Une approche multi-omiques pour identifier les gènes clés du pancréas endocrinien et exocrine et leur rôle dans le développement du DT2

A multi-omics approach to identify key genes in the endocrine and exocrine pancreas and their role in T2D

• Auteur / Autrice : Lucas Maurin
• Direction : Philippe Froguel, Amna Khamis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 11/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génomique intégrative et modélisation des maladies métaboliques (Lille) - Metabolic functional (epi)genomics and molecular mechanisms involved in type 2 diabetes and related diseases - UMR 8199 - UMR 1283
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Génomique intégrative et modélisation des maladies métaboliques (Lille)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Froguel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Weedon, Lorenzo Pasquali
• DOI : 10.70675/bdd8c28bzecbaz4b2az99cdz98131319a267

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diabète non-insulinodépendant

Étiologie

Pancréas

Cancer -- Étiologie

Îlots pancréatiques

Vieillissement

Méthylome

Expression génique

Épigénétique

Interaction gène-environnement

Métaomique

Diabète de type 2

étiologie

Tumeurs du pancréas

Ilots pancréatiques

Vieillissement

Méthylation de l'ADN

Expression des gènes

Épigénomique

Épigenèse génétique

Mots clés libres

Diabetes type 2

Cancer du pancréas

Multi-Omique

Type 2 diabetes

Pancreatic cancer

Multi-omics

Résumé

Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie multifactorielle caractérisée par une hyperglycémie chronique, et causée par des facteurs génétiques et environnementaux, tels que le vieillissement. Alors que les études d'association pangénomique (GWAS) ont commencé à identifier les causes génétiques du DT2, les études d'association épigénomique (EWAS) ont rencontré un succès limité dans la caractérisation de l'impact de l’environnement en raison de la taille très réduite des échantillons étudiés et du manque d'études fonctionnelles. De plus, l'ampleur de l'interaction entre la variation génétique et épigénétique reste mal comprise. L'objectif de cette thèse était de contribuer à notre compréhension de la façon dont les facteurs environnementaux influencent la pathogenèse du DT2 et sa progression vers des complications associées, notamment l'adénocarcinome canalaire pancréatique (PDAC). Dans le premier projet, nous avons étudié l'interaction entre les modifications épigénétiques associées au DT2 et l'âge, et la variation génétique dans les îlots pancréatiques de 124 individus, dont 16 atteints de DT2. Nous avons développé une approche intégrative combinant la méthylation de l'ADN, l'expression génique et le génotypage pour identifier des associations en triade, en examinant si les variations génétiques et épigénétiques s'influencent mutuellement. Nous avons identifié 301 et 743 CpG associés à l'âge et au DT2, qui influencent l'expression des gènes voisins. Parmi ceux-ci, moins de 10 % étaient influencés par des variants génétiques, suggérant que les modifications épigénétiques induites par l'environnement sont indépendantes de la variation génétique. Notamment, seuls trois gènes, SIX3, ST6GAL1 et TIPIN, se colocalisaient avec des variants de risque du GWAS du DT2 et étaient également sous régulation épigénétique. La caractérisation des gènes régulés épigénétiquement a mis en évidence des candidats clés du DT2, notamment OPRD1 et MEG3. Finalement, nous montrons que l'ajout de scores de risque épigénétique aux scores de risque polygénique a amélioré la prédiction du risque de DT2. Nos résultats suggèrent que la plupart des gènes sont régulés soit par des facteurs génétiques, soit par des facteurs épigénétiques, mais rarement par les deux.Dans le deuxième projet, nous avons exploré l'influence épigénétique du DT2 sur le pancréas exocrine afin de comprendre pourquoi les individus atteints de DT2 sont plus à risque de développer le PDAC, l'un des cancers les plus mortels. Nous avons réalisé une EWAS pour le DT2 (25 individus atteints de DT2 et 116 non-diabétiques) et identifié une seule hyperméthylation dans cg15549216, située dans le gène Pancreatic Lipase Related Protein 1 (PNLIPRP1), qui était corrélée à une diminution de l'expression du gène. L'inhibition de Pnliprp1 dans la lignée cellulaire acinaire de rat AR42J a augmenté les niveaux de cholestérol, réduit la prolifération et induit une métaplasie acino-canalaire (ADM), caractéristiques des premiers stades du PDAC. Il est à noter que cet effet a été inversé par un traitement avec des statines, mettant en évidence le potentiel translationnel de ces résultats. De plus, une analyse de variants rares à partir de la UK Biobank a lié PNLIPRP1 au cholestérol LDL, confirmant les résultats fonctionnels. Nous proposons un modèle où les mécanismes épigénétiques et génétiques agissent indépendamment mais synergisent pour favoriser les lésions du pancréas et la progression de la maladie.Cette thèse souligne l'importance d'étudier la méthylation de l’ADN pour identifier les facteurs environnementaux qui contribuent à la maladie. Nos résultats révèlent que ces altérations épigénétiques sont en grande partie indépendantes des facteurs génétiques, soulignant leur rôle complémentaire dans la pathogenèse du DT2. De plus, PNLIPRP1 illustre comment les études épigénomiques peuvent identifier de nouveaux biomarqueurs à pertinence translationnelle, offrant de nouvelles perspectives sur le DT2.

