Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Édition de gènes“

In vivo gene editing has been achieved in a phase I clinical trial and results in a strong reduction of the level of a pathogenic protein. While preliminary, these results open the way for many applications in gene therapy.

Les dystrophies musculaires sont un ensemble de pathologies musculaires rares, caractérisées par une faiblesse et une dégénérescence progressive du muscle. Ce sont des maladies d’origine génétique causées par la mutation d’un ou de plusieurs gènes impliqués dans les fonctions musculaires. Malgré des progrès significatifs réalisés dans le champ des biothérapies au cours des dernières années, il n’existe pas, à ce jour, de traitement curatif disponible pour ces pathologies. Les études menées depuis la découverte de l’outil d’édition génomique CRISPR-Cas9 ont néanmoins permis des avancées significatives et prometteuses dans le traitement des dystrophies musculaires. Le système CRISPR-Cas9 permet une édition stable et permanente du génome et doit permettre d’éviter les traitements longs et répétitifs. Dans cette revue, nous aborderons les dernières avancées thérapeutiques utilisant le système CRISPR-Cas9 dans le cadre des dystrophies musculaires d’origine génétique.

Le poisson-zèbre est devenu un modèle d’étude du cancer de plus en plus répandu au cours des dernières décennies. Alors que la plupart de ces modèles sont générés par l'expression d'oncogènes de mammifères sous des promoteurs tissulaires spécifiques, nous décrivons ici une méthode qui permet un contrôle optique précis de l'activation ou d’inactivation de l’expression de gènes, in vivo, chez le poisson-zèbre. Ainsi, cette méthode permet l’induction de phénotypes tumoraux par l’activation de l’expression constitutive d’un oncogène humain typique, KRASG12V, dans des tissus et des cellules individuelles sélectionnées sans promoteurs tissus-spécifiques, et ce, dans les embryons de poisson-zèbre. Nous démontrons également le contrôle optique de l'expression des oncogènes KRASG12V, CMYC et BRAFV600E ainsi que le contrôle de l’expression et de l’activité du système CRISPR-Cas9. En outre, il convient de noter que la manipulation précise de l'expression des gènes est essentielle pour comprendre la plupart des processus biologiques. De ce fait, notre travail présente une nouvelle approche dont l’objectif est d’initier et d’étudier le cancer chez le poisson-zèbre. De plus, la haute résolution spatio-temporelle de cette méthode en fait un outil précieux pour étudier l'initiation du cancer à partir de cellules uniques
The zebrafish has become an increasingly popular and valuable cancer model over the past decades. While most of these models are generated by expressing mammalian oncogenes under tissue-specific promoters, here we describe a method that allows for the precise optical control of oncogene expression or inactivation in live zebrafish. Thus, this technique allows for the induction of tumor phenotypes by activating the constitutive expression of a typical human oncogene, KRASG12V, in selected tissues and single cells without tissue-specific promoters in live zebrafish. We also demonstrate the optical control of oncogene expression as KRASG12V, CMYC and BRAFV600E as well as the control of the expression and the activity of the CRISPR-Cas9 system. In addition, it should be noted that accurate manipulation of gene expression is essential to understand most biological processes. Therefore, our work presents a novel approach to initiate and study cancer in zebrafish. Finally, it is also worth noting that the high spatio-temporal resolution of this method makes it a valuable tool for studying cancer initiation from single cells

La méthylation de l’ADN est une modification épigénétique sur les cytosines des dinucléotides CpG catalysée par les enzymes DNMT. Les cellules cancéreuses présentent des hyperméthylations aberrantes sur les promoteurs de gènes dits suppresseurs de tumeurs, ce qui contribue à leur répression transcriptionnelle et favorise la progression tumorale. De par sa nature réversible, la méthylation de l’ADN est une cible de choix pour des thérapies épigénétiques ; cependant, les inhibiteurs de DNMT ont une action de déméthylation globale du génome qui conduit à une forte toxicité. Mon travail a consisté à développer des stratégies de déméthylation ciblée sur des régions spécifiques du génome. Premièrement, j’ai validé une stratégie induisant une reprogrammation épigénétique spécifique et durable du gène suppresseur de tumeurs SERPINB5 dans des cellules de cancer du sein. Deuxièmement, j’ai optimisé des stratégies d'édition de l’épigénome comme outil en recherche fondamentale
