Découverte et caractérisation d'éléments transposables spécifiques de la tumeur comme potentiels nouveaux biomarqueurs

Discovery and characterization of tumor specific transposable elements as novel potential bio-markers

• Auteur / Autrice : Pierre-Emmanuel Bonté
• Direction : Sebastian Amigorena
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 11/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Immunité et cancer (Paris ; 2009)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Etchebest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickaël Ménager, Joshua Waterfall
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gaël Cristofari, Julie Dechanet-Merville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marqueurs biologiques

Transposons

Cancer

Mots clés libres

Éléments transposables

Bioinformatique

Immunologie

Immunothérapie

Cancer

Épuisement

Omique

Single cell

Épigénétique

Transcriptomique

Transposable elements

Bioinformatics

Immunology

Immunotherapy

Cancer

Exhaustion

Omics

Single cell

Epigenetics

Transcriptomics

Résumé

Les éléments transposables (ETs) sont des séquences mobiles d'ADN répétées qui constituent jusqu'à 50% du génome des mammifères. Autrefois considérés comme de l'ADN « poubelle », leur rôle dans divers processus est de plus en plus étudié et compris, notamment dans la régulation du transcriptome et les réarrangements chromosomiques. Leur transcription est épigénétiquement réprimée dans les cellules adultes mais active pendant le développement embryonnaire, dans les cellules souches et dans les tumeurs. La dérépression et la réactivation des ETs dans les cellules cancéreuses est liée à une hypométhylation globale du génome. Cette expression caractéristique des ETs dans les cancers en font des cibles intéressantes dans les immunothérapies. L'objectif principal de ma thèse est de caractériser des signatures spécifiques d''ETs dans les populations cellulaires du micro-environnement tumorale grâce à des analyses omiques. Tout d'abord, nous avons étudié l'expression des ETs dans les cellules tumorales. Pour ce faire, en utilisant des données de single cell RNA-seq de patients atteints de glioblastome, nous avons quantifié l'expression des ETs dans 7 populations cellulaires du microenvironnement tumoral et identifié une signature d'ETs différentiellement exprimés dans les cellules tumorales par rapport aux autres cellules. L'analyse de données bulkRNA-seq de tissus normaux et de tumeurs a permis de valider cette signature. Ensuite, nous avons effectué des analyses d'immunopeptidomiques pour évaluer si ces ETs pouvaient coder pour des peptides présentés à la surface des cellules tumorales par les molécules HLA-I, déclenchant ainsi une réponse anti-tumorale par les lymphocytes T. Ces analyses ont identifié des centaines de peptides dérivés d'ETs, dont beaucoup sont encodés par des ETs de jeunes sous-familles de LINE-1, LTR et SVA, avec, dans certains cas, des milliers de copies codant pour un seul peptide. En revanche, d'autres peptides sont exclusivement codés par des ETs uniques et dégénérés issus d'anciennes sous-familles. Ces ETs sont fortement exprimés dans les glioblastomes et faiblement exprimés dans les tissus normaux, ce qui souligne leur potentiel intérêt en tant que cibles dans les immunothérapies. La seconde partie de ma thèse a porté sur l'expression des ETs dans les lymphocytes T infiltrant la tumeur (TILs). Ces cellules subissent un processus d'épuisement lors d'infections chroniques ou dans les cancers, conduisant à leur état dysfonctionnel. Des études récentes montrent que les régulations épigénétiques joue un rôle dans ce processus d'épuisement. Du fait que les ETs sont contrôlés épigénétiquement, nous nous sommes intéressés à leur expression pendant ce processus d'épuisement. Pour ce faire, nous avons quantifié l'expression des ETs dans des données transcriptomiques de TILs. Ces analyses ont identifié VL30, une famille de jeunes ERV1, comme fortement réprimée dans lymphocytes T épuisées. Nous avons confirmé que cette répression des VL30 est liée à l'épuisement en analysant des données d'infection chronique par LCMV. Ces VL30 exprimés dans les progéniteurs des cellules épuisées se situent principalement dans des régions intergéniques et sont transcrits indépendamment de leur gène le plus proche. L'analyse de données épigénomiques montre que les VL30 sont préférentiellement situés dans des régions transcriptionnellement actives. De plus, à la fois chez la souris et chez les patients atteints de cancer, l'expression des ETs augmente après traitement par les inhibiteurs de point de contrôles immunitaires, indiquant qu'ils peuvent être utilisés comme biomarqueurs pour la réponse au traitement. Dans l'ensemble, ces résultats montrent que les ETs permettent de définir des signatures et des biomarqueurs spécifiques. À l'instar des gènes, les ETs peuvent être utilisés pour distinguer les populations cellulaires, soulignant leur importance pour mieux comprendre l'identité et l'hétérogénéité des différents types cellulaires.

