Dérégulation de l'hétérochromatine et des rétro-éléments dans les cellules souches hématopoïétiques avec l'âge : conséquences et applications potentielles pour le traitement de la leucémie myélomonocytaire chronique

Deregulation of heterochromatin and retroelements in hematopoietic stem cells with age : implications and potential applications for the treatment of chronic myelomonocytic leukemia.

• Auteur / Autrice : Donia Hidaoui
• Direction : Françoise Porteu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cancérologie, Biologie, Médecine, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Cellules souches hématopoïétiques et développement des hémopathies myéloïdes (Villejuif, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté de médecine (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean Soulier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Soulier, Raphaël Itzykson, Elina Zueva, David Garrick
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Itzykson, Elina Zueva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rétroéléments

Éléments transposables d'ADN

Cellules souches hématopoïétiques

Hétérochromatine

Vieillissement

Épigénétique

Leucémie

Mots clés libres

Rétro-Élément

Leucémie

Epigénétique

Cellule souche hématopoïétique

Vieillissement

Retroelement

Leukemia

Epigenetics

Hematopoietic stem cell

Aging

Résumé

Avec l'âge, le tissu hématopoïétique se détériore. Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) accumulent des mutations, ont une réduction de leur capacité de reconstitution et une différenciation biaisée vers la lignée myéloïde. La perte de l'immunité adaptative et l'augmentation de l'inflammation, favorisent l'émergence d'hémopathies myéloïdes. L'hétérochromatine est un état condensé de l'ADN défini par les marques H3K9me2, H3K9me3, H3K27me3 et la méthylation de l'ADN. La réorganisation de l'hétérochromatine est un changement fréquemment signalé dans le vieillissement. Notamment, dans les CSH, la baisse de H3K9me3 avec l'âge est associée à une perte du potentiel de différenciation vers la lignée lymphoïde B. L'hétérochromatine a un rôle majeur dans la répression des rétro-éléments (RE) qui sont des séquences répétées capable d'altérer le génome et de modifier le transcriptome. L'équipe a récemment montré que les CSH de souris expriment des niveaux élevés de RE qui peuvent se mobiliser et altérer leur fonction de reconstitution dans le cadre d'un vieillissement prématuré induit par l'irradiation (IR). Les objectifs de mon projet de thèse sont d'analyser l'hétérochromatine et le rôle des RE dans : 1/ la transcription et la fonction des CSH murines lors de l'IR ; 2/ une situation pathologique du vieillissement : la leucémie myélomonocytaire chronique (LMMC) et de proposer une application thérapeutique. Nous montrons que l'IR contribue directement à la perte de H3K9me3 qui est responsable de l'expression accrue de RE. De plus, nous rapportons que les altérations transcriptomiques observées dans les CSH lors de l'IR, notamment la perte de la signature CSH, est associée à la dérépression d'un ensemble particulier de RE introniques : des éléments LINE-1 récents abritant des sites de liaison NF-kB, présents au sein des gènes des CSH. Nous révélons aussi que la voie TNF-α/NF-kB/LINE-1 est impliquée dans le contrôle des gènes de CSH en cas de stress dû à l'IR.La LMMC est une maladie clonale de la CSH contre laquelle il n'existe aucun traitement curatif. Les agents hypométhylants de l'ADN (HMA) sont efficaces chez 40% des patients LMMC mais leur effet est transitoire et le clone muté est toujours présent. Dans certains cancers, les HMA tuent les cellules tumorales en induisant une réponse immune via la dérépression des RE mais cette réponse n'a jamais été démontrée dans la LMMC. Bien que des défauts dans la répression des RE participent au développement des tumeurs, les cellules cancéreuses deviennent dépendantes des RE, créant de la vulnérabilité. En effet, la forte hausse de RE par exemple par des HMA induit la formation d'ARN-db déclenchant la production d'interféron de type I (IFN-I) et une réponse immune anti-tumorale. Une expression insuffisante de RE due à un blocage épigénétique dans les CSH de LMMC pourrait expliquer la résistance aux HMA. Nous rapportons pour la première fois que les CSH et progéniteurs (CSPH) de patients atteints de LMMC ont des défauts globaux de l'hétérochromatine dont une hausse de H3K9me2 par rapport aux cellules de sujets sains âgés. Nous avons émis l'hypothèse que cette hausse de H3K9me2 pourrait bloquer une induction importante des RE par les HMA. En effet, le traitement des CSPH de LMMC avec des HMA et des inhibiteurs de H3K9me2 diminue leur clonogénicité en méthylcellulose ainsi que leur survie et leur prolifération dans des cultures liquides à l'échelle unicellulaire, de façon synergique. De plus, le double traitement réduit voire même éradique les clones mutés des patients LMMC. Cet effet implique l'induction des RE, d'IFN-I et d'une signalisation antivirale dans les CSPH LMMC. Ainsi les modifications de l'hétérochromatine observées avec l'âge et dans les maladies du vieillissement ont un impact majeur dans la dérégulation des RE et dans les anomalies fonctionnelles des CSH. La prise en compte de ces changements est cruciale pour découvrir de nouveaux traitements de ces pathologies.