DNA methylation takes place on cytosines of CpG dinucleotides in mammals and is catalysed by DNMT enzymes. Cancer cells are characterised by frequent promoter hypermethylation leading to transcriptional repression of tumor suppressor genes and favouring tumor progression. Because of its reversible nature, DNA methylation is a target of choice in epigenetic therapies. However, current DNMT inhibitors act in a global and non-specific manner, leading to side effects and toxicity in normal cells. During my thesis I have developed strategies to perform targeted demethylation in specific regions of the genome without affecting global methylation. First, I have validated a strategy inducing the specific and durable epigenetic reprogramming of the tumor suppressor gene SERPINB5 in a breast cancer cell line, which can pave the way to further biomedical research. Second, I have optimised epigenome editing strategies as a regular tool in basic research

Cichorium intybus, communément nommée chicorée est une plante qui fut, dans un premier temps, consommée pour ses vertus thérapeutiques, puis sa culture s’est peu à peu industrialisée pour la production de substitut du café et la production d’inuline. Chez la chicorée, par une approche de génétique inverse, 2 gènes nommées CiSHT1 et CiSHT2, proches des Spermidine hydroxycinnamoyl transférases (SHTs), ont été identifiés et semblent impliqués dans la voie de biosynthèse de la tetracoumaroyl spermine au niveau du tapetum des anthères de chicorée. L’expression de ces deux gènes et l’accumulation de tetrahydroxycinnamoyl spermine semblent spécifiques des plantes appartenant à la famille des Astéracées, mais le rôle de ces molécules est encore inexpliqué. Dans le but de valider la fonction de ces deux gènes, la technologie d’édition du génome : CRISPR/Cas 9 a été mise en place chez la chicorée. La validation de cette technologie a été réalisée grâce à la mutation de la phytoène désaturase (CiPDS) via deux techniques de transformation, la transformation stable par A. rhizogenes et la transformation transitoire de protoplastes médiée par le polyéthylène glycol. La transformation stable médiée par A. rhizogenes étant plus efficace et la régénération de plantes plus rapide, elle a été utilisée pour générer des plantes mutantes sht1 et sht2. L’étude de ces mutants a permis de valider l’implication de ces deux gènes dans la production de tetracoumaroyl spermine chez la chicorée et de montrer l’action combinée et séquentielle des deux enzymes. La production de cette molécule en systèmes homologue et hétérologues ainsi qu’une étude plus approfondie des mutants permettra peut-être de faciliter la compréhension de l’accumulation originale de cette molécule au niveau du grain de pollen, ainsi que de la valoriser à des fins thérapeutiques. De plus, la mise en place et la maitrise de la technologie CRISPR/Cas 9 chez la chicorée permettra d’étudier et d’améliorer rapidement de nombreux caractères chez cette plante cultivée
Cichorium intybus, commonly known as chicory, is a plant that was first consumed for its therapeutic properties, then its cultivation was gradually industrialized for the production of coffee substitute and inulin production. In chicory, by an inverted genetic approach, 2 genes named CiSHT1 and CiSHT2, closed to the Spermidine hydroxycinnamoyl transferases (SHTs), have been highlighted and seem to be involved in the biosynthesis pathway of tetracoumaroyl spermine in the chicory anther tapetum. The expression of these two genes and the accumulation of tetrahydroxycinnamoyl spermine appear to be specific to plants belonging to the Asteraceae family, but the role of these molecules is still unexplained. In order to validate the function of these two genes, genome editing technology: CRISPR/Cas9 was implemented in chicory. Validation of this technology was achieved through the edition of the phytoene desaturase gene (CiPDS), using Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation and protoplast transfection methods. The Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation being more effective and plant regeneration faster, it has been used to generate sht1 and sht2 mutant plants. The involvement of these two genes in the production of tetracoumaroyl spermine in chicory has been validated by the study of the mutant plants and has shown the combinate and sequentially action of these two enzymes. The production of this molecule in homologous and heterologous systems and further study of the mutants may facilitate the understanding of the original accumulation of these molecules in pollen grains, as well as its value for industrial applications. In addition, the implementation and the mastery of CRISPR/Cas 9 technology in chicory will allow to study and to quickly improve many traits in this cultivated plant

