A genome editing approach to induce fetal hemoglobin expression for the treatment of β-hemoglobinopathies

par Chiara Antoniani

Thèse de doctorat en Biologie moléculaire

Sous la direction de Annarita Miccio.

Soutenue le 27-11-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

  • Titre traduit

    Développement d’une stratégie d’édition du génome permettant d’induire l’expression de l'hémoglobine fœtale pour le traitement des hémoglobinopathies beta


  • Résumé

    Les β-hémoglobinopathies (β-thalassémies et drépanocytose) sont des anémies génétiques qui touchent des milliers de nouveaux nés chaque année dans le monde. Ces maladies sont causées par des mutations affectant l'expression de l'hémoglobine chez l'adulte. Le seul traitement disponible est la transfusion sanguine à vie, associée à une chélation du fer. Pour les patients les plus touchés, la greffe de cellule souche hématopoïétique (CSH) demeure le seul traitement curatif. Néanmoins, la transplantation autologue de cellules souches génétiquement corrigées représente une alternative thérapeutique pour les patients dépourvus de donneur compatible. Certaines délétions naturelles comprenant les gènes de la β- et δ- globine dans le locus de l'hémoglobine sont corrélées à une persistance de l'expression de l'hémoglobine fœtale (HPFH) à l'âge adulte. Ainsi il a été démontré que un taux élevé d'hémoglobine fœtale (HbF) améliore l'évolution clinique de ces deux pathologies. Afin d'identifier les régions régulatrices potentielles de la γ-globine, nous avons combiné les données issues d'analyses de mutations rencontrées chez des patients HPFH avec les sites d'hybridation de facteur de transcription. Sur la base de cette analyse, en ayant recours à la technologie CRISPR/CAS9, nous avons développé un protocole permettant de générer: (i) la délétion d'un potentiel suppresseur de l'HbF situé entre les gènes des globines δ et γ, ciblé par le répresseur de l’HbF BCL11A chez les érythroblastes adultes; (ii) la plus courte délétion associée à des taux élevés d’HbF (délétion Corfu) chez les patients β-thalassemiques; (iii) une délétion de 13.6-kb rencontrée fréquemment chez les patients HPFH et incluant les gènes des globines β et δ ainsi que le potentiel suppresseur de l'HbF. Notre travail a montré que la délétion de la région génomique de 13.6-kb entraîne une forte production de HbF et une réduction concomitante de l'expression de la β-globine soit dans des lignées cellulaires érythroïdes humaines soit dans des érythroblastes primaires dérivées des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPH). Par ailleurs, nous avons montré que la génération de cette délétion sur des CSPHs issus de patients drépanocytaires entraîne une augmentation de la transcription de la γ-globine dans une proportion significative d'érythroblastes, conduisant à une amélioration du phénotype drépanocytaire. Enfin, nous avons exploré le mécanisme menant à la réactivation de l'expression de la γ-globine. Nous avons évalué des changements dans la conformation de la chromatine et des modifications épigénétiques dans le locus de la β-globine lors de la délétion ou de l'inversion de la région de 13.6 kb. Dans l'ensemble, cette étude contribue à la connaissance des mécanismes favorisant l'échange de l'hémoglobine fœtale à l'adulte et fournit des indices pour une approche d'édition du génome dans le traitement de la β-thalassémies et de la drépanocytose.


  • Résumé

    Β-hemoglobinopathies (β-thalassemias and sickle cell disease) are genetic anemias affecting thousands of newborns annually worldwide. β-thalassemias and sickle cell disease (SCD) are caused by mutations affecting the adult hemoglobin expression and are currently treated by red blood cell transfusion and iron chelation regiments. For patients affected by severe β-hemoglobinopathies, allogenic hematopoietic stem cell (HSCs) transplantation is the only definitive therapy. However, transplantation of autologous, genetically corrected HSCs represents an alternative therapy for patients lacking a suitable HSC donor. Naturally occurring large deletions encompassing β- and δ-globin genes in the β-globin gene cluster, defined as Hereditary Persistence of Fetal Hemoglobin (HPFH) traits, lead to increased fetal hemoglobin (HbF) expression ameliorating both thalassemic and SCD clinical phenotypes. In this study, we integrated transcription factor binding site analysis and HPFH genetic data to identify potential HbF silencers in the β-globin locus. Based on this analysis, we designed a CRISPR/Cas9 strategy disrupting: (i) a putative δγ-intergenic HbF silencer targeted by the HbF repressor BCL11A in adult erythroblasts; (ii) the shortest deletion associated with elevated HbF levels (“Corfu” deletion) in β-thalassemic patients, encompassing the putative δγ-intergenic HbF silencer; (iii) a 13.6-kb genomic region including the δ- and β-globin genes and the putative intergenic HbF silencer. Targeting the 13.6-kb region, but not the Corfu and the putative δγ-intergenic regions, caused a robust HbF re-activation and a concomitant reduction in β-globin expression in an adult erythroid cell line and in healthy donor hematopoietic stem/progenitor cells (HSPC)-derived erythroblasts. We provided a proof of principle of this potential therapeutic strategy: disruption of the 13.6-kb region in HSPCs from SCD donors favored the β-to-γ globin switching in a significant proportion of HSPC-derived erythroblasts, leading to the amelioration of the SCD cell phenotype. Finally, we dissected the mechanisms leading to HbF de-repression demonstrating changes in the chromatin conformation and epigenetic modifications within the β-globin locus upon deletion or inversion of the 13.6-kb region. Overall, this study contributes to the knowledge of the mechanisms underlying fetal to adult hemoglobin switching, and provides clues for a genome editing approach to the treatment of SCD and β-thalassemia.

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