Type 2 diabetes (T2D) is a multifactorial, complex disease characterised by chronic elevated blood glucose, and caused by genetic and environmental factors, such as ageing. While genome-wide association studies (GWAS) have successfully identified the genetic causes of T2D, epigenome-wide association studies (EWAS) have had limited success in capturing the environmental impact due to the tissue-specificity of epigenetic changes, very small sample sizes, and the lack of functional studies. Furthermore, the extent of the interaction between genetic and epigenetic variation remains poorly understood. The objective of this thesis was to contribute to our understanding of how environmental factors contribute to T2D pathogenesis, and its progression towards related complications, notably pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC).In the first project, we investigated the interplay between age and T2D-associated epigenetic changes and genetic variation in pancreatic islets of 124 individuals, of which 16 had T2D. We developed a novel integrative approach combining DNA methylation, gene expression, and genotyping to identify triad associations, examining whether genetic and epigenetic influence each other. We identified 301 and 743 CpGs associated with age and T2D, respectively, which impacted nearby gene expression (within a 2 Mb window). Of these, less than 10 % were influenced by nearby genetic variants, suggesting that environmentally-driven epigenetic changes operate largely independently of genetic variation. Notably, only three genes, SIX3, ST6GAL1, and TIPIN, were found to co-localise with T2D GWAS risk variants, and were also under epigenetic regulation. Characterisation of the epigenetically-regulated genes highlighted key T2D candidates, including OPRD1 and MEG3. Importantly, adding methylation risk scores (MRS) to polygenic risk scores (PGS) improved T2D risk prediction, underscoring the additive value of epigenetic studies. Our findings suggest that most genes are regulated either by genetic or epigenetic factors, but rarely both.In the second project, we explored the epigenetic influence of T2D in the exocrine pancreas, to explore why T2D individuals are at a higher risk of developing pancreatic disease, notably PDAC, one of the deadliest cancers. We performed an EWAS for T2D (25 T2D individuals and 116 non-diabetic) and identified a single hypermethylation in cg15549216, located in the Pancreatic Lipase Related Protein 1 (PNLIPRP1) gene, which was corelated with a decreased expression of the gene. Knockdown of Pnliprp1 in the rat acinar cell line AR42J increased cholesterol levels, reduced proliferation, and induced acinar-to-ductal metaplasia (ADM), hallmarks of the early stages of PDAC. Notably, this effect was reversed by treatment of statin, highlighting the translational potential of these findings. Additionally, a rare variant analysis using the UKBiobank linked PNLIPRP1 to LDL-cholesterol, confirming the functional results. We propose a model where epigenetic and genetic mechanisms act independently but synergise to promote pancreas injury and disease progression.This thesis underscores the importance of studying DNA methylation as an unbiased approach for identifying environmental factors that contribute to disease. Our findings reveal that these epigenetic alterations are largely independent of genetic factors, underscoring their complementary role T2D pathogenesis. Additionally, PNLIPRP1 serves as an example of how epigenomic studies can indeed identify novel biomarkers with a translational relevance, offering new insights into disease mechanisms and progression.