La méthylation de l'ADN est altérée dans les cellules nasales et sanguines des patients atteints de mucoviscidose

DNA Methylation is altered in cystic fibrosis nasal epithelial and blood cells

• Auteur / Autrice : Milena Magalhaes
• Direction : Albertina De Sario
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 23/09/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génétique de maladies rares : pathologie moléculaire, études fonctionnelles et banques de données génétiques. Inserm U 827
• Jury : Président / Présidente : Mireille Claustres
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albertina De Sario, Mireille Claustres, Thierry Bienvenu, Rémi Houlgatte, Aleksander Edelman, Michel Koenig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Bienvenu, Rémi Houlgatte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gènes modificateurs

Méthylome

Épigénétique

Mucoviscidose

Mots clés libres

Mucoviscidose

Épigénétique

Méthylation ADN

Cftr

Gènes modificateurs

Séquençage à haut débit

Cystic fibrosis

Epigenetics

DNA methylation

Cftr

Modifier genes

Next generation sequencing

Résumé

La mucoviscidose (CF) est la maladie génétique récessive létale la plus fréquente dans la population caucasienne. Elle est caractérisée par une obstruction et des infections des voies respiratoires et une inflammation chronique. La morbidité et la mortalité sont principalement dues à l'atteinte pulmonaire, qui est variable chez les patients, même lorsqu’ils sont porteurs du même génotype. Les facteurs responsables sont multiples : les mutations dans CFTR (le gène responsable de la maladie), les gènes modificateurs, mais aussi les facteurs environnementaux et les modifications épigénétiques. L'objectif principal de ce projet était de déterminer s'il y avait une corrélation entre la méthylation de l'ADN et la sévérité de l'atteinte pulmonaire chez les patients CF. Nous avons obtenu la cohorte METHYLCF (49 patients CF p.Phe508del homozygotes et 24 témoins sains) ainsi qu’une biobanque d'ADN à partir de sang total et de cellules épithéliales nasales (NEC). Les patients CF ont été stratifiés en fonction de leur VEMS, ajusté à l’âge. D’une part, nous avons analysé la méthylation de l'ADN dans CFTR plus 13 gènes modificateurs en utilisant la méthode de conversion au bisulfite et séquençage de nouvelle génération (plateforme 454 Roche). D’autre part, nous avons réalisé une analyse pan-génomique de la méthylation de l'ADN avec la plateforme 450k BeadChip (Illumina). Les sites différentiellement méthylés (DMS) sélectionnés ont été validés par pyroséquençage (PyroMark Q24, Qiagen). Deux gènes modificateurs ont été identifiés comme différentiellement méthylés chez les patients CF par rapport aux témoins: EDNRA dans le sang et HMOX1 dans le sang et dans les NEC. De façon intéressante, dans les NEC, la méthylation de EDNRA, HMOX1 et GSTM3 a été corrélée avec la sévérité de l’atteinte pulmonaire. De plus, de faibles niveaux de méthylation d'ADN dans GSTM3 ont été associés à la présence de l'allèle GSTM3*B, un polymorphisme de séquence qui a un effet protecteur chez les patients CF. Grâce à l'analyse tout-génome, nous avons identifié 1267 DMS, associés à 638 gènes, chez les patients CF par rapport aux témoins, et 187 DMS, associés à 116 gènes, chez les patients CF sévères par rapport aux modérés. Parmi ces gènes, il y a de nombreux gènes importants pour l’adhésion cellulaire et les réponses immunitaire et inflammatoire. Les DMS identifiés sont enrichis dans des régions prédites comme enhancers, pouvant représenter des séquences régulatrices, mais également en régions intergéniques. De façon intéressante, 80 gènes différentiellement méthylés sur 638 étaient différentiellement exprimés (méta-analyse de données transcriptomiques disponibles). Six sur neuf DMS sélectionnés ont été validés et cinq DMS sur six ont été répliqués dans une population indépendante. De plus, 23 DMS, dont 10 intergéniques, étaient corrélés avec le VEMS. Notre étude a montré que la méthylation de l'ADN est profondément modifiée dans le sang et dans les NEC des patients CF. Des faibles changements de méthylation de l'ADN ont été observés dans des gènes modificateurs connus ; des changements de méthylation plus importants ont été observés dans d'autres gènes qui pourraient représenter de nouveaux modificateurs de la fonction pulmonaire. Ensemble, ces gènes pourraient moduler la sévérité de l’atteinte pulmonaire chez les patients CF.

Cystic fibrosis (CF) is the most common life-threatening recessive genetic disease in the Caucasian population. It is characterized by airway obstruction, respiratory infection and inflammation. Morbidity and mortality are mainly due to lung disease, which is variable among CF patients, even for those having the same genotype. Contributing factors are mutations in CFTR (the disease-causing gene), modifier genes, but also environmental factors and epigenetics. The main goal of this project was to determine whether there was a correlation between DNA methylation and the severity of CF lung disease. We built the METHYLCF cohort (49 p.Phe508del homozygous CF patients and 24 healthy controls) and a DNA biobank from whole blood and nasal epithelial cells (NEC). CF patients were stratified accordion to their FEV1% predicted, adjusted to age. We profiled DNA methylation at 14 modifier genes using bisulfite conversion and next-generation sequencing (454 Roche). Genome-wide DNA methylation was analyzed with the 450K Beadchip (Illumina). Selected differentially methylated sites (DMS) were validated by pyrosequencing. Using the candidate modifier gene approach, we showed that two CF modifier genes were differentially methylated in CF patients compared to controls: EDNRA in blood and HMOX1 in blood and NEC. Methylation of EDNRA, HMOX1 and GSTM3 was associated with lung disease severity in NEC. Interestingly, low DNA methylation levels at GSTM3 were associated with the GSTM3*B allele, a polymorphic 3-bp deletion that has a protective effect on CF patients. In addition, through the genome-wide analysis, we identified 1267 DMS, associated with 638 genes, between CF patients and controls and 187 DMS, associated with 116 genes, between severe CF and mild CF patients. DMS were enriched at predicted enhancers, which may represent regulatory sequences, and also at intergenic regions. Gene ontology analyses highlighted cellular processes relevant to CF, i.e. cell adhesion and inflammatory and immune response. Interestingly, 80 out of 638 differentially methylated genes were differentially expressed in publicly available NEC transcriptomic data. Six out of 9 selected DMS were validated and five out of six DMS were replicated in an independent set of patients. Additionally, 23 DMS, 10 of which were intergenic, correlated with FEV1% predicted. Our study has shown that DNA methylation is altered in blood and NEC of CF patients. Small DNA methylation changes were observed at known CF modifier genes; more dramatic DNA methylation changes were found at other genes that may impact lung function. Collectively, these epigenomic variations may lead to different degrees of lung disease severity in CF patients.