Combinaison of experimental and bioinformatics approaches to characterize the interactions between Plasmodium falciparum and its human host
Combinaison d’approches expérimentales et bioinformatiques pour caractériser les intéractions entre Plasmodium falciparum et son hôte humain
Résumé
The first part of my thesis deals with the experimental characterization of Plasmodium falciparum submicroscopic infections in asymptomatic Congolese women during childbirth. Malaria remains a major public health problem in the world with about 219
million cases and 435,000 deaths a year, mostly in sub-Saharan Africa (90%). In the
area of high transmission, malaria infection is mainly characterized by the onset of
maternal anemia and the presence of parasites in the placenta. A high proportion
of individuals living in malaria-endemic areas harbor parasites undetectable by
microscopy, but which can nevertheless be detected using molecular tools such as
PCR. Morbidity and mortality related to gestational malaria has decreased since the
introduction of intermittent preventive treatment with sulfadoxine-pyrimethamine
(IPT-SP). In the endemic area, there is a decrease in the prevalence of placental
malaria and an increase in the average weight of the newborn. Nevertheless, the
plasmodial infection in the pregnant woman persists and is not controlled. In order
to understand the causes of this persistence, I characterized the parasitic populations
of P. falciparum in Congolese pregnant women from southern Brazzaville on IPT-SP
and I analyzed their genetic profile in the peripheral blood, placental blood and
umbilical cord. The evaluation of the frequency of the plasmodial infection has
shown that the treatment correlates with a decrease in the frequency of microscopic
infections and an increase in the frequency of submicroscopic infections with a
moderate genetic diversity of P. falciparum. Age, pregnancy, and doses of SP do
not interfere with the multiplicity of infections that are similar in all three types
of blood. These results contribute to the understanding of parasite dynamics in
peripheral, placental and umbilical cord blood and circulating parasite population
in Congo.
The second part of my thesis involved the use of bioinformatic approaches to
detect regulatory variants associated with susceptibility to severe malaria.
Recent advances in sequencing technologies enable to identify an increasingly
broad spectrum of variants in the human genome. However, the identification
of regulatory variants associated with complex diseases remains a challenge, particularly for identifying functionally relevant variants in non-coding regions. We
have developed a bioinformatic method to predict regulatory variants of noncoding regions associated with a disease and acting on transcriptional regulation.
The approach is based on the integration of various elements of information collected automatically from Ensembl database, dbSNP and GWAS catalog, and on
the selection of variations that may affect regulation, by combining specialized
bioinformatics tools: analysis Regulatory Sequence Analysis Tools and ChIP-seq
(ReMap) data. To do this, we developed an analysis workflow in the R statistics
language, which invokes remote resources (Web services). The tool is designed
generically and can be adapted for the study of regulatory variants of any disease documented in the GWAS catalog. In order to facilitate its use by a biologist, the
tool automatically generates (in R markdown) an analysis report illustrated by
figures and tables. I tested the tool with an example case of severe malaria that
showed that on a set of 375 candidate variants, the tool predicts eleven potential
regulatory variants that alter the binding sites of transcription factors. Three of
these candidate variants (rs1541253, rs1541254, rs1541255) associated with the
ATP2B4 gene (plasma membrane calcium-transporting ATPase 4, encodes the main
calcium pump of erythrocytes) are being experimentally validated for their impact
on promoter activity.
La première partie de ma thèse porte sur la caractérisation expérimentale des
infections submicroscopiques à Plasmodium falciparum chez les femmes Congolaises
asymptomatiques lors de l’accouchement.
Le paludisme demeure un problème majeur de santé publique dans le monde avec
environ 219 millions de cas et 435 000 décès par an, majoritairement en Afrique
sub-saharienne (90%). Dans la zone de forte transmission, l’infection palustre se
caractérise principalement par le déclenchement d’une anémie maternelle et par la
présence de parasites dans le placenta. Une forte proportion d’individus vivant dans
des zones d’endémie palustre héberge des parasites indétectables par microscopie,
mais qui peuvent néanmoins être détectées à l’aide d’outils moléculaires tels que la
PCR. La morbi-mortalité liée au paludisme gestationnel a diminué depuis la mise en
place du traitement préventif intermittent à base de la sulfadoxine-pyriméthamine
(TPI-SP). Dans la zone endémique, on observe une baisse de la prévalence du
paludisme placentaire et l’augmentation du poids moyen du nouveau-né. Malgré
tout, l’infection plasmodiale chez la femme enceinte persiste et n’est pas maîtrisée.
Dans le but de comprendre les causes de cette persistance, j’ai caractérisé les
populations parasitaires de P. falciparum chez les femmes enceintes Congolaises
du sud de Brazzaville sous TPI-SP et j’ai analysé leur profil génétique dans le
sang périphérique, placentaire et du cordon ombilical. L’évaluation de la fréquence
de l’infection plasmodiale a montré qu’il y’a une baisse de la fréquence des infections microscopiques chez les femmes sous traitement préventif intermittent
et une augmentation de la fréquence des infections submicroscopiques avec une
diversité génétique modérée de P. falciparum. L’âge, la gravidité et les doses de
SP n’interfèrent pas avec la multiplicité des infections qui est similaire dans les
trois types de sang. Ces résultats contribuent à la compréhension de la dynamique
des parasites dans le sang périphérique, placentaire et du cordon ombilical et de la
population parasitaire en circulation au Congo.
La seconde partie de ma thèse a consisté à utiliser des approches bioinformatiques
pour détecter les variants régulateurs associés à la susceptibilité au paludisme sévère.
Les progrès récents des technologies de séquençage ont permis d’identifier un
spectre de plus en plus large de variants dans le génome humain. Cependant,
l’identification des variants régulateurs associés à des maladies complexes reste
un défi, en particulier pour identifier des variants pertinents du point de vue
fonctionnel dans des régions non-codantes. Nous avons développé une méthode
bioinformatique de prédiction des variants régulateurs des régions non-codantes
associés à une maladie et agissant sur la régulation transcriptionnelle. L’approche
repose sur l’intégration d’éléments d’informations collectées automatiquement à
partir des bases de données Ensembl, dbSNP et GWAS catalog, et sur la sélection des variations susceptibles d’affecter la régulation, en combinant des outils
bioinformatiques spécialisés : analyse de motifs (Regulatory Sequence Analysis Tools) et de données ChIP-seq (ReMap). Pour ce faire, nous avons développé un
workflow d’analyse dans le langage de statistiques R pour invoquer des ressources
à distance (Web services). L’outil est conçu de façon générique, et peut s’adapter
pour l’étude des variants régulateurs de n’importe quelle maladie documentée dans
le GWAS catalog. Afin de faciliter son utilisation par un biologiste, l’outil génère
automatiquement (en R markdown) un rapport d’analyse illustré par des figures et
tableaux. J’ai testé l’outil avec un cas d’exemple du paludisme sévère qui a montré
que sur un ensemble de 375 variants candidats, l’outil prédit 11 potentiels variants
régulateurs qui altèrent les sites de liaisons des facteurs de transcription. Trois de
ces variants candidats (rs1541253, rs1541254, rs1541255) associés au gène ATP2B4
(ATPase 4 transportant le calcium sur la membrane plasmique, code pour la pompe
de calcium principale des érythrocytes) sont en cours de validation expérimentale
pour leur impact sur l’activité du promoteur.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Licence : CC BY NC ND - Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification
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