Transposable elements (TEs) are mobile repeated DNA sequences which constitutes up to 50% of mammalian genomes. Previously considered as ''junk DNA'', recent advances in genomic research have revealed their critical role in various processes, including transcriptome regulation and chromosomal rearrangements. To mitigate their potential deleterious effects, most TEs are epigenetically repressed in adult cells, but their transcription is more active during embryonic development, in stem cells, and intriguingly, in tumors. This de-repression in tumors is due to a global hypomethylation of the genome during cancer development leading to reactivation of these elements. This specific expression of TEs in tumors makes them interesting targets for cancer immunotherapies. The main aim of my PhD project was to characterize specific transposable elements signatures in tumor cell populations through various omics analyses. First, the analysis focused on TE expression in tumor cells. Using a human single cell RNA-seq dataset of glioblastoma patients, we quantified TE expression in 7 cell populations from the brain tumor microenvironment. Statistical analyses identified several thousands of individual TE copies differentially expressed in tumor cells compared to other cell populations. Higher expression of these TEs in tumor cells was validated using bulk RNA-seq cohorts from healthy tissues and tumor samples. To assess whether these TEs could code for peptides presented by HLA-I molecules at the cell surface of tumor cells, and thus, trigger an anti-tumoral response by T cells, we performed immunopeptidomics analyses and identified hundreds of TE-derived peptides. Many of these peptides are encoded by recent LINE-1, LTR, and SVA subfamilies with, in some instances, thousands of conserved copies from these subfamilies coding for one peptide. In contrast, other HLA-I-bound peptides are encoded by unique degenerated copies from old TE subfamilies. These TEs are highly expressed in GBM tumors and lowly expressed in normal tissues which highlight their potential benefit as tumor-specific target for cancer immunotherapies. In the second part of my PhD project, we studied TE expression in tumor infiltrating lymphocytes (TILs) which, upon persistent stimulations by the tumor microenvironment or chronic infections, undergo exhaustion, resulting in their dysfunctional state. Recent studies show that epigenetic programming plays a major role in the establishment and development of exhaustion. As TEs are epigenetically regulated, we sought to study their expression upon exhaustion in TILs. To achieve this, we first quantified TE expression in transcriptomics data of TILs in mice. This analysis revealed VL30, a specific family of young ERV1, to be strongly repressed in exhausted T cells. We validated VL30 repression is linked to the exhaustion process using LCMV chronic infection, another model of exhaustion. VL30 TEs expressed in progenitor exhausted CD8+ T cells are mostly located in intergenic regions and transcribed independently of their closest gene. Epigenomics analyses show that VL30 TEs are preferentially located in open and H3K27ac-enriched regions. Moreover, in both mice and cancer patients, TE expression increases upon immune checkpoint blockade indicating that they can be used as response biomarkers. Altogether, these results show that TE analysis can open new ways of defining distinct signatures and biomarkers. As genes, TEs can be used to distinguish cell populations as well as cell states, highlighting their importance to better understand cell population identity and heterogeneity.