Academic literature on the topic 'Séquençage single-cell'

Les technologies d'analyse à l'échelle de la cellule unique ont vu le jour il y a quelques années et sont depuis en constante évolution. Ces technologies permettent de mieux comprendre le fonctionnement d'ensemble de cellules très hétérogènes. Elles permettent par exemple de découvrir et suivre des sous types cellulaires, avec des applications en cancérologie ou encore en neurobiologie. Nous avons développé une technologie pour étudier le profil d'expression de gènes d'intérêt au niveau d'une cellule unique, en utilisant la microfluidique en gouttes. En limitant le nombre de gènes étudiés comparé aux technologies commerciales de transcriptome entier, l’approche ciblée a plusieurs avantages potentiels : gagner en profondeur de séquençage, augmenter le nombre de cellules étudiées, optimiser la détection pour les bas niveaux d’expression, tout en réduisant la complexité des données et des coûts. Le ciblage est parfois indispensable, notamment lorsque les ARNs ne portent pas de séquence d’amorce générique, comme dans le cas des ARNs viraux. Deux applications sont présentées : l'analyse de l'inflammation des cellules immunitaires du cerveau aux premières étapes du développement, ainsi que l'étude de la recombinaison génétique chez le virus
Single cells technologies were introduced a few years ago and have been dramatically evolving ever since. These technologies have revolutionized biology, making it possible to better understand how heterogeneous cell systems works. For example, they permit to discover and follow cell subtypes, with applications in oncology or neurobiology. We have developed a technology to study the expression profile of genes of interest at the level of a single cell, using droplet-based microfluidics. By limiting the number of genes studied compared to commercial whole-transcriptome technologies, the targeted approach has several potential benefits: gaining deeper sequencing, increasing the number of cells studied, optimizing detection for low levels of expression, while reducing the complexity of data and costs. Targeting is sometimes essential, especially when the RNAs do not carry a generic primer sequence, as in the case of viral RNAs. Two applications are presented: the analysis of inflammation of the immune cells of the brain in the early stages of development, as well as the study of genetic recombination in the virus

Les progrès technologiques en séquençage haut débit et en manipulation cellulaire permettent d'analyser simultanément et indépendamment le contenu de nombreuses cellules (ARN, ADN,...). Cette révolution "omique" offre un nouveau cadre pour revisiter la "Théorie Cellulaire", essentiellement basée sur des caractéristiques morphologiques et fonctionnelles. Les nombreuses modalités cellulaires désormais accessibles au niveau de la cellule unique, telles que leur transcriptome, leur localisation spatiale, leurs trajectoires développementales, enrichissent considérablement cette définition, et établissent un contexte totalement renouvelé pour réévaluer la définition de "types" ou d’"états" cellulaires ainsi que leurs interactions. \Mon travail de thèse a été de mettre en place des approches statistiques appropriées pour analyser ces données transcriptomiques sur cellule unique caractérisées par une forte variance, la présence d'un pourcentage élevé de valeurs nulles et un grand volume de données. Mon travail s’est focalisé sur le modèle expérimental central de mon laboratoire d’accueil, l'épithélium des voies respiratoires humaines. Les voies respiratoires humaines sont bordées d'un épithélium pseudo-stratifié composé principalement de cellules basales, sécrétrices, à gobelet et multiciliées. Les voies respiratoires constituent en outre un véritable écosystème cellulaire, dans lequel la couche épithéliale interagit étroitement avec les cellules immunitaires et mésenchymateuses. Cette coordination entre les cellules assure une bonne défense du système respiratoire et sa correcte régénération en cas d'agressions extérieures. Une meilleure compréhension des situations cellulaires normales et pathologiques peut améliorer les approches pour lutter contre des pathologies telles que la maladie pulmonaire obstructive chronique, l'asthme ou la mucoviscidose.J'ai d'abord pu caractériser au niveau de la cellule unique la séquence précise et spécifique des événements conduisant à la régénération fonctionnelle de l'épithélium, en utilisant un modèle 3D de cellules humaines. J'ai identifié des hiérarchies de lignées cellulaires et j'ai pu reconstruire les différentes trajectoires possibles de différentiation cellulaire. J'ai confirmé des trajectoires cellulaires décrites précédemment, mais j'ai aussi découvert une nouvelle trajectoire reliant les cellules à gobelet aux cellules multiciliées, identifiant de nouvelles populations cellulaires et de nouvelles