L’édition du génome repose sur la création de cassures double brin à un endroit précis du génome à l’aide de nucléases artificielles (ZFN, TALEN, CRISPR/Cas9) et sur les différents systèmes de réparation que la cellule va mettre en place pour réparer ces dommages. Les deux systèmes de réparation principaux sont le NHEJ (Non Homologous End Joining) et la RH (Recombinaison Homologue). Le NHEJ consiste en une ligation directe des extrémités de la coupure pouvant induire de petites insertions ou délétions avant la ligation. Ces mutations, si elles sont introduites dans un exon, vont modifier le cadre de lecture et pouvoir inactiver le gène cible (Knock Out). La RH permet la réparation de la cassure en recopiant les informations présentes sur la chromatide soeur. Si un ADN exogène comportant des homologies avec la séquence à réparer est inséré avec les nucléases artificielles, la cellule peut le prendre comme matrice de réparation, il est ainsi possible d’insérer n’importe quelle mutation ou transgène de manière précise (Knock In). Ici, différentes stratégies ont été développées pour optimiser ces approches d’édition du génome. Le couplage du domaine Nter de la protéine CtIP à la nucléase Cas9 permet d’augmenter le taux d’insertion par homologie d’un transgène au site de coupure. Le couplage de l’exonucléase Trex2 à la nucléase Cas9 nickase permet quant à lui d’augmenter le taux de mutation après coupure. Ces nouvelles approches peuvent être largement utilisées et permettent de faciliter l’édition du génome
Genome editing relies on the ability of artificial nucleases (TALEN or CRISPR/Cas9 system) to induce double strand break into a precise and unique sequence in a whole genome and on the different DNA repair system. The two major DNA repair systems are NHEJ (Non Homologous End Joining) and HR (Homologous Recombination). NHEJ consists on DNA end direct ligation. This system can lead to deletion or insertion at the cut site. These mutations, when induced in an exon, can induce reading frame change and gene inactivation (Knock out). HR consists on the use of sister chromatid to copy lost information in order to complete the double strand break. If an exogenous DNA with homologies with the targeted DNA is inserted with artificial nucleases, it can be used as a template and can permit to introduce any transgene at the cut site (Knock In). In this work, different strategies were used to optimize genome editing. By fusing Nter part of CtIP to Cas9, the KI rate of an exogenous DNA is increased and by fusing Trex2 exonuclease to Cas9, the mutation rate induced is also increased. These two approaches can be widely used to improve genome editing strategies

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

Le gène BCAR4 (Breast Cancer anti-estrogen Resistance 4) a précédemment été découvert chez le bovin comme un gène exprimé préférentiellement dans l'ovocyte et l'embryon précoce et dont l’inhibition altère le développement embryonnaire in vitro. Cependant, son rôle dans l’ovogenèse, la folliculogenèse et globalement la fertilité in vivo restait inconnu. Le gène est conservé chez divers mammifères mais pas chez les rongeurs, le lapin a donc été choisi pour analyser son expression et sa fonction in vivo. Le transcrit BCAR4 est détecté dans l’ovaire dès la formation des follicules primordiaux, et dans les follicules préantraux et antraux, jusque dans l’ovocyte ovulé. Son abondance diminue après la fécondation et tout au long du développement préimplantatoire pour disparaître dans le blastocyste, un profil typique d’un transcrit maternel.Afin d’appréhender le rôle du gène BCAR4 in vivo dans la reproduction chez la femelle, des lapins porteurs d’une altération du gène BCAR4 ont été créés par édition du génome à l’aide de nucléases effectrices de type activateur de transcription (TALEN), et une lignée a été générée. Les animaux porteurs de la modification à l’état homozygote ou hétérozygote sont viables