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Vers l’étude génomique ciblée cellule par cellule

État: 
Précédent
Concours: 
Concours sur le développement de nouvelles technologies
Secteur: 
Santé
Agriculture et agroalimentaire
Foresterie
Pêches et aquaculture
Environnement
Énergie
Mines
Centre(s) de génomique:
Genome British Columbia
Directeur or directrice de projet:
Carl Hansen (Université de la Colombie-Britannique), Marco Marra (BC Cancer Agency Genome Sciences Centre)
Année de lancement: 
2007-2008
Résumé: 

Les cellules sont les éléments constitutifs de la vie. Dans toutes les créatures et les plantes, qu’on appelle collectivement « organismes », de très grands nombres de cellules se conjuguent pour que l’organisme se développe et fonctionne. Chez les humains, on pense qu’il peut y avoir jusqu’à 100 billions (100 000 000 000 000) de cellules. Un si grand nombre suppose que les cellules doivent être petites. En fait, environ 60 000 cellules humaines peuvent tenir sur la pointe d’une aiguille.

Pour remplir les fonctions complexes de l’organisme, certaines cellules doivent jouer des rôles spécialisés. Chez les mammifères, par exemple, les cellules du foie remplissent des rôles différents de ceux des cellules du cerveau, et celles du cœur des rôles différents des cellules de la peau. Cependant, même à l’intérieur des tissus, certaines cellules sont spécialisées. Par exemple, dans le sang humain, il y a des globules rouges, des lymphocytes T, des lymphocytes B, des plasmocytes, etc. Toutes ces cellules ont des rôles importants dans le développement normal et la santé. On ne comprend pas très bien comment s’effectue la régulation générale de la spécialisation des cellules à mesure que les organismes se développent, mais cette régulation doit en général se faire de manière sûre pour éviter les maladies et assurer la capacité de reproduction.

En général, toutes les cellules des organismes qui se reproduisent par voie sexuée reçoivent un ensemble complet d’instructions génétiques de chacun de leurs parents. Cet ensemble complet d’instructions génétiques porte le nom de génome et l’approche scientifique de l’étude du génome s’appelle la génomique. Le génome se compose d’ADN et contient le code des gènes. On sait que les cellules d’un organisme se spécialisent et par conséquent, qu’elles diffèrent les unes des autres et, par voie de conséquence aussi, que certains gènes sont activés tandis que d’autres sont désactivés. On dit des gènes qui sont activés qu’ils sont « exprimés » et cette expression peut se mesurer par l’examen de la présence d’une autre molécule appelée ARN, produite à partir d’un gène activé. La maladie peut survenir si les mauvais gènes sont exprimés ou si l’expression de gènes est désactivée.

De nombreux chercheurs ont utilisé les outils génomiques pour découvrir quels gènes sont exprimés dans des tissus normaux et des tissus malades, pour identifier ceux qui sont par erreur activés ou désactivés dans des tissus malades. Certaines de ces études ont abouti à des médicaments conçus pour intervenir sur ces gènes lorsqu’ils sont activés par erreur. Gleevec, utilisé pour traiter la leucémie, est un exemple de ces médicaments.

Un des problèmes importants auxquels font face les chercheurs dans l’identification des gènes dont la mauvaise expression entraîne la maladie est la très petite taille de chacune des cellules. En raison justement de cette petite taille, il y a très peu d’ARN présent, et encore bien moins que ce qui peut être étudié à l’aide des outils génomiques actuels. Il faut surmonter aussi un autre obstacle de taille, à savoir qu’un tissu contient généralement de nombreux types différents de cellules, dont seulement une peut être liée au processus de la maladie. Par exemple, de nombreux tissus cancéreux contiennent des mélanges qui créent de la confusion de cellules normales et malades, et les chercheurs qui étudient l’expression des gènes dans ces cancers sont vraisemblablement induits en erreur par ces mélanges. En fait, il est habituellement impossible de découvrir les gènes mal exprimés les plus importants dans ces tissus.

