Identification des altérations des circuits cellulaires dans les voies respiratoires à différents stades de la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO)

Identification of cellular circuit alterations in the airways at different stages of chronic obstructive pulmonary disease (COPD)

• Auteur / Autrice : Paola Porracciolo
• Direction : Laure-Emmanuelle Zaragosi, Simon Girel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Interactions Moléculaires et Cellulaires
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INSTITUT DE PHARMACOLOGIE MOLÉCULAIRE ET CELLULAIRE
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physiologie génomique des eucaryotes

Mots clés

Mots clés libres

Bronchopneumopathie chronique obstructive

Épithélium pulmonaire

Modélisation mathématique

Réseaux de régulation génétique

Graphes de différenciation cellulaire

Biologie des systèmes

Chronic obstructive pulmonary disease

Pulmonary epithelium

Mathematical modelling

Gene regulatory network

Cell differentiation graph

Systems biology

Résumé

La bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO), troisième cause de mortalité dans le monde avec plus de 3,2 millions de décès en 2019 (OMS), perturbe l'équilibre tissulaire dans les voies respiratoires, réduit la clairance mucociliaire et augmente considérablement le risque de cancer du poumon. L'équilibre tissulaire homéostatique des voies respiratoires implique la différenciation des cellules souches basales en cellules productrices de mucus et en cellules multiciliées dans l'épithélium des voies respiratoires, toutes deux essentielles à l'efficacité de la clairance mucociliaire et à la défense des poumons. Si les différents types de cellules des voies respiratoires sont bien documentés, la cinétique de leur différenciation n'est que partiellement comprise et il y a un manque notable de modèles mathématiques descriptifs, en particulier dans des conditions pathologiques. Pour comprendre les déterminants précoces de la BPCO, l'équipe principale a analysé 119 biopsies du nez, de la trachée et des bronches, normales et pathologiques, par séquençage de l'ARN unicellulaire, avec l'unité de pneumologie du CHU de Nice. Cela a permis d'obtenir un atlas de cellules uniques des voies aériennes humaines à des stades précoces de la BPCO, qui sera exploité dans le cadre de ce projet de doctorat. Mon objectif est de prédire les conséquences de toute modification détectée dans notre atlas sur la différenciation cellulaire. Pour ce faire, mon premier objectif comporte trois étapes clés : (1) modéliser les réseaux de régulation génétique qui contrôlent la cinétique de la différenciation épithéliale ; (2) construire le graphe de la différenciation cellulaire ; (3) déduire l'évolution temporelle des transitions. Le modèle, exprimé en équations différentielles ordinaires, suivra la différenciation cellulaire au fil du temps et modélisera l'activité du réseau de régulation génique sous-jacent. Je testerai et validerai le modèle en utilisant des données produites par l'équipe principale, dans lesquelles des régulateurs connus de la différenciation ont été perturbés. J'utiliserai ensuite le modèle pour prédire les effets de l'invalidation de gènes candidats sur le réseau de gènes et la composition cellulaire. Ces gènes ont été sélectionnés pour leur rôle potentiel dans le déséquilibre tissulaire de la BPCO, mais d'autres outils sont nécessaires pour les valider avant de mener des études fonctionnelles. La BPCO affecte la chronologie de la synthèse et de la différenciation des types cellulaires, et le tabagisme est l'une des principales causes de la BPCO. La fumée de cigarette contient des substances chimiques nocives qui peuvent perturber la réplication et la réparation de l'ADN, provoquant des mutations non corrigées. Ces changements génétiques peuvent entraîner un risque accru de cancer et une altération des fonctions cellulaires. Sur la base de ces prémisses, mon deuxième objectif est d'identifier des signatures génétiques chez les patients atteints de BPCO en mesurant l'étendue des mutations de l'ADN. Les cellules présentant des niveaux élevés de mutations de l'ADN peuvent identifier les cellules sensibles à une étape précoce de bifurcation vers une maladie plus grave, et j'analyserai leurs profils d'expression génique pour identifier les gènes pilotes précoces. Mon projet mettra en œuvre un outil de médecine moléculaire pour détecter plus tôt les cellules les plus susceptibles de se transformer en évaluant le niveau de ''mutabilité'' basé sur le génome. Ce projet de doctorat multi-omique fortement orienté rassemble des informations transcriptomiques et génomiques dans un contexte clinique pertinent. L'importance de ces résultats sera étendue à d'autres maladies respiratoires, telles que l'asthme.

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD), the third leading global cause of death, with over 3.2 million deaths in 2019 (WHO), disrupts tissue balance in the airways, reduces mucociliary clearance, and significantly raises lung cancer risk. The homeostatic tissue balance in the airways involves the differentiation of basal stem cells into mucus-producing and multiciliated cells in the airway epithelium, both crucial for effective mucociliary clearance and lung defense. While the various airway cell types are well-documented, the kinetics of their differentiation are only partially understood, and there is a notable lack of descriptive mathematical models, especially under pathological conditions. To understand early COPD determinants, the main team has analyzed 119 biopsies from the normal and pathological nose, trachea, and bronchi by single-cell RNA sequencing, with the pneumology unit of Nice University Hospital. This resulted in a human airway single-cell atlas at early-stages of COPD, which will be exploited in this Ph.D. project. My aim is to predict consequences of any modification detected in our atlas on cell differentiation. To do that, my first objective involves three key steps: (1) model the gene regulatory networks that control the kinetics of epithelial differentiation; (2) construct the cell differentiation graph; (3) infer the time course of transitions. The model, expressed in ordinary differential equations, will track cell differentiation over time and model the activity of the underlying gene regulatory network. I will test and validate the model by using data produced by the main team, in which known regulators of differentiation have been disrupted. I will then use the model to predict the effects of candidate gene invalidation on the gene network and cellular composition. These genes were selected for their potential role in tissue imbalance in COPD, yet further tools are needed for their validation before conducting functional studies. COPD affects the time course of cell type synthesis and differentiation, and smoking is a primary cause of COPD. Cigarette smoke contains harmful chemicals that can disrupt DNA replication and repair, causing uncorrected mutations. A proxy to measure these modifications can be found in the DNA, in which these alterations can be detected at earlier stages, at a single-cell resolution. These genetic changes can result in increased cancer risk and impaired cellular functions. Based on these premises, my second objective is to identify genetic signatures in COPD patients by measuring the extent of DNA mutations. Cells with high levels of mutations may pinpoint susceptible cells at an early step of bifurcation toward more severe disease, and I will analyze their gene expression profiles to identify early driver genes. My project will implement a molecular medicine tool to detect, at earlier times, cells that are most likely to transform by assessing the level of “mutability” based on the genome. This strongly oriented multi-omics Ph.D. project puts together transcriptomic and genomic information in a clinically relevant context. The significance of these results will be extended to other respiratory diseases, such as asthma.