et en bonne santé. L’efficacité de l’altération génétique a été démontrée par transcription inverse couplée à la PCR : trente fois moindre que chez les animaux de génotype sauvage, l’expression de BCAR4 peut être considérée comme abolie dans les follicules ovariens des individus homozygotes. Les femelles ont été phénotypées sur plusieurs paramètres liés à la reproduction. Le génotype n’a pas d’impact significatif sur la folliculogenèse ou l’activité ovarienne, estimés par le dénombrement folliculaire sur coupes histologiques, la concentration plasmatique en hormone anti-mullérienne ou la réponse à la stimulation ovarienne. Pour évaluer la fertilité et la prolificité, les femelles ont été inséminées trois fois à six semaines d’intervalle. Les femelles homozygotes présentaient un taux de mise-bas significativement plus faible que les femelles hétérozygotes, 22±7% vs 71±11% (moyenne±sem), et une prolificité de 1,5±0,7 vs 5,8±1,5 lapereaux par insémination. En conclusion, le gène BCAR4 n’est pas indispensable pour le développement folliculaire, mais il contribue à une fertilité optimale chez la lapine
The BCAR4 gene (Breast Cancer anti-estrogen Resistance 4) has been previously characterized in cattle as a gene expressed preferentially in the oocyte and early embryo, whose inhibition alters embryonic development in vitro. However, its role in oogenesis, folliculogenesis and overall in fertility in vivo remains unknown. Since this gene is conserved in various mammals but not in rodents, the rabbit has been chosen to investigate its expression and function in vivo. By reverse transcription coupled to PCR, BCAR4 transcript is detected in the ovary when primordial follicles are formed, and in ovarian follicles at the preantral and antral stages, as well as in ovulated oocytes. Its abundance decreases after fertilization and throughout preimplantation development to disappear in the blastocyst, a typical profile for a maternal transcript.In order to elucidate the role of BCAR4 in vivo in female reproduction, rabbits carrying an altered BCAR4 gene were created and a line was generated. Both homozygous and heterozygous carriers of the genetic alteration are viable and appear healthy. The genetic alteration abolishes BCAR4 expression in ovarian follicles of homozygous animals, as the transcript abundance is down thirty-fold as compared to the wild-type phenotype. Females were phenotyped on several parameters related to reproduction. The genotype did not have a significant impact on follicular development or ovarian activity, as estimated by follicular count onto ovarian sections, anti-mullerian hormone concentration in plasma, and the response to ovarian stimulation. To evaluate their fertility and prolificacy, females were inseminated three times every six-weeks. Homozygous females had a significantly lower farrowing rate than heterozygous females, 22±7% vs 71±11% (mean±sem), while prolificacy was 1.5±0.7 vs 5.8±1.5 pups per insemination. In conclusion, BCAR4 is not essential for follicular development but the gene contributes to optimal fertility of female rabbits

Le développement de stratégies thérapeutiques curatives pour les patients affectés de β-hémoglobinopathies, c’est à dire drépanocytose et β-thalassémies, fait face à une grande demande. En effet, un accès restreint à des donneurs compatibles limite l’unique thérapie définitive autorisée, la transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques (CSH). Au cours de la première partie de cette thèse,nous avons optimisé une alternative thérapeutique,la transplantation autoloque de CSH corrigées par le biais de lentivirus (LV). Le développement de lentivirus exprimant la β-globine et l’amélioration des conditions de transduction des CSH a débouché sur de probants bénéfices cliniques pour les patients drépanocytaires et thalassémiques traités par cette approche dans le cadre d’essais cliniques récents. Malgré ces progrès majeurs,cette thérapie pourrait bénéficier d’améliorations. En effet,la correction de thalassémies majeures, dépendantes de transfusion, ainsi que de la drépanocytose requiert de forts niveaux d’expression du transgène. Le but de ce projet est de choisir un LV à titre élevé, capable de transduire une large portion de CSH et d’entraîner une forte expression du transgène dans des globules rouges (GR) dérivés de CSH. A cet effet, nous avons comparé différentes combinaisons d’éléments régulateurs afin de définir la cassette régulatrice minimale nécessaire pour