Applying Systems Biology and Multi-layered Profiling Towards a Comprehensive Understanding of Cell Aging
Application de la biologie systémique et du profilage multicouche pour une compréhension globale du vieillissement cellulaire
par Jose Americo NABUCO LEVA FERREIRA DE FREITAS sous la direction de Oliver BISCHOF et de Benno SCHWIKOWSKI
Thèse de doctorat en Biologie cellulaire et moléculaire
ED 562 Bio Sorbonne Paris Cité

Soutenue le jeudi 17 septembre 2020 à Université de Paris (2019-....)

Sujets
  • Biologie systémique
  • Métabolomique
  • Méthylome
  • Mort cellulaire
  • Vieillissement

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Description en français
Mots clés
Sénescence cellulaire, Épigénomique, Transcriptomique
Resumé
La sénescence cellulaire (SC) qui correspond à un destin cellulaire est caractérisée par un arrêt stable de son cycle dont les cellules présentent un dysfonctionnement. La SC joue un rôle complexe dans la physiologie et la physio-pathologie. Les cellules sénescentes sont extrêmement impliquées dans la suppression de tumeurs, le développement embryonnaire et la cicatrisation des plaies, mais aussi dans de nombreuses pathologies liées à l'âge, y compris, paradoxalement, dans le développement de tumeurs. Mon travail de thèse représente une analyse exhaustive, en temps différé, des différentes couches de l'épigénome, du transcriptome et du métabolome des cellules qui entrent en SC. Il est divisé en trois sous-projets.Tout d'abord, j'ai étudié la dynamique de la liaison des facteurs de transcription(FT) aux activateurs dans la sénescence induite par oncogène (SIO). Les facteurs de transcription s'organisent en un réseau hiérarchisé, les "pioneers" façonnant le paysage des activateurs en recrutant des "settlers" et des "migrants" pour affiner la régulation de l'expression des gènes. Plus précisément, j'ai découvert que les membres de la famille des AP1 précèdent la majorité des autres FT, amorçant la chromatine afin d'initier et coordonner la réponse transcriptionnelle de la SC.Ensuite, j'ai effectué une analyse approfondie des changements métaboliques associés à la SC, en intégrant les résultats de fibroblastes qui entrent en sénescence réplicative, induite par oncogènes et par dommages à l'ADN, en parallèle d'une caractérisation de la SIO dans les myoblastes primaires. J'ai identifié plusieurs métabolites qui s'accumulent ou diminuent dans les cellules sénescentes. Ceux-ci sont associés à des modifications post-traductionnelles, à la synthèse des protéines, àla biosynthèse et à l'oxydation des lipides, ainsi qu'à la production d'énergie. En particulier, l'alpha-cétoglutarate (aKG) et l'uridine diphosphate N-acétylglucosamine(UDP-GlcNAc) agissent comme des substrats pour les modificateurs de la chroma-tine, ce qui suggère un implication dans la régulation des gènes.Troisièmement, j'ai défini un modèle mathématique décrivant l'évolution tran-scriptionnelle des cellules entrant en SIO. J'ai généré ce modèle en me servant de l'algorithme Sparse Identification of Nonlinear Dynamics (SINDy) dans unenvironnement de calcul haute performance. J'ai validé le modèle avec des données de transcriptomiques provenant des expériences d'inhibition de JUN et RELA. Lorsde l'inhibition de JUN, un membre de la famille des AP1, la simulation du modèle s'est davantage rapprochée de la sénescence cellulaire que de RELA. Ce qui suggère que le rang des FT dans la hiérarchie de la liaison à la chromatine pourrait être déterminée par la prévisibilité de sa réponse transcriptionnelle.Dans son ensemble, mon analyse intégrative permet une meilleure compréhension de la SC et possède le potentiel de révéler des vulnérabilités jusqu'alors inconnues des cellules sénescentes et qui pourraient être utilisées en vue de traiter le cancer et les maladies liées à l'âge, favorisant ainsi une plus longue et meilleure qualité de vie.