Approches de génomique intégrative à l'échelle de la cellule unique pour étudier les mécanismes précoces de développement des maladies chroniques de l'adulte

Leverage single cell genomics approaches to decipher early cellular mechanisms involved in the development of adult chronic diseases

• Auteur / Autrice : Alexandre Pelletier
• Direction : Fabien Delahaye, Philippe Froguel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génomique intégrative et modélisation des maladies métaboliques (Lille) - Récepteurs Nucléaires, Maladies Métaboliques et Cardiovasculaires
• Jury : Président / Présidente : Didier Vieau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Delahaye, Philippe Froguel, Susan Ozanne, Pilib O Broin, Marco A. Mendoza
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Susan Ozanne, Pilib O Broin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maladie d'Alzheimer

Génomique

Alzheimer, Maladie d'

Maladies -- Effets de l'âge

Médecine génomique

Mots clés libres

Génomique fonctionnelle

Maladies liés à l'âge

Programmation in utero

Maladie d'Alzheimer

Séquençage à l'échelle de la cellule unique

Functional genomics

Age-Related diseases

In utero programming

Alzheimer's disease

Single cell sequencing

Résumé

L'émergence des approches de génomiques, en particulier depuis l'apparition des technologies de séquençage à l'échelle de la cellule unique (SGC), nous a permis de caractériser des mécanismes physiopathologiques à une résolution jamais atteinte auparavant. Le SGC a mis en évidence l'hétérogénéité cellulaire intra-tissulaire ainsi que son influence sur le développement des maladies, et ouvert de nouvelles perspectives. Dans ma thèse, j'ai mis en œuvre de nouvelles stratégies pour en tirer profit, fournissant de nouvelles preuves permettant de mieux comprendre les mécanismes précoces des maladies, en me concentrant sur deux modèles : la programmation épigénétique précoce des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPH), et l'étude du gène BIN1 dans la maladie d'Alzheimer (MA).Dans mon premier modèle, j'ai exploité la technologie de SGC pour étudier l'influence d'un excès de croissance gestationnelle (macrosomie) sur la plasticité des CSPH. Nous avons caractérisé les conséquences transcriptionnelles et fonctionnelles de l'altération de la méthylation de l'ADN observées chez les nouveau-nés macrosomes (NNM). Pour cela, nous avons intégré des données épigénétiques et transcriptionnelles, et validé nos observations avec une analyse fonctionelle de la capacité de ces cellules souches à différencier. Nous avons découvert que l'hyperméthylation de l'ADN chez les NNM est associée à un réarrangement de la chromatine dans les cellules souches hématopoïétiques (CSH), touchant spécifiquement le réseau de régulation des facteurs de transcription EGR1, KLF2 et KLF4, connus pour soutenir la quiescence des CSH et réguler leur activation. Ce réseau inclut notamment SOCS3, JUNB et DUSP2, et est enrichi en gènes dont l'expression est réduite chez les NNM, suggérant que les altérations épigénétiques ont des conséquences sur l'expression de ces gènes. Enfin, grâce à la résolution à la cellule unique de nos données, et à l'analyse de la différenciation in vitro, nous avons constaté une capacité réduite des CSH de NNM à rester quiescentes/indifférenciées en réponse aux stimulations. Cette approche intégrative utilisant la SGC à différents niveaux moléculaires confirme que l'excès de croissance fœtale affecte la signalisation régulant la quiescence des CSH par le biais d'un remodelage épigénétique. Elle nous apporte également des potentiels cibles cellulaires et moléculaires pour expliquer la susceptibilité accrue aux maladies chez les NNM.Dans mon deuxième modèle, j'ai exploité le SGC pour étudier le rôle de BIN1, le deuxième gène le plus associé à la MA, sur des modèles de cerveau humain. Nous avons étudié l'effet de la délétion de BIN1 dans une culture neuronale en 2D et sur un organoïde cérébral en 3D tout deux dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) humains. Nous avons découvert que la perte de fonction de BIN1 entraîne des altérations transcriptionnelles spécifiquement dans les neurones glutaminergiques, ressemblant au changement d'expression trouvé chez les individus affectés par la MA. Ces gènes sont fortement associés à la régulation du calcium dans les neurones, ainsi qu'au transport ionique et à la fonction des synapses. En utilisant des tests fonctionnels in vitro, nous avons découvert que la régulation du calcium et l'activité des réseaux neuronaux étaient altérés dans les modèles cérébraux ou BIN1 était inactivé, et que BIN1 était capable d'interagir avec le canal calcique Cav1. Le blocage de ce canal par un inhibiteur pharmacologique permet d'empêcher partiellement l'altération de l'activité neuronale médiée par BIN1, soutenant son rôle important dans la régulation des canaux calciques. Cette approche de SGC a permis de montrer l'altération spécifique des neurones due à la délétion de BIN1, et valider fonctionnellement le rôle de BIN1 dans l'activité neuronale liée à la régulation du calcium intracellulaire, tout en soulignant son rôle potentiel dans la pathogenèse de la MA.