l’obtention de forts niveaux d’expression de la β-globine. Nous avons construit 2 mini-LCRs contenant soit HS2 et HS3 (taille totale 2.6 kb) ou HS2, HS3 et HS4 (taille totale 3.7 kb) provenant du Locus Control Region (LCR). Ces cassettes ont été insérées dans les LV β-AS3 et β-AS3 HS4, respectivement, qui contrôlent l’expression d’une globine anti-falciformante, βAS3-globine.Premièrement, nous avons comparativement évalué l’efficacité de transduction des vecteurs β-AS3 et β-AS3 HS4 dans des cellules souches progéniteurs hématopoïétiques (CSPH) drépanocytaires et dans des CSH drépanocytaires. Le deuxième volet de cette étude a permis de déterminer l’expression de la βAS3-globine issue de ces deux constructions dans des GR dérivés de CSPH drépanocytaires, et d’évaluer l’efficacité du LV le plus efficace pour secourir le phénotype drépanocytaire.La seconde partie de cette thèse vise à développer une nouvelle stratégie thérapeutique par édition du génome pour réactiver l’hémoglobine fœtale (HbF). Cette approche s’appuie sur l’observation d’une meilleure évolution clinique des β-thalassémies et de la drépanocytose en présence de niveaux élevés d’HbF.Par l’utilisation de la technologie CRISPR/Cas9, nous avons invalidé les sites de liaisons de répresseurs transcriptionnels au niveau des promoteurs de la γ-globine pour réactiver l’expression de l’HbF dans des GR dérivés de CSPH drépanocytaires. La réactivation des gènes de γ-globine fœtale dans leur locus génomique endogène permet de s’affranchir des difficultés liées à l’expression relativement faible de transgène par copie de LV, principalement lié à la faible capacité des LV qui ne permet d’insérer que de courts fragments d’ADN du LCR, arrangés de manière non-physiologique. De plus,cette stratégie offre une approche potentiellement plus sûre comparée à une stratégie addition de gène basée sur l’usage de LV. Dans la drépanocytose, cette approche thérapeutique favorise l’expression de la γ-globine anti-falciformante aux dépens de la globine βS-globine mutée. Dans le cadre d’une approche comparative,nous avons évalué des cibles thérapeutiques connues et nouvelles au niveau des promoteurs de la γ-globine. A cet effet, plusieurs ARN guides (ARNg) ont été designés pour cibler 3 régions des promoteurs de la γ-globine, où des variants associés à des niveaux élevés d’HbF et/ou à des sites de liaison de répresseurs de l’HbF ont été décrits
Highly efficient curative therapeutic strategies are in great demand for patients affected by β-hemoglobinopathies, namely sickle cell disease (SCD) and β-thalassemia. Indeed, the poor access to compatible donors restrains the application of the only approved definitive therapy, the allogeneic hematopoietic stem cell (HSC) transplantation. In the first part of this thesis, we aimed at optimizing an established therapeutic alternative consisting in the autologous transplantation of lentivirus (LV)-corrected hematopoietic HSCs. The development of β-globin expressing LVs and the improvement of HSC transduction conditions have led to a clear clinical benefit for SCD and β-thalassemia patients treated with this approach in the frame of recent clinical trials. Despite these significant progresses, there is room for further improvement. Indeed, the correction of severe transfusion-dependent B-thalassemia and SCD patients requires high levels of transgene expression. The goal of this project was to select a high-titer LV able to transduce efficiently HSCs and to drive high levels of transgene expression in HSC-derived RBCs. To this purpose, we compared different combinations of regulatory elements, in order to define the minimal regulatory cassette needed for achieving high levels of globin expression in the frame of LVs. We constructed 2 mini-LCRs containing either HS2 and HS3 (total size 2.6 kb) or HS2, HS3 and HS4 (total size 3.7 kb) derived from the 16-kb Locus Control Region. These cassettes were inserted in the β-AS3 and β-AS3 HS4 LVs, respectively, driving the expression of an anti-sickling βAS3-globin transgene. First, we aimed at comparatively evaluate the transduction efficiency of β-AS3 and β-AS3 HS4 in SCD hematopoietic stem progenitor cells (HSPCs) and long term-repopulating HSCs. The second aim of the study was to assess β-AS3 and β-AS3 HS4 derived transgene expression in RBCs produced from SCD HSPCs, and to evaluate the efficacy of the best-performing LV in rescuing the SCD phenotype. The second part of this thesis aimed to develop a novel genome