interactions moléculaires impliquées dans le processus de régénération de l'épithélium sain des voies aériennes humaines. J'ai ensuite construit un atlas des différents types cellulaires qui tapissent les voies respiratoires humaines saines, du nez jusqu’à la 12ième génération de bronches. Le profilage de 10 volontaires sains a généré un ensemble de données de 77 969 cellules, provenant de 35 emplacements distincts, qui comprend plus de 26 types cellulaires épithéliaux, immunitaires et mésenchymateuses. Cet atlas illustre l'hétérogénéité cellulaire présente dans les voies respiratoires. Son analyse révèle une différence d'expression des gènes entre le nez et les voies respiratoires pulmonaires que j’ai caractérisé dans les cellules suprabasales, sécrétrices et multiciliées. Mes travaux ont également permis d'améliorer la caractérisation de certaines populations de cellules rares, comme les cellules "hillock", déjà décrites chez la souris. En conclusion, mon travail contribue à une meilleure compréhension des dynamiques de différenciation et d'hétérogénéité cellulaire dans les voies respiratoires humaines saines. La ressource ainsi constituée sera extrêmement utile dans tout projet futur visant à analyser avec précision les conditions spécifiques des maladies respiratoires
Improvements made in nucleic acid sequencing and cell handling technologies now offer the opportunity to analyze simultaneously the content of numerous single cells (RNA, DNA, ...) by global and unbiased approaches. This single-cell ‘omics’ revolution provides a new framework to revisit the “Cell Theory”, elaborated over several centuries, and essentially based on morphological and functional features. The many cell modalities now accessible at single- cell level, such as their transcriptome, spatial localization, developmental trajectories, enrich considerably this definition, and set a renewed context to precisely reassess the definition of ‘cell types’, ‘cell states’ as well as their different interactions and fates.My thesis work initially set up ad hoc approaches and statistical framework to analyze appropriately these single-cell data, which deeply differ from standard bulk RNA-seq. High variance, presence of a huge percentage of null values, large volume of data are among the specific characteristics of these datasets. My work was centered on the main experimental model of my host laboratory, e.g. the human airway epithelium. Human airways are lined by a pseudostratified epithelium mainly composed of basal, secretory, goblet and multiciliated cells. Airways also constitute a true cellular ecosystem, in which the epithelial layer interacts closely with immune and mesenchymal cells. This coordination between cells ensures proper defense of the respiratory system and its correct regeneration in case of external aggression and injuries. A better understanding of the operating sequences in normal and physiopathological situations is relevant in pathologies such as chronic obstructive pulmonary disease, asthma or cystic fibrosis.First, I characterized at a single cell level the precise and cell-specific sequence of events leading to functional regeneration of the epithelium, using a 3D model of human cells. I then built a single-cell atlas of the different cell types that are lining healthy human airways from the nose to the 12th generation of bronchi.By applying computational and statistical approaches, I have identified cell lineage hierarchies and was able to reconstruct a comprehensive cell trajectory roadmap in human airways. I not only confirmed previously described cell lineages, but I have also discovered a novel trajectory that links goblet cells to multiciliated cells, identifying novel cell populations and molecular interactors involved in the process of healthy human airway epithelium regeneration. The profiling of 12 healthy volunteers then generated a dataset of 77,969 cells, derived from 35 distinct locations. The resulting atlas is composed of more than 26 epithelial, immune and stromal cell types demonstrating the cellular heterogeneity present in the airways. Its analysis has revealed a strong proximo-distal gradient of expression in suprabasal, secretory, or multiciliated cells between the nose and lung airways. My work has also improved the characterization of rare cells, including “hillock” cells that have been previously described in mice.In conclusion, this work probably represents one of the first single-cell investigations in human airways. It brings original contributions to our understanding of differentiation’s dynamics and cellular heterogeneity in healthy human airways. The resulting resource will be extremely useful for any future single-cell investigators and also for establishing a very useful joint between clinical and biological works. As such, it will constitute a reference in any future project aiming to precisely analyze specific disease conditions

