en aval (10,11). Il
est aussi possible de construire des systèmes de mémoire ADN reinscriptibles en
contrôlant la directionalité de l’integrase a l’aide de l’excisionase (12).
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Logique Booleene, logique séquentielle.
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Il est aussi possible en utilisant des incuits a recombinase de “programmer” le
comportement des cellules vivantes pour répondre de façon spécifique a certaines
combinaisons de signaux intra- ou extra-cellulaires. !
Logique séquentielle
Ham et al. ont proposé l’utilisation de circuits a recombinase pour la construction
d’”automates finis” (finite state machines) biologiques (13). l’agencement particulier des
sites de recombinaison permettrai, selon l’ordre et le nombre de signaux reçus, de
générer des sequences d’ADN uniques correspondant a une série précise. Il serait ainsi
possible de suivre l’histoire du système, mais aussi de le programmer pour effectuer une
tache uniquement si certains signaux ont été reçus dans un ordre particulier (14).
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Logique Booleene
En électronique, les portes logiques permettent de programmer des réponses complexes
en utilisant l'algèbre de Boole. Par exemple, une porte logique ET (ou AND gate) donnera
un signal positif de sortie uniquement avec 2 signaux positifs en entrée. Des portes
logiques basée sur l’inversion ou l’excision de séquences d’ADN 2 intégrases pour
contrôler l’expression d’un gène d'intérêt en fonction d’inputs transcriptionnels ont été
construites (15). Les fonctions logiques sont simplement programmées en changeant
l’agencement des sites de recombinaison dans la séquence cible. L’avantage de tels
systèmes est aussi de coupler logique et mémoire, une propriété importante permettant
la traque temporelle de combinaisons spécifiques d’événements rares.
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References
1. Monod, J., and Jacob, F. (1961). General conclusions: Teleonomic mechanisms in
cellular metabolism, growth, and differentiation. Cold Spring Harbor Symposia on
quantitative Biology 26, 389-401 .
2. Ptashne M (2004) A Genetic Switch (Cold Spring Harbor Lab Press, Cold Spring
Harbor, NY).
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3. Toman Z, Dambly-Chaudiere C, Tenenbaum L, Radman M (1985) A system for
detection of genetic and epigenetic alterations in Escherichia coli induced by DNAdamaging agents. J Mol Biol 186:97–105.
4. Gardner TS, Cantor CR, Collins JJ (2000) Construction of a genetic toggle switch in
Escherichia coli. Nature 403:339–342.
5. Ajo-Franklin CM,et al.(2007) Rational design of memory in eukaryotic cells.GenesDev
21:2271–2276.
6. Burrill DR, Inniss MC, Boyle PM, Silver PA. Synthetic memory circuits for tracking
human cell fate. Genes Dev. 2012 Jul 1;26(13):1486-97.
7. Burrill DR, Silver PA. Synthetic circuit identifies subpopulations with sustained
memory of DNA damage. Genes Dev. 2011 Mar1;25(5):434-9.
8. Bancroft C (2001) Long-term storage of information in DNA. Science 293:1763c–1765.
9. Reyes O, Gottesman M, Adhya S (1979) Formation of lambda lysogens by IS2
recombination: Gal operonlambda pR promoter fusions. Virology 94:400–408.
10. Podhajska AJ, Hasan N, Szybalski W (1985) Control of cloned gene expression by
promoter inversion in vivo: Construction of the heat-pulse-activated att-nutL-p-att-N
module. Gene 40:163–168.
11. Ham, T. S., Lee, S. K., Keasling, J. D., and Arkin, A. P. (2006). A tightly regulated
inducible expression system utilizing thefim inversion recombination switch.
Biotechnol. Bioeng. 94, 1–4.
12. Bonnet J, Subsoontorn P, Endy D. Rewritable digital data storage in live cells via
engineered control of recombination directionality. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012
Jun 5;109(23):8884-9.
13. Ham TS, Lee SK, Keasling JD, Arkin AP (2008) Design and construction of a double
inversion recombination switch for heritable sequential genetic memory. PLoS One
3:e2815.
14. Friedland AE, et al. (2009) Synthetic gene networks that count. Science 324:1199–
1202.
15. Bonnet J, Yin P, Ortiz ME, Subsoontorn P, Endy D. Amplifying genetic logic gates.
Science. 2013 May 3;340(6132):599-603
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