editing-based strategy to restore fetal γ-globin genes expression. This therapeutic approach stems from the observation that the clinical course of β-thalassemia and SCD is improved in the presence of elevated HbF levels. By using the innovative CRISPR/Cas9 technology, we aimed at disrupting repressors binding sites in the γ-globin promoters to reactivate HbF expression in SCD HSPCs-derived RBCs. Reactivating fetal γ-globin genes at their endogenous genomic locus can circumvent the difficulties associated with the relatively low LV-derived transgene expression per vector copy, likely because the low LV vector capacity allows the usage only of short DNA stretches from the LCR, arranged in a non-physiological manner. In addition, this strategy offers a potentially safer targeted approach compared to the LV-based gene addition. In SCD, this therapeutic approach can favor the anti-sickling γ-globin expression, at the expense of the mutated βS-globin, given the competition between the fetal and the adult genes for the interaction with the LCR. In a comparative approach, we intended to evaluate novel and known therapeutic targets in the γ-globin promoters. To this purpose, several gRNAs have been designed to target 3 regions of the γ-globin promoters, where variants associated with elevated HbF levels and/or binding sites for HbF repressors have been described. We aimed to screen these gRNAs in an adult erythroid cell line (HUDEP-2) and SCD HSPCs-derived RBCs in terms of HbF reactivation and correction of the patient phenotype, to select the best therapeutic target for an efficient and safe therapeutic approach for β-hemoglobinopathies

Pour certaines espèces, les nouvelles technologies de séquençage à haut débit et les pipelines automatiques d'annotation permettent actuellement de passer du tube Eppendorf au fichier genbank en un clic de souris, ou presque. D'autres organismes, en revanche, résistent farouchement au bio-informaticien le plus acharné en leur opposant une complexité génomique confondante. Les diplonémides en font partie. Ma thèse est centrée sur la découverte de nouvelles stratégies d'encryptage de l'information génétique chez ces eucaryotes, et l'identification des processus moléculaires de décodage. Les diplonémides sont des protistes marins qui prospèrent à travers tous les océans de la planète. Ils se distinguent par une diversité d'espèces riche et inattendue. Mais la caractéristique la plus fascinante de ce groupe est leur génome mitochondrial en morceaux dont les gènes sont encryptés. Ils sont décodés au niveau ARN par trois processus: (i) l'épissage en trans, (ii) l'édition par polyuridylation à la jonction des fragments de gènes, et (iii) l'édition par substitution de A-vers-I et C-vers-T; une diversité de processus posttranscriptionnels exceptionnelle dans les mitochondries. Par des méthodes bio-informatiques, j'ai reconstitué complètement le transcriptome mitochondrial à partir de données de séquences ARN à haut débit. Nous avons ainsi découvert six nouveaux gènes dont l'un présente des isoformes par épissage alternatif en trans, 216 positions éditées par polyuridylation sur 14 gènes (jusqu'à 29 uridines par position) et 114 positions éditées par déamination de A-vers-I et C-vers-T sur sept gènes (nad4, nad7, rns, y1, y2, y3, y5). Afin d'identifier les composants de la machinerie réalisant la maturation des ARNs mitochondriaux, le génome nucléaire a été séquencé, puis je l'ai assemblé et annoté. Cette machinerie est probablement singulière et complexe car aucun signal en cis ni acteur en trans caractéristiques des machineries d'épissage connues n'a été trouvé. J'ai identifié plusieurs candidats prometteurs qui devront être validés expérimentalement: des ARN ligases, un nombre important de protéines de la famille des PPR impliquées dans l'édition des ARNs dans les organites de plantes, ainsi que plusieurs déaminases. Durant ma thèse, nous avons mis en évidence de nouveaux types de maturation posttranscriptionnelle des ARNs dans la mitochondrie des diplonémides et identifié des candidats prometteurs de la machinerie. Ces composants, capables de lier précisément des fragments d'ARN et de les éditer pourraient trouver des applications biotechnologique. Au niveau évolutif, la caractérisation de nouvelles excentricités moléculaires de ce type nous donne une idée des processus de recrutement de gènes, de leur adaptation à de nouvelles fonctions, et de la mise en place de machineries moléculaires complexes.