La compréhension des mécanismes cellulaires à l’œuvre au sein des organismes vivants repose généralement sur l’étude de leur expression génétique. Cependant, les gènes sont impliqués dans des processus de régulation complexes et leur mesureest difficile à réaliser. Dans ce contexte, la modélisation qualitative des réseaux de régulation génétique vise à établir la fonction de chaque gène à partir de la modélisation discrète d’un réseau d’interaction dynamique. Dans cette thèse, nous avons pour objectif de mettre en place cette approche de modélisation à partir des données de séquençage single-cell. Ces données se révèlent en effet intéressantes pour la modélisation qualitative, car elles apportent une grande précision et peuvent être interprétées de manière dynamique. Nous développons ainsi une méthode d’inférence de modèles qualitatifs basée sur l’apprentissage automatique de programmes logiques. Cette méthode est mise en œuvre sur des données single-cell et nous proposons plusieurs approches pour interpréter les modèles résultants en les confrontant avec des connaissances préétablies
The understanding of cellular mechanisms occurring inside human beings usually depends on the study of its gene expression.However, genes are implied in complex regulatory processes and their measurement is difficult to perform. In this context, the qualitative modeling of gene regulatory networks intends to establish the function of each gene from the discrete modeling of a dynamical interaction network. In this thesis, our goal is to implement this modeling approach from single-cell sequencing data. These data prove to be interesting for qualitative modeling since they bring high precision, and they can be interpreted in a dynamical way. Thus, we develop a method for the inference of qualitative models based on the automatic learning of logic programs. This method is applied on a single-cell dataset, and we propose several approaches to interpret the resulting models by comparing them with existing knowledge

Malgré les progrès réalisés dans le séquençage de l’ADN, nous n’avons pas encore compris comment le phénotype d’un organisme se rapporte au contenu de son génome. Cependant, il est devenu clair que l'impact des gènes dépend du contexte. La simple présence d'un gène dans un génome ne nous informe pas du moment où il est exprimé et des autres gènes qui y sont exprimés. Comprendre comment l'expression des gènes est régulée est un élément nécessaire pour comprendre comment les phénotypes émergent d'un génotype donné. Les facteurs de transcription, qui peuvent activer ou réprimer l'expression d'un gène, forment un réseau complexe d'interactions entre eux et leurs gènes ciblés. Ce réseau consiste en une hiérarchie de groupes de facteurs de transcription fortement liés, chacun lié à des processus cellulaires distincts. La structure de ce réseau de régulation transcriptionnelle est-elle significative pour la réponse transcriptionnelle d'une cellule? Ici, nous utilisons une protéine de liaison à l'ADN programmable appelée CRISPR (répétitions courtes palindromiques groupées régulièrement) pour perturber l'expression génique des régulateurs globaux au sein du réseau de régulation transcriptionnelle. Ces régulateurs mondiaux régulent de nombreux processus cellulaires distincts et ont de nombreuses cibles génétiques. Le système CRISPR nous permet de perturber ces régulateurs dans toutes les combinaisons possibles, y compris les perturbations d'ordre supérieur avec tous les régulateurs mondiaux potentiellement ciblés perturbés en même temps. Nous enregistrons ensuite à la fois le modèle d'expression du transciptome en utilisant le séquençage de l'ARN et l'adéquation de chaque souche. Nous trouvons que la structure du réseau de régulation augmente la dimensionnalité de la réponse transcriptionnelle plutôt que de la réduire. Cela se traduit par une épistasie importante au-delà des interactions par paires. Cela a des implications sur la façon dont ces réseaux évoluent. L'épistasie par paires que nous trouvons entre les facteurs de transcription globaux repose sur la présence ou l'absence d'autres perturbations. Cela implique que d'autres perturbations pourraient agir comme des mutations de potentialisation. Le nombre de voies d'évolution potentielles augmente avec les épistasies d'ordre élevé, même si cela ne nous dit rien sur la qualité de ces voies. Fait important, les répliques de cette thèse sont toujours en cours et les données présentées ici n’ont pas encore exclu les artefacts expérimentaux