Notre projet, auquel participent des experts renommés en génomique et en ingénierie, propose de résoudre ces problèmes cruciaux en élaborant une nouvelle approche qui permettra aux chercheurs d’appliquer simultanément les outils génomiques à de nombreuses cellules seules. En étudiant les cellules, cellule par cellule, nous espérons éviter la confusion qui accompagne l’étude de mélanges complexes de cellules, et de mesurer plus exactement l’ARN présent dans chacune d’elles. Une vaste disponibilité et une large application de notre approche permettront aux chercheurs de mesurer avec exactitude l’ARN dans des cellules individuelles, ce qui mènera ensuite à une capacité considérablement améliorée d’identifier les gènes mal exprimés dans des tissus malades. On obtiendra éventuellement des cibles génétiques de haute qualité pour l’élaboration de nouveaux médicaments. Nous prévoyons que notre approche peut révolutionner de nombreux domaines de la recherche, en plus des soins de santé, notamment celui de l’examen des différences génomiques dans les tissus « normaux » non malades, et dans l’étude des génomes de microbes qu’on ne peut pas cultiver et qui occupent des créneaux écologiques et environnementaux intéressants.

 

Résultats: 

The research undertaken has allowed continued success in responding to RFAs and writing research grant applications. Overall, since the inception of this project the researchers have been successful in garnering over $3.7 million in research funding, specifically involving single cell microfluidic technologies and genomics. These awards are listed in the leveraged funding section of this report (following pages). This funding will in turn create new research training opportunities, related IP, and potential commercial ventures within Canada, thereby providing a certain return on Genome Canada’s investment in the Towards Single Cell Genomics technology development project.

It is anticipated that translation of the single cell technologies to the scientific, biotechnology and pharmaceutical industries could have profound consequences for several fields including biomarker discovery, drug development, environmental genomics, metagenomics and personalized medicine. In particular, the Single Cell RT-qPCR device developed by the project which is a microfluidic device for performing hundreds of simultaneous single cell gene expression measurements using RT-qPCR. This technology along with future improvements to increase multiplexing will find immediate application in biomedical research and is particularly well suited to developmental biology, stem cell science, and cancer biology. In addition we anticipate that this technology may ultimately be applied to allow new modalities of diagnosis based on single cell transcription with possible applications in cancer monitoring and prognosis as well as in reproductive medicine. New protocols and bioinformatics analysis tools developed through the present work are being refined and made available through the Michael Smith Genome Science Center and will open new avenues of research within BC and Canada. The impact of this is already evidenced by recent funding applications that contain elements of single cell genetic analysis. Finally, in addition to microfluidic devices this work will lead to new assay designs that may be transferred to industry. These include methods for accurate measurements of sequence abundance by binning reads to unique molecular tags, and assay designs for the targeting of sequence regions by PCR.

In the near term the project’s interactions with Fluidigm Corporation through the in-kind contribution of the BioMark™ and the Collaborative Research Agreement between Dr. Hansen and Fluidigm Corp has had considerable impact. See Appendix 4 for an article which recently came out in Genetic Engineering and Biotechnology News highlighting Fluidigm and Dr. Hansen’s lab about the potential for gene expression profiling using single cells. We anticipate that the technologies developed here for single cell gene expression measurements by RTqPCR will be rapidly commercialized and widely adopted. The work developed in this proposal has been the basis for a newly negotiated collaborative research agreement that is aimed at further development and commercialization of technologies for single cell analysis, sample preparation for sequencing, and genetic diagnostics.

Our PCR-Based Target Enrichment technology we have developed for performing multiplexed target amplification from spotted oligos also has potential to be commercialized as a platform for sequence enrichment prior to genomic analysis. This technology would find adoption in genomics research and would be particularly well-suited to large cohort studies in which a panel of hundreds to thousands of mutations are being correlated with experimental or phenotypic observations. Ultimately we envision that this technology would find a broad market as a sample preparation tool for cancer diagnosis based on tumour sequencing. The proposed research program has helped meet the growing need for biotechnology personnel in Canada by training highly skilled and multidisciplinary personnel. In addition to the training opportunities directly funded through this project, this work will undoubtedly generate new funding through grants and economic ventures that ultimately will attract and train a larger base of researchers and highly skilled technicians.

In summary, this research has created new technologies with significant potential to improve health care and generate new economic opportunities in Canada. Through a commitment to cutting edge research and the training of highly qualified personnel Canada will be positioned to maximize the academic and economic awards that must come from taking an internationally leading role in technology and science.