Thanks to new high throughput sequencing technologies and automatic annotation pipelines, proceeding from an eppendorf tube to a genbank file can be achieved in a single mouse click or so, for some species. Others, however, fiercely resist bioinformaticians with their confounding genomic complexity. Diplonemids are one of them. My thesis is centered on the discovery of new strategies for encrypting genetic information in eukaryotes, and the identification of molecular decoding processes. Diplonemids are a group of poorly studied marine protists. Unexpectedly, metagenomic studies have recently ranked this group as one of the most diverse in the oceans. Yet, their most distinctive feature is their multipartite mitochondrial genome with genes in pieces, and encryption by nucleotide deletions and substitutions. Genes are decrypted at the RNA level through three processes: (i) trans-splicing, (ii) polyuridylation at the junction of gene pieces and (iii) substitutions of A-to-I and C-to-T. Such a diverse arsenal of mitochondrial post-transcriptional processes is highly exceptional. Using a bioinformatics approach, I have reconstructed the mitochondrial transcriptome from RNA-seq libraries. We have identified six new genes including one that presents alternative trans-splicing isoforms. In total, there are 216 uridines added in 14 genes with up to 29 U insertions, and 114 positions edited by deamination (A-to-I or C-to-T) among seven genes (nad4, nad7, rns, y1, y2, y3, y5). In order to identify the machinery that processes mitochondrial RNAs, the nuclear genome has been sequenced. I have then assembled and annotated the genome. This machinery is probably unique and complex because no cis signal or trans actor typical for known splicing machineries have been found. I have identified promising protein candidates that are worth to be tested experimentally, notably RNA ligases, numerous members of the PPR family involved in plants RNA editing and deaminases. During my thesis, we have identified new types of post-transcriptional RNA processing in diplonemid mitochondria and identified new promising candidates for the machinery. A system capable of joining precisely or editing RNAs could find biotechnological applications. From an evolutionary perspective, the discovery of new molecular systems gives insight into the process of gene recruitment, adaptation to new functions and establishment of complex molecular machineries.

Notre laboratoire a récemment découvert un mode d’expression des gènes mitochondriaux inédit chez le protozoaire biflagellé Diplonema papillatum. Outre son ADNmt formé de centaines de chromosomes circulaires, ses gènes sont fragmentés. Le gène cox1 qui code pour la sous unité I de la cytochrome oxydase est formé de neuf modules portés par autant de chromosomes. L’ARNm de cox1 est obtenu par épissage en trans et il est également édité par insertion de six uridines entre deux modules. Notre projet de recherche a porté sur une étude globale des processus post-transcriptionnels du génome mitochondrial de diplonémides. Nous avons caractérisé la fragmentation de cox1 chez trois autres espèces appartenant aux deux genres du groupe de diplonémides à savoir : Diplonema ambulator, Diplonema sp. 2 et Rhynchopus euleeides. Le gène cox1 est fragmenté en neuf modules chez tous ces diplonémides mais les modules sont portés par des chromosomes de taille et de séquences différentes d’une espèce à l’autre. L’étude des différentes espèces a aussi montrée que l’édition par insertion de six uridines entre deux modules de l’ARNm de cox1 est commune aux diplonémides. Ainsi, la fragmentation des gènes et l’édition des ARN sont des caractères communs aux diplonémides. Une analyse des transcrits mitochondriaux de D. papillatum a permis de découvrir quatre autres gènes mitochondriaux édités, dont un code pour un ARN ribosomique. Donc, l'édition ne se limite pas aux ARNm. De plus, nous avons montré qu’il n’y a pas de motifs d’introns de groupe I, de groupe II, de type ARNt ou d’introns impliqués dans le splicéosome et pouvant être à l’origine de l’épissage des modules de cox1. Aucune