Despite advances in DNA sequencing, we have yet to understand how an organism’s phenotype relates to the contents of their genome. However it has become clear that the impact of genes are context dependant. The mere presence of a gene within a genome does not inform us of when it is expressed, and which other genes are expressed along with it. Understanding how gene expression is regulated is a necessary piece of understanding how phenotypes emerge from a given genotype. Transcription factors, which can activate or repress the expression of a gene, form a complex network of interactions between themselves and their targeted genes. This network consists of a hierarchy of groups of strongly connected transcription factors, each relating to distinct cellular processes. Is the structure of this transcriptional regulatory network significant to the transcriptional response of a cell? Here we use a programmable DNA binding protein called CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) to perturb gene expression of global regulators within the transcriptional regulatory network. These global regulators are regulating many distinct cellular processes and have many genetic targets. The CRISPR system allows us to perturb these regulators in all possible combinations, including higher order perturbations with potentially all targeted global regulators perturbed at the same time. We then record both the expression pattern of the transciptome using RNA sequencing, and the fitness of each strain. We find that the structure of the regulatory network increases the dimensionality of the transcriptional response rather than reducing it. This results in significant high order epistasis beyond pair-wise interactions. This has implications for how these networks evolve. The pair-wise epistasis we find between global transcription factors rely on the presence or absence of other perturbations. This implies that other perturbations could act as potentiating mutations. The number of potential evolutionary paths increases with high order epistasis, although this alone tells us nothing about the quality of those paths. Importantly, the replicates for this thesis are still on-going and the data presented here has not yet excluded experimental artefacts

Lors du développement, la coordination d’évènements moléculaires et cellulaires mène à la production du cortex qui orchestre les fonctions sensori-motrices et cognitives. Son développement s’effectue par étapes : les cellules gliales radiaires (RGs) – les cellules souches neurales (NSCs) du cerveau en développement – et les cellules progénitrices de la zone ventriculaire (VZ) et de la zone sous ventriculaire (SVZ) génèrent séquentiellement des vagues distinctes de nouveaux neurones qui formeront les différentes couches corticales. Autour de la naissance, les RGs changent de devenir et produisent des cellules gliales. Cependant, une fraction persiste tout au long de la vie dans la SVZ qui borde le ventricule, perdant au passage leur morphologie radiale. Ces NSCs produisent ensuite les différents sous types d’interneurones du bulbe olfactif ainsi que des cellules gliales en fonction de leur origine spatiale dans la SVZ. Ces observations soulèvent d’importantes questions non résolues sur 1) le codage transcriptionnel régulant la régionalisation de la SVZ, 2) le potentiel des NSCs postnatales dans la réparation cérébrale, et 3) le lignage et les spécificités transcriptionnelles entre les NSCs et leur descendants. Mon travail de doctorat repose sur une étude transcriptionnelle des domaines de la SVZ postnatale. Celle-ci soulignait le fort degré d’hétérogénéité des NSCs et progéniteurs et identifiait des régulateurs transcriptionnels clés soutenant la régionalisation. J’ai développé des approches bio-informatiques pour explorer ces données et connecter l’expression de facteurs de transcription (TFs) avec la genèse régionale de lignages neuraux distincts. J’ai ensuite développé un modèle d’ablation ciblée pour étudier le potentiel régénératif des progéniteurs postnataux dans divers contextes. Finalement, j’ai participé au développement d’une procédure pour explorer et comparer des progéniteurs pré et postnataux à l’échelle de la cellule unique. Objectif 1 : Des expériences de transcriptomique et de cartographie ont été réalisées pour étudier la relation entre l’expression régionale de TFs par les NSCs et l’acquisition de leur devenir. Nos résultats suggèrent un engagement précoce des NSCs à produire des types cellulaires définis selon leur localisation spatiale dans la SVZ et identifient HOPX comme un marqueur d’une sous population biaisé à générer des astrocytes. Objectif 2 : J’ai mis au point un modèle de lésion corticale qui permet l’ablation ciblée de neurones de couches corticales définies pour étudier la capacité régénérative et la spécification appropriée des progéniteurs postnataux. Une analyse quantitative des régions adjacentes, incluant la région dorsale de la SVZ, a révélé une réponse transitoire de progéniteurs définis. Objectif 3 : Nous avons développé la lignée de souris transgénique Neurog2CreERT2Ai14, qui permet le marquage de cohortes de progéniteurs glutamatergiques et de leurs descendants. Nous avons montré qu’une large