Recherche pangénomique du lien entre la réplication de l'ADN et l'instabilité du génome au niveau de la cellule unique

Genome-wide link between DNA replication and genome instability at the single cell level

• Auteur / Autrice : Joseph Mark Josephides
• Direction : Chunlong Chen, Tatiana Popova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et génomique
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique de l'information génétique : bases fondamentales et cancer (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Leïla Perié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chunlong Chen, Tatiana Popova, Guillem Rigaill, Aura Carreira, Aurèle Piazza, Thierry Voet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillem Rigaill, Aura Carreira

Mots clés

Mots clés libres

Timing de Réplication

Génomique

Cellule Unique

Cancer

Intelligence Artificielle

Variants Structuraux

Replication Timing

Genomics

Single-Cell

Cancer

Artificial Intelligence

Structural Variants

Résumé

La réplication de l'ADN est essentielle pour les cellules, car elle permet de créer les quelque 30 000 milliards de cellules qui composent le corps humain à partir d'un seul zygote lors de l'embryogenèse. De plus, tout au long de la vie humaine, la réplication continue de l'ADN et la division cellulaire sont nécessaires pour remplacer les cellules âgées, mortes ou endommagées. Par conséquent, il est crucial que le programme de réplication de l'ADN fonctionne correctement à chaque division cellulaire. Cependant, de nombreux facteurs de stress, à la fois exogènes et endogènes, remettent régulièrement en question l'intégrité de l'ADN, ce qui entraîne une instabilité du génome. Cette instabilité est une cause majeure de cancers et d'autres maladies humaines.Malgré l'importance du stress de réplication et de l'instabilité génomique dans les cancers, nous ne comprenons pas complètement les mécanismes sous-jacents ni leurs impacts sur le génome. Au cours de la dernière décennie, d'énormes progrès ont été réalisés dans l'analyse des cellules individuelles. L'étude des variants structuraux (VS) au niveau cellulaire est devenue cruciale pour comprendre l'instabilité génomique, en particulier dans des populations cellulaires hétérogènes telles que les échantillons de tumeurs, qui ne peuvent pas être facilement obtenus par des analyses de masse. Des études récentes ont révélé une corrélation importante entre le timing de réplication et l'apparition de VS dans les cancers, montrant que de nombreux VS résultent de mécanismes liés à la réplication. Cependant, il existe un manque d'études détaillées sur les mécanismes précis, en particulier sur les liens entre réplication, transcription et VS au niveau de la cellule unique. Comprendre ces mécanismes est crucial pour lutter contre les principales maladies humaines.Pour répondre à cette question, ce projet développe et utilise de nouvelles méthodes informatiques basées sur l'intelligence artificielle. Il vise à (i) étudier directement le timing de réplication dans les cancers en analysant le nombre de copies au niveau de la cellule unique et (ii) examiner les interactions entre la réplication et les VS au niveau de la cellule unique. Les signatures des VS découvertes dans ce projet pourraient contribuer à améliorer le diagnostic et à définir de meilleures stratégies thérapeutiques. Dans l'ensemble, ce projet permet de mieux comprendre les mécanismes de la cancérogenèse et contribue à améliorer le diagnostic, le pronostic, le traitement et le suivi personnalisé des patients.

DNA replication is a vital process of cells. Besides creating the ~30 trillion cells that comprise the human body from a single zygote during embryogenesis, continuous DNA replication and cell division is necessary during the entire human lifespan to replace the old, dead or damaged cells. It is therefore essential that the DNA replication program is correctly executed at each cell division. However, large numbers of exogenous and endogenous replication stresses routinely challenge DNA integrity and lead to genome instability, which is an important cause of cancers and many other human diseases.Although replication stress and genomic instability are two important hallmarks of cancer, we lack full comprehension of the mechanisms that lead to these deregulations and the impacts they have on the genome. During the last decade, great progress has been made in analyses of individual cells. Determination of structure variations (SVs) in single cells has become an important approach to study genomic instability in heterogeneous cell populations, such as tumour samples, that cannot easily be obtained from bulk analyses. Recent studies have revealed that replication timing shows a strong association with the occurrence of SVs in cancers, and large amounts of SVs generated during tumorigenesis result from replication-associated mechanisms. However, studies addressing the direct mechanisms and, in particular, the links between replication, transcription and SVs at the single-cell level are missing. Investigating such mechanisms is critically important to address major human diseases.To address this question, this project develops and uses novel computational methods, based on artificial intelligence, to: (i) directly investigate single cell replication timing (scRT) in cancers by single-cell copy number analysis, and (ii) examine the interactions of replication and SVs at the single cell level. The SV signatures in cancers revealed in this project might help to improve the diagnosis and better define therapeutic strategies. Altogether, this project provides further understanding of the mechanisms of carcinogenesis and contributes to improving the diagnosis, prognosis, treatment and/or personalised monitoring of patients.