complémentarité significative de séquence n’existe entre les régions flanquantes de deux modules voisins, ni de résidus conservés au sein d’une espèce ou à travers les espèces. Nous avons donc conclu que l’épissage en trans de cox1 chez les diplonémides fait intervenir un nouveau mécanisme impliquant des facteurs trans plutôt que cis. L’épissage et l’édition de cox1 sont dirigés probablement par des ARN guides, mais il est également possible que les facteurs trans soient des molécules protéiques ou d’ADN. Nous avons élucidé les processus de maturation des transcrits mitochondriaux de D. papillatum. Tous les transcrits subissent trois étapes coordonnées et précises, notamment la maturation des deux extrémités, l’épissage, la polyadénylation du module 3’ et dans certains cas l’édition. La maturation des extrémités 5’ et 3’ se fait parallèlement à l’épissage et donne lieu à trois types d’intermédiaires. Ainsi, un transcrit primaire avec une extrémité libre peut se lier à son voisin. Cet épissage se fait apparemment sans prioriser un certain ordre temporel alors que dans le cas des transcrits édités, l’édition précède l`épissage. Ces études donnant une vue globale de la maturation des transcrits mitochondriaux ouvrent la voie à des analyses fonctionnelles sur l’épissage et l’édition chez D. papillatum. Elles sont le fondement pour finalement élucider les mécanismes moléculaires de ces deux processus post-transcriptionnels de régulation dans ce système intriguant.
Our laboratory has recently discovered an unprecedented mode of expression of mitochondrial genes in D. papillatum, a biflagellate protozoan. In addition to its mtDNA formed of hundreds of circular chromosomes, genes are fragmented. For example, the cox1 gene which encodes the subunit one of the cytochrome oxidase complex, comprises nine modules carried by nine chromosomes. The cox1 mRNA is obtained by trans-splicing and is also edited by the insertion of six uridines between two modules. My thesis project focused on the study of post-transcriptional processes in diplonemid mitochondria. We characterized the fragmentation of cox1 in three other species belonging to two diplonemids genera: Diplonema ambulator, Diplonema sp. 2 and Rhynchopus euleeides. The cox1 gene is fragmented into nine modules in all species but the modules are carried by chromosomes of different size and sequences from one species to another. We have shown that there are no motifs for classical introns, including spliceosomal and archaeal introns, as well as introns of group I and II, that might be implicated in the trans-splicing of cox1 modules. No significant complementarity exists between the flanking regions of two neighboring modules, nor are any conserved residues within a species or across species. We therefore concluded that the trans-splicing of cox1 in diplonemids involves a novel mechanism implicating trans rather than cis-factors. Trans-splicing and editing of cox1 probably involve guide RNAs, but it is also possible that the trans-factors are proteins or DNA molecules. The study of different species has also shown that the insertion of six uridines between two cox1 modules in mRNA is a shared trait in these diplonemids. We discovered that four other mitochondrial genes are also edited in D. papillatum and that RNA editing is not limited to mRNA. So, fragmented genes and RNA editing are common characteristics of diplonemids. We elucidated D. papillatum’s mitochondrial transcript maturation steps. All transcripts undergo three coordinated and precise processes including end processing, trans-splicing and / or editing and polyadenylation. The processing of the 5 'and 3' ends gives rise to three kinds of maturation intermediates. A primary transcript with one free end can bind to its neighbor and trans-splicing occurs without directionality. In the case of edited transcripts, editing precedes trans-splicing. These studies have prepared the ground for functional studies of trans-splicing and RNA editing with the long term goal to elucidate the molecular mechanisms involved in post-transcriptional regulation in this intriguing system.