Etude bioinformatique de l’épigénome au cours de la différenciation des lymphocytes T et des leucémies - Aix-Marseille Université Access content directly
Theses Year : 2016

Bioinformatic study of the epigenome during T cell differentiation and leukemia

Etude bioinformatique de l’épigénome au cours de la différenciation des lymphocytes T et des leucémies

Abstract

High throughput genomic analyses have changed our understanding of genome organization. In particular, recent studies indicate that at least 70% of the human genome is transcribed into a myriad of both coding and non-coding RNAs. Among the non-coding RNA classes are the less well characterized long non-coding RNAs (or LncRNAs). Although the function of the vast majority of this LncRNAs remains largely unexplored, it appears these transcripts play an important role in many physiological processes, such as epigenetic regulation of gene expression or the processing of messenger RNAs. In addition, several recent studies indicate their involvement in numerous human diseases. However, it is difficult to distinguish between a functional role and the reflection of a regulatory sequence. Indeed, very often LncRNAs are produced from the regulatory sequences of coding genes. Nevertheless, at the beginning of my thesis I used RNA-Seq data to identify divergent transcripts in mouse primary tissues. I also used the ChIP-Seq data to analyze their epigenetic characteristics. The results demonstrated that divergent transcription was significantly associated with genes related to transcription regulation and development. These promoters have unique genetic and epigenetic characteristics. The results strongly suggest a functional link between the divergent transcription and regulation of genes coding for transcription factors and development, thus illustrating an additional mechanism to refine gene expression. This study resulted in a publication of which I am joint-first author. (Lepoivre, Belhocine et al. BMC Genomics 2013) In a second phase, I was interested in the LncRNAs identification and characterization during the development of human T lymphocytes and in T acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). First, I have identified new non-annotated LncRNAs and defined their genomic structures using the public databases. After completing the LncRNAs catalogue with this LncRNAs newly identified, I applied statistical approaches to quantify their expression and identify those that are regulated in a normal or leukemic context using high throughput sequencing data public or produced in the laboratory. Subsequently, I determined the most appropriate approach to prioritize the functional role of LncRNAs. Indeed, current approaches which assign functional roles to LncRNAs based on the role of their neighbors or coregulated genes (guilt by association) are not satisfactory. So I suggested that the epigenomic data, in particular, qualitative information, could identify the key LncRNAs involved in a normal biological versus a pathological context. This hypothesis is based on observations made by the laboratory and developed during my thesis. Indeed, we identified a direct link between a particular epigenomic profile (extended profiles of H3K4me2/3) and gene function. This concept was experimentally validated by other laboratories. During my thesis, I focused on studying the molecular mechanism behind this epigenomic marking and developed a bioinformatics pipeline to identify genes (coding or non-coding) associated with the extended profiles of H3K4me2/3. Evidence generated through the pipeline demonstrated that these extended profiles were directly dependent on specific transcriptional process involving new regulatory mechanisms. This study also gave rise to a publication of which I am joint-first author. (Zacarias, Belhocine et al. Journal of Immunology 2015). Consequently, during the last part of my thesis, I compared the expression (RNA-seq) and epigenomic (ChIP-seq) data of developing human T cells to that of T acute lymphoblastic leukemia (LAL-T) to identify LncRNAs associated with deregulation and with an extended H3K4me2/3 profile. This approach prioritized LncRNAs that would have the highest probability of playing a role in T cell development and / or in leukemogenesis. These bioinformatics analyses allowed us to select promising candidates that are currently undergoing experimental validation (manuscript in preparation). In conclusion, this body of work has resulted in a more comprehensive approach to determining the true functional role of LncRNAs in both normal biological context and in human disease.
