Analyse intégrative et modélisation des voies moléculaires dérégulées dans la polyarthrite rhumatoïde

Integrative analysis and modeling of molecular pathways dysregulated in rheumatoid arthritis

• Auteur / Autrice : Vidisha Singh
• Direction : Elisabeth Petit-Teixeira, Anna Niarakis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie computationnelle
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche européen pour la polyarthrite rhumatoïde (Evry, Essonne) - Laboratoire de recherche européen pour la polyarthrite rhumatoïde / GenHotel
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Maria Colombo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dagmar Waltemath, Vassili Soumelis, Denis Thieffry, Laurence Calzone, Mohamed Elati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dagmar Waltemath, Vassili Soumelis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Standards biologiques

Autoimmunité

Simulation par ordinateur

Modèles mathématiques

Fonctions booléennes

Polyarthrite rhumatoïde

Biologie systémique

Mots clés libres

Maladies complexes

Modélisation logique

Prédiction in silico

Biologie computationnelle des systèmes

Complex diseases

In silico predictions

Logical modelling

Computational Systems Biology

Résumé

La polyarthrite rhumatoïde (PR) est unemaladie auto-immune complexe qui entraîne uneinflammation synoviale et une hyperplasie pouvantprovoquer une érosion osseuse et une destruction ducartilage dans les articulations. L'étiologie de la PR restepartiellement inconnue, mais elle implique de multiplescascades de signalisation croisées et l'expression demédiateurs pro-inflammatoires. Dans la première partie demon projet de doctorat, nous présentons un effortsystématique pour construire une base de connaissancessur la PR, entièrement annotée et validée par des experts.Cette carte de la PR illustre les voies moléculaires et designalisation importantes impliquées dans la maladie. Latransduction du signal est systématiquement représentéedes récepteurs au noyau en utilisant la représentationstandard de notation graphique en biologie des systèmes(SBGN). La curation manuelle est basée sur des critèresstricts et spécifique aux études sur l'homme, limitantl'apparition de faux positifs sur la carte. Cette carte peutservir de base de connaissances interactive pour la maladiemais aussi de tableau pour la visualisation des donnéesomiques. De plus, c’est une excellente base pour ledéveloppement d'un modèle informatique. La naturestatique de la carte PR pourrait fournir une compréhensionrelativement limitée du comportement émergeant dusystème dans différentes conditions. La modélisationinformatique pourra révéler les propriétés dynamiques duréseau par le biais de perturbations in silico et peut êtreutilisée pour tester et prédire des hypothèses.Dans la deuxième partie du projet, nous présentons unpipeline permettant la construction automatisée d'un grandmodèle booléen, à partir d'une carte d'interactionsmoléculaires. Pour cela, nous avons développé l'outilCaSQ (CellDesigner as SBML-qual), qui automatise laconversion des cartes moléculaires en modèles booléensexécutables basés sur la topologie et la sémantique descartes. Le modèle booléen résultant pourrait être utilisépour des simulations in silico afin de reproduire lecomportement biologique connu du système et de prédirede nouvelles cibles thérapeutiques. Pour l'analyse deperformance de l’outil, nous avons utilisé différentescartes et modèles de maladies en mettant l'accent sur lagrande carte moléculaire de la PR.Dans la troisième partie du projet, nous présentons nosefforts pour créer un modèle dynamique (booléen) àgrande échelle pour les synoviocytes de type fibroblastede polyarthrite rhumatoïde (RA-FLS). Parmi denombreuses cellules de l'articulation et du systèmeimmunitaire impliquées dans la pathogenèse de la PR, lesRA-FLS joue un rôle important dans l'initiation et laperpétuation de l'inflammation articulaire destructrice.Les RA-FLS expriment des cytokinesimmunomodulatrices, des molécules d'adhésion et desenzymes de modélisation matricielle. De plus, les RAFLSprésentent des taux de prolifération élevés et unphénotype résistant à l'apoptose. Les RA-FLS peuventégalement se comporter comme les principaux moteurs del'inflammation, et les thérapies dirigées contre les RA FLSpourraient devenir une approche complémentaire auximmunothérapies. Le défi est de prédire les conditionsoptimales qui favoriseraient l'apoptose des RA FLS,limiteraient l'inflammation, ralentiraient le taux deprolifération et minimiseraient l'érosion osseuse et ladestruction du cartilage.

Rheumatoid arthritis (RA) is a complexautoimmune disease that results in synovial inflammationand hyperplasia leading to bone erosion and cartilagedestruction in the joints. The aetiology of RA remainspartially unknown, yet, it involves a variety of intertwinedsignalling cascades and the expression of pro-inflammatorymediators. In the first part of my PhD project, we present asystematic effort to construct a fully annotated, expertvalidated, state of the art knowledge-base for RA. The RAmap illustrates significant molecular and signallingpathways implicated in the disease. Signal transduction isdepicted from receptors to the nucleus systematically usingthe systems biology graphical notation (SBGN) standardrepresentation. Manual curation based on strict criteria andrestricted to only human-specific studies limits theoccurrence of false positives in the map. The RA map canserve as an interactive knowledge base for the disease butalso as a template for omic data visualization and as anexcellent base for the development of a computationalmodel. The static nature of the RA map could provide arelatively limited understanding of the emerging behaviorof the system under different conditions. Computationalmodeling can reveal dynamic network properties throughin silico perturbations and can be used to test and predictassumptions.In the second part of the project, we present a pipelineallowing the automated construction of a large Booleanmodel, starting from a molecular interaction map. For thispurpose, we developed the tool CaSQ (CellDesigner asSBML-qual), which automates the conversion ofmolecular maps to executable Boolean models based ontopology and map semantics. The resulting Booleanmodel could be used for in silico simulations to reproduceknown biological behavior of the system and to furtherpredict novel therapeutic targets. For benchmarking, weused different disease maps and models with a focus onthe large molecular map for RA.In the third part of the project we present our efforts tocreate a large scale dynamical (Boolean) model forrheumatoid arthritis fibroblast-like synoviocytes (RAFLS).Among many cells of the joint and of the immunesystem involved in the pathogenesis of RA, RA FLS playa significant role in the initiation and perpetuation ofdestructive joint inflammation. RA-FLS are shown toexpress immuno-modulating cytokines, adhesionmolecules, and matrix-modelling enzymes. Moreover,RA-FLS display high proliferative rates and an apoptosisresistantphenotype. RA-FLS can also behave as primarydrivers of inflammation, and RA FLS-directed therapiescould become a complementary approach to immunedirectedtherapies. The challenge is to predict the optimalconditions that would favour RA FLS apoptosis, limitinflammation, slow down the proliferation rate andminimize bone erosion and cartilage destruction.