With age, the hematopoietic tissue deteriorates. Hematopoietic stem cells (HSCs) accumulate mutations, have a reduced capacity for reconstitution and a biased differentiation towards the myeloid lineage. The loss of adaptive immunity and increased inflammation favor the emergence of myeloid malignancies. Heterochromatin is a condensed state of DNA defined by H3K9me2, H3K9me3, H3K27me3 and DNA methylation. Its reorganization is a frequently reported change in aging. Notably, in HSCs, the decrease in H3K9me3 with age is associated with a loss of differentiation potential to the B lymphoid lineage. Heterochromatin has a major role in the repression of retroelements (REs). REs are repeated sequences capable of altering the genome and modifying the transcriptome. The team has recently shown that mouse HSCs express high levels of REs that can mobilize and alter their reconstitution function in the context of irradiation-induced premature aging (IR). The objectives of my thesis project are: 1/ to analyze the HSC heterochromatin state and the role of REs in: 1/ transcription and function of murine HSCs during IR; 2/ a pathological disease of aging: chronic myelomonocytic leukemia (CMML), and to propose a therapeutic application. We show that IR directly contributes to the loss of H3K9me3 which is responsible for the increased expression of REs. Furthermore, we report that the transcriptomic alterations observed in HSCs during IR, including the loss of the HSC signature, is associated with the derepression of a particular set of intronic REs: recent LINE-1 elements harboring NF-kB binding sites, present within HSC genes. We also reveal that the TNF-α/NF-kB/LINE-1 pathway is involved in the control of HSC genes under IR stress.CMML is a clonal disease for which there is no curative treatment. DNA hypomethylating agents (HMAs) are effective in 40% of CMML patients but their effect is transient and the mutated clone is not eradicated. In some cancers, HMAs kill tumor cells by inducing an immune response via derepression of REs. Indeed, Although defects in RE repression participate in tumor development, cancer cells become dependent on REs, creating vulnerability. Indeed, high RE upregulation by e.g. HMAs induces the formation of dsRNA triggering the production of type I interferon (IFN-I) and an anti-tumor immune response. This response has never been demonstrated in CMML. Insufficient RE expression due to epigenetic blockade in CMML HSCs could explain HMA resistance. We report for the first time that HSCs and progenitors (HSPCs) from patients with CMML have global heterochromatin defects, notably a striking increase in H3K9me2 found all patients, compared to age-matched healthy subjects. We hypothesized that this increase in H3K9me2 could block significant RE induction by HMAs. Indeed, the treatment of CMML HSPCs with HMAs and H3K9me2 inhibitors decreases their clonogenicity in methylcellulose as well as their survival and proliferation in single-cell liquid cultures in a synergistic manner while having no effect on healthy cells. Moreover, the dual treatment reduces or even eradicates mutated clones. Futhermore, we demonstrate that targeting H3K9me2 enhances the efficacy of HMAs via induction of RE, IFN-I and antiviral signaling in malignant CSPH.Thus, the changes in heterochromatin observed with age and in diseases of aging have a major impact on the deregulation of REs and functional abnormalities of HSCs. Taking into account these changes is crucial to discover new treatments for these diseases.