fraction de ces progéniteurs persiste dans le cerveau postnatal après la fermeture de neurogénèse corticale. Ils ne s’accumulent pas pendant le développement embryonnaire mais sont produits par des RGs qui persistent après la naissance dans la SVZ et qui continuent de générer des neurones corticaux, bien que l’efficacité soit faible. Le séquençage d’ARN sur cellule unique a révélé une dérégulation transcriptionnelle qui corrèle avec le déclin progressif observé in vivo de la neurogénèse corticale. Ensemble, ces résultats soulignent le potentiel des études transcriptomiques à résoudre mais aussi à soulever des questions fondamentales comme les changements trancriptionnels intervenant dans une population de progéniteurs au cours du temps et participant aux changements de leur destinée. Cette connaissance sera la clé du développement d’approches novatrices pour recruter et promouvoir la génération de types cellulaires spécifiques, incluant les sous-types neuronaux dans un contexte pathologique
During development, a remarkable coordination of molecular and cellular events leads to the generation of the cortex, which orchestrates most sensorimotor and cognitive functions. Cortex development occurs in a stepwise manner: radial glia cells (RGs) - the neural stem cells (NSCs) of the developing brain - and progenitor cells from the ventricular zone (VZ) and the subventricular zone (SVZ) sequentially give rise to distinct waves of nascent neurons that form cortical layers in an inside-out manner. Around birth, RGs switch fate to produce glial cells. A fraction of neurogenic RGs that lose their radial morphology however persists throughout postnatal life in the subventricular zone that lines the lateral ventricles. These NSCs give rise to different subtypes of olfactory bulb interneurons and glial cells, according to their spatial origin and location within the postnatal SVZ. These observations raise important unresolved questions on 1) the transcriptional coding of postnatal SVZ regionalization, 2) the potential of postnatal NSCs for cellular regeneration and forebrain repair, and 3) the lineage relationship and transcriptional specificities of postnatal NSCs and of their progenies. My PhD work built upon a previously published comparative transcriptional study of defined microdomains of the postnatal SVZ. This study highlighted a high degree of transcriptional heterogeneity within NSCs and progenitors and revealed transcriptional regulators as major hallmarks sustaining postnatal SVZ regionalization. I developed bioinformatics approaches to explore these datasets further and relate expression of defined transcription factors (TFs) to the regional generation of distinct neural lineages. I then developed a model of targeted ablation that can be used to investigate the regenerative potential of postnatal progenitors in various contexts. Finally, I participated to the development of a pipeline for exploring and comparing select populations of pre- and postnatal progenitors at the single cell level. Objective 1: Transcriptomic as well as fate mapping were used to investigate the relationship between regional expression of TFs by NSCs and their acquisition of distinct neural lineage fates. Our results supported an early priming of NSCs to produce defined cell types depending of their spatial location in the SVZ and identified HOPX as a marker of a subpopulation biased to generate astrocytes. Objective 2: I established a cortical lesion model, which allowed the targeted ablation of neurons of defined cortical layers to investigate the regenerative capacity and appropriate specification of postnatal cortical progenitors. Quantitative assessment of surrounding brain regions, including the dorsal SVZ, revealed a transient response of defined progenitor populations. Objective 3: We developed a transgenic mouse line, i.e. Neurog2CreERT2Ai14, which allowed the conditional labeling of birth-dated cohorts of glutamatergic progenitors and their progeny. We used fate-mapping approaches to show that a large fraction of Glu progenitors persist in the postnatal forebrain after closure of the cortical neurogenesis period. Postnatal Glu progenitors do not accumulate during embryonal development but are produced by embryonal RGs that persist after birth in the dorsal SVZ and continue to give rise to cortical neurons, although with low efficiency. Single-cell RNA sequencing revealed a dysregulation of transcriptional programs, which correlates with the gradual decline in cortical neurogenesis observed in vivo. Altogether, these data highlight the potential of transcriptomic studies to unravel but also to approach fundamental questions such as transcriptional changes occurring in a population of progenitors over time and participating to changes in their fate potential. This knowledge will be key in developing innovative approaches to recruit and promote the generation of selected cell types, including neuronal subtypes in pathologies

Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est parmi les principales causes de mortalité dans le monde et les traitements disponibles sont insuffisants. Ceci est dû à la connaissance limitée de la complexité biologique et du microenvironnement hépatiques en situation normale et pathologique. Pour répondre à ces besoins, nous avons développé un protocole de séquençage d’ARN sur cellule unique (scRNA-seq) à partir de tissus primaires de foie humain. Nous avons assemblé un atlas de cellules du foie humain et comparé le profil scRNA-seq du foie normal au profil du CHC. L’atlas a révélé l’hétérogénéité au sein des principales populations de cellules hépatiques, la zonation transcriptomique des cellules endothéliales et l'existence de progéniteurs épithéliaux dans le foie adulte capable de se différencier à la fois en cholangiocytes et en hépatocytes. L'analyse par scRNA-seq du CHC a dévoilé l'hétérogénéité marquée de cette tumeur, les modifications de son microenvironnement cellule par cellule et les interactions entre les cellules tumorales et le virus de l’hépatite B en découvrant des voies et des facteurs moteurs de la cancérogenèse hépatique jusque-là inconnus
Hepatocellular carcinoma (HCC) is a leading cause of death worldwide and the current treatments are unsatisfactory. One reason is the limited knowledge on the complexity and microenvironment of healthy and diseased liver. To address this gap, we have developed a single cell RNA sequencing (scRNA-seq) pipeline for primary human liver tissues. We have assembled an atlas of human liver cells and compared the scRNA-seq profile of normal liver and HCC. The atlas revealed an unknown heterogeneity within the main populations of liver cells, the transcriptomic zonation of endothelial cells and the existence of an epithelial progenitor in the adult liver capable of differentiating into both cholangiocytes and hepatocytes. ScRNA-seq analysis uncovered the marked cell heterogeneity of HCC, its microenvironment changes at single-cell level and the interactions between tumor cells and hepatitis B virus discovering previously unknown pathways and drivers of hepatocarcinogenesis

Au sein de la moelle osseuse (MO), les cellules souches hématopoïétiques (CSH) sont logées dans un microenvironnement en 3D spécialisé, appelé "niche". Cette structure contribue à la régulation du comportement (e.g. auto-renouvellement, engagement dans des voies de différentiation, prolifération et survie). Cette niche est composée de plusieurs types de cellules, comme les cellules endothéliales vasculaires, périvasculaires et ostéoblastiques. Les cellules stromales mésenchymateuses (CSM) périvasculaires jouent un rôle clé dans la formation du microenvironnement, tant par leur expression de facteurs pro-hématopoïétiques, que de leur capacité de différenciation vers le lignage ostéoblastique. Ainsi, les sous-populations de CSM composant la niche hématopoïétique sont impliquées dans la régulation de l'hématopoïèse, mais également dans la formation et la régénération du squelette. Récemment décrites chez la souris à l'échelle de la cellule unique, les sous-populations de CSM restent cependant inexplorées dans la MO humaine, il en est ainsi de leur rôle respectif dans la niche. Connaître l'identité des sous-populations cellulaires, déchiffrer leurs propriétés natives et recréer ex vivo ces niches physiologiquement fonctionnelles en 3D restent des enjeux scientifiques importants pour la compréhension de l'hématopoïèse et de l'ostéogenèse humaine. Dans ce travail, nous avons dans un premier temps, utilisé des approches de séquençage d'ARN à l'échelle de la cellule unique (scRNA-seq), afin de caractériser chaque population stromale de la MO humaine et d'identifier des facteurs de niche hématopoïétique clés hautement conservés entre les espèces. Nous avons ainsi identifié plusieurs sous-populations cellulaires, exprimant différents gènes régulateurs de l'hématopoïèse, comprenant des cellules endothéliales, des cellules murales et particulièrement des CSM ayant des trajectoires ostéoblastiques et adipogéniques distinctes. De manière intéressante, nos données suggèrent une hiérarchie de différenciation à branchement simple avec la présence d'un sous-ensemble multipotent, les cellules réticulaires exprimant fortement CXCL12 (CAR) qui seraient à l'origine des autres sous-populations de CSM. Nous avons observé un enrichissement des cellules CAR exprimant le récepteur à la leptine (LEPR) dans la fraction native CD45- / CD271+ / CD200+, ainsi que leur localisation in situ en utilisant des approches histologiques sur des biopsies humaines. Dans un deuxième temps, nous avons élaboré une méthode d'isolation ex vivo pour préserver et amplifier les cellules CAR de la MO, puis étudier leur auto-organisation en culture 3D. Nous avons constaté que les