The emergence of genomics technologies these recent years, especially those combining single-cell resolution and high throughput sequencing, enable us to characterize physiopathological mechanisms at a resolution never achieved before. Single-cell genomics sequencing allow researcher to highlight previously hidden intra-tissue cellular heterogeneity and its influences on diseases development. Our ability to generate high-throughput and single-cell data opens new perspectives but also brings new challenges to face. In my thesis, I focused on implementing new strategies to address some of these limitations providing with new evidence toward better understanding of early disease mechanisms, focusing on two models: the early epigenetics programming of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), and the Alzheimer's Diseases (AD) susceptibility gene BIN1 function on study.In my first model, I leveraged single-cell genomics to decipher early influence of being large for gestational age (LGA) on HSPCs plasticity. We characterized the transcriptional and functional consequences of DNA methylation alterations observed in LGA HSPCs compared to appropriately grown neonates (CTRL) combining single-cell epigenomics, single-cell transcriptomics and in vitro analysis. We found that DNA hypermethylation is associated with hematopoeitic stem cells (HSC) specific chromatin rearrangement in the regulatory network of EGR1, KLF2 and KLF4 transcription factors, affecting genes known to sustain HSCs quiescence and regulate their activation, like SOCS3, JUNB and DUSP2. Furthermore, this network is enriched for genes with decrease expression in LGA compared to CTRL, supporting transcriptional consequences of these epigenetics alterations. Finally, leveraging both single cell resolution of our transcriptomics data and in vitro differentiation analysis, we found a reduce ability of LGA HSC to stay quiescent/undifferentiated in response to stimulations. Together, this single-cell genomics integrative approach supports that human fetal overgrowth affects HSC quiescence signaling via epigenetic remodeling, giving cellular and molecular cues to explain increases disease susceptibilities found in LGA neonates.In my second model, I leveraged single-cell transcriptomics to investigate the role of BIN1, the 2nd most AD associated gene, on human brain models. We investigate the cellular effect of BIN1 deletion on both 2D neuronal culture and 3D cerebral organoid derived from human iPSC. We found that BIN1 loss-of-function leads to specific transcriptional alterations in glutamatergic neurons, resembling to the one found in AD brains, involving several genes associated with calcium homeostasis, ion transport and synapse function. Using functional assay, we found that calcium homeostasis, and neural networks activity was dysregulated in BIN1 deleted brain models, and that BIN1 was able to interact with voltage-gated calcium channel Cav1. Pharmacological calcium channel blocker was able to partially rescue BIN1 mediated neuronal activity dysregulation supporting important BIN1 role in calcium channel regulation. These single-cell approaches have allow to show neuronal specific alteration of BIN1 deletion, and functionally validate role of BIN1 in calcium homeostasis related neuronal activity, while highlight its potential role in AD pathogenesis.