Les analyses génomiques à grande échelle ont modifié notre compréhension de l’organisation du génome. En particulier, des études récentes ont mis en évidence qu’au moins 70% du génome humain est transcrit et produit une myriade d’ARN non codants. Parmi eux des classes d’ARN moins bien caractérisées, les longs ARN non codants (ou lncRNA). Bien que la fonction de la grande majorité des lncRNA reste largement inexplorée, il semble que ces transcrits jouent un rôle important dans plusieurs processus physiologiques, telles que la régulation épigénétique de l’expression génique ou la maturation des ARN messagers. De plus, plusieurs travaux récents indiquent qu’ils seraient impliqués dans le développement de pathologies humaines. Cependant, il est difficile de distinguer entre un rôle fonctionnel ou le fait qu'ils soient le reflet d'une séquence régulatrice. En effet, très souvent ils sont produits à partir des séquences régulatrices des gènes codants. Néanmoins, au début de ma thèse j’ai utilisé des données de RNA-Seq sens-spécifique pour identifier les transcrits divergents dans les tissus primaires de souris. J’ai utilisé aussi des données ChIP-Seq afin d’analyser leurs caractéristiques épigénétiques. Nous avons trouvé que la transcription divergente est associée de manière significative à des gènes liés à la régulation de la transcription et le développement. Ces promoteurs présentent des caractéristiques génétiques et épigénétiques uniques. Ces résultats suggèrent fortement un lien fonctionnel entre la transcription divergente et la régulation des gènes codant pour des facteurs de transcription et de développement et ainsi pourraient illustrer un mécanisme supplémentaire pour affiner l'expression des gènes. Cette étude a donné lieu à une publication dont je suis cosignataire en premier auteur. (Lepoivre, Belhocine et al. BMC Genomics 2013) Dans un deuxième temps, je me suis intéressé à l'identification et la caractérisation des lncRNA au cours du développement des lymphocytes T humains et dans les leucémies aigues lymphoblastiques T (LAL-T). Tout d’abord, j’ai identifié des nouveaux lncRNA non annotés dans les bases de données disponibles et défini leurs structures génomiques. Ensuite, et après avoir complété les bases d'annotation avec ses nouveaux lncRNA, j’ai appliqué des approches statistiques pour quantifier leur expression et identifier ceux qui sont (dé)régulés dans un contexte normal ou leucémique en utilisant des données de séquençage à haut débit directionnelles publiques ou produites dans le laboratoire. Dans un troisième temps, je me suis interrogé sur les approches les mieux adaptées permettant de prioritiser les lncRNA ayant un rôle fonctionnelle. En effet, les approches actuelles qui consistent à attribuer un rôle aux lncRNA en fonction des gènes voisins ou co-régulés (culpabilité par association) ne sont pas satisfaisantes. Ainsi j’ai émis l’hypothèse que les données épigénomiques, en particulier les informations qualitatives, pourraient permettre d'identifier les lncRNA les plus relevant dans un contexte biologique normal ou pathologique. Cette hypothèse est basée sur des observations réalisées par le laboratoire et développées au cours de ma thèse. En effet, nous avons relevés un lien direct entre un profil épigénomique particulier (profils H3K4me2/3 élargis) et la fonction des gènes. Ce concept a été récemment repris et validé expérimentalement par d’autres laboratoires. Au cours de ma thèse, je me suis attaché à étudier le mécanisme moléculaire à l'origine de ce marquage épigénomique ainsi qu'à développer un pipeline bioinformatique permettant d'identifier les gènes (codant ou non codant) associés à des profils H3K4me2/3 étendus. Ainsi, j’ai mis en évidences que ces profils étendus étaient directement dépendants d'un processus transcriptionnel impliquant des nouveaux mécanismes de régulation. Cette étude a donné aussi lieu à une publication dont je suis cosignataire en premier auteur. (Zacarias, Belhocine et al. Journal of Immunology 2015). En conséquence, durant la dernière partie de ma thèse, j’ai combiné les données d'expression (RNA-seq) et épigénomique (ChIP-seq) au cours du développement des lymphocytes T humains et dans les LAL-T afin d'identifier les lncRNA dérégulés et associés à un profil H3K4me2/3 étendu et ainsi prioritiser les lncRNA qui auraient la plus forte probabilité de jouer un rôle dans le développement T et/ou dans la leucémogenèse. Ces analyses bioinformatiques nous ont permis de sélectionner certains candidats très prometteurs qui font actuellement l’objet d’une validation expérimentale. Ces résultats font l’objet d’un manuscrit en préparation. Cette nouvelle approche devrait s'avérer très utile dans d'autres modèles développementaux et/ou pathologiques et pourrait être utilisée comme outil de prioritisation des candidats les plus relevant dans des approches plus globales.
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  • HAL Id : tel-04529369 , version 1

Cite

Mohamed Belhocine. Etude bioinformatique de l’épigénome au cours de la différenciation des lymphocytes T et des leucémies. Sciences du Vivant [q-bio]. Aix-Marseille Université, 2016. Français. ⟨NNT : 2016AIXM4095⟩. ⟨tel-04529369⟩

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