Utilisation de technologies d'édition du génome afin de générer des cardiomyocytes matures à partir de cellules souches pluripotentes humaines induites

Genome Editing To Generate Mature Human Inducedpluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes

• Auteur / Autrice : Ahmed Khedher
• Direction : Carine Giovannangeli, Jean-Paul Condorcet, Jean-Michel Itier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 19/01/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cancérologie, Biologie, Médecine, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de structure et instabilité des génomes (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté de médecine (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Sanofi (2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Onnik Agbulut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albano Carlo Meli, Patricia Lemarchand, Ana-María Gómez García, Nathalie Gaborit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Albano Carlo Meli, Patricia Lemarchand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules souches pluripotentes induites

Dissertation universitaire

Édition de gène

CRISPR-Cas9

Cardiomyocytes

Mots clés libres

Édition du génome

Cellules souches pluripotentes humaines induites

Cardiomyocytes

Maturation

Kcnj2

Casq2

Genome editing

Human induced pluripotent stem cell

Cardiomyocytes

Maturation

Kcnj2

Casq2

Résumé

Les cardiomyocytes dérivés des cellules souches pluripotentes humaines induites (hiPSC-CMs) représentent des modèles in vitro prometteurs pour plusieurs applications scientifiques et thérapeutiques allant de la modélisation de pathologies à la découverte de médicaments et de la toxicologie prédictive à la médecine régénérative. Malgré les nombreux progrès dans ce domaine, les protocoles de différenciation actuels ne permettent pas d’atteindre le stade de maturité que l’on retrouve chez le myocarde adulte de l’Homme. En effet, certaines caractéristiques majeures des hiPSC-CMs demeurent similaires à celles de cardiomyocytes fœtaux telles que l’expression de plusieurs gènes cardiaques, l’électrophysiologie ou leur fonction contractile. En effet, des analyses transcriptomiques réalisés au sein de notre laboratoire à Sanofi ont révélé que les gènes KCNJ2 et CASQ2, impliqués respectivement dans l’électrophysiologie et la gestion du calcium, étaient sous-exprimés dans les hiPSC-CMs en comparaison aux cardiomyocytes adultes. Cette thèse avait pour objectif d’améliorer la maturation des hiPSC-CMs en utilisant des technologies d’édition du génome. Ainsi, nous avons généré des lignées stables de hiPSC-CMs qui expriment de manière inductible KCNJ2 ou CASQ2 ou les deux gènes simultanément puis nous avons examiné leurs phénotypes fonctionnels et électrophysiologiques par le biais de méthodes d’analyses complémentaires. A la suite à l’induction de l’expression de KCNJ2 et CASQ2 par la doxycycline, les hiPSC-CMs montraient des bénéfices phénotypiques tels que la diminution drastique de la fréquence des battements spontanés, une hyperpolarisation du potentiel de repos membranaire, la diminution de la durée du potentiel d’action et l’amélioration du flux de calcium transitoire. En plus de ces bénéfices attendus, l’expression concomitante de ces deux gènes a amélioré la pente de la pointe du potentiel de champ extracellulaire associée au courant sodique ainsi que la gestion du calcium. Nous avons ensuite évalué le bénéfice de l’expression de ces transgènes sur la toxicologie prédictive en testant des molécules agonistes ou antagonistes de canaux ioniques utilisées classiquement dans le cadre des essais précliniques de toxicité cardiaque. Nous avons notamment observé plus d’arythmies induites par l’E4031 avec les hiPSC-CMs exprimant conjointement KCNJ2 et CASQ2 par rapport aux cardiomyocytes contrôles. Ainsi, les hiPSC-CMs exprimant simultanément KCNJ2 et CASQ2 présentent un phénotype plus mature que les hiPSC-CMs natifs et de tels cardiomyocytes édités génétiquement peuvent être utiles pour l’évaluation de la toxicité cardiaque de nouveaux médicaments candidats.

Human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) are a very promising model for several scientific and therapeutic applications ranging from disease modeling to drug discovery, and from predictive toxicology to regenerative medicine. Despite numerous efforts, current protocols do not yet lead to a maturation phenotype equivalent to adult human myocardium. Indeed, key features of hiPSC-CMs remaining closer to fetal stages of development, such as gene expression, electrophysiology and function. Transcriptome analysis performed at Sanofi have confirmed these findings at the genome-wide level. Indeed, KCNJ2 and CASQ2 which are implicated in the two major physiological characteristics of cardiac cells, their electrophysiological behavior and calcium handling, respectively, were expressed at very low levels in hiPSC-CMs in comparison with adult cardiomyocytes. This thesis aimed to improve the maturation of hiPSC-CMs by using genome editing technologies. We generated stable hiPSC-CMs with inducible expression of KCNJ2, or CASQ2 or both genes (KCNJ2-CASQ2 hiPSC-CMs) and studied their functional and electrophysiological phenotype by several complementary methods. Upon doxycycline induction of KCNJ2 and CASQ2, KCNJ2-CASQ2 hiPSC-CMs displayed phenotypic benefits expected from previous studies of each maturation gene, including a drastic reduction of spontaneous beating, hyperpolarized resting membrane potential, shortened action potential duration and enhanced calcium transients. In addition, co-expression of the two genes enhanced Na+ spike slope of extracellular field potential and Ca2+ handling. We tested four reference drugs and observed signatures of known cardiac effects in KCNJ2-CASQ2 hiPSC-CMs, including arrhythmias induced by QT prolonging drug (E-4031), which were more easily detected than in control hiPSC-CMs. Therefore, KCNJ2-CASQ2 hiPSC-CMs exhibited a more mature phenotype than hiPSC-CMs and such genetically engineered hiPSC-CMs could be useful for testing cardiac toxicity of novel candidate drugs.