sphéroïdes dérivés des cellules de type CAR ont une angiogenèse abondante, sécrètent des cytokines pro-niche et récapitulent spontanément in vitro la formation osseuse intramembranaire précoce. Grâce à des modèles bio-informatiques et des techniques d'édition du génome, nous avons mis en évidence le rôle de la protéine WDR35 et du cil primaire dans la différenciation ostéoblastique médiée par les voies de signalisation Hedgehog et Wnt. Enfin, nous avons montré que la xénotransplantation ectopique de ces sphéroïdes pouvait donner naissance à des ostéoblastes humains matures, tout en formant une niche aux CSH après humanisation hématopoïétique de souris immunodéprimées NSG. Notre étude donne, pour la première fois, une cartographie du stroma de la MO humaine avec une résolution unicellulaire et montre que les cellules CAR cultivées en 3D représentent un nouvel outil utile en recherche fondamentale avec un fort potentiel en médecine régénérative
Within the bone marrow (BM), hematopoietic stem cells (HSC) are hosted in a specialized 3D microenvironment, called "niche", regulating their behavior (e.g. self-renewal, commitment to lineages, proliferation and survival). This niche is composed of several cells such as vascular endothelial, perivascular, and osteoblastic cells. Perivascular mesenchymal stromal cells (MSCs) play a key role in the formation of the microenvironment, both through expression of pro-hematopoietic factors, and their ability to differentiate towards osteoblastic lineage. Therefore, MSCs sub-populations are of crucial physiological importance in the regulation of hematopoiesis, but also for bone formation and regeneration. Recently described in mice at the single-cell level, BM MSCs subsets remain unexplored in humans, as well as their respective roles in the niche. By characterizing these sub-populations, and deciphering their native properties, it will be possible to shape ex vivo the physiological niches in 3D, addressing the major scientific challenges for understanding human hematopoiesis and osteogenesis. Here, we used single-cell RNA sequencing approaches to characterize the human BM stroma and described key hematopoietic niche factors highly conserved between species. We identified subsets of cells expressing different hematopoietic regulatory genes, spanning endothelial cells, mural cells, and especially MSCs with distinct osteoblastic and adipogenic trajectories. Of interest, our data suggest a simple branching differentiation hierarchy with the presence of a multipotent subset: the CXCL12-abundant reticular (CAR) cells at the origin of the other MSCs subpopulations. We confirmed the enrichment of the CXCL12-abundant reticular (CAR) cell subset expressing the Leptin receptor (LEPR+) in the CD45-/CD271+/CD200+ BM fraction as well as their in-situ localization using histological approaches on human biopsies. Secondly, we developed an ex vivo isolation method to preserve and amplify the BM CAR cells, and then studied their self-organization in 3D culture. We found that CAR derived organoids sustained high angiogenesis, secreted CSH niche cytokines, and spontaneously recapitulates early intramembranous bone formation in vitro. Using bioinformatics models and genome editing techniques, we highlighted the role of the WDR35 protein and the primary cilia in osteoblastic differentiation mediated by the Hedgehog and Wnt signaling pathways. Finally, we have shown that ectopic xenotransplantation of CSM-derived organoids could give rise to mature human osteoblasts while forming a niche for CSHs after hematopoietic humanization of immunocompromised NSG mice. Our study is the first map of the human BM stroma at a single-cell resolution, and CAR cells cultured in 3D represent a new tool useful in basic research as well as in regenerative medicine

Les travaux antérieurs ont montré que les myofibroblastes portaux (PMFs) contribuaient de manière significative à la fibrogenèse et à l'angiogénèse dans la fibrose hépatique. L'objectif principal de cette thèse était de cartographier les cellules mésenchymateuses portales, et plus particulièrement la niche des cellules souches mésenchymateuses portales. Nous avons caractérisé la variété des cellules mésenchymateuses portales du foie de souris. Résultat important, nous avons identifié une population de cellules mésenchymateuses portales ayant les caractéristiques de cellules souches mésenchymateuses, désignées cellules souches mésenchymateuses portales (PMSCs), qui ont la capacité de se transformer en PMFs in vitro. Nous avons identifié Slit2 comme un marqueur des PMSCs par scRNA-seq et bulk RNA-seq. In vivo, nous avons mis en évidence l'expansion de PMSCs dans le foie de modèles murins de fibrose hépatique et de patients ayant une maladie chronique du foie. Nous avons identifié des signatures transcriptomiques spécifiques des PMSCs d’une part et des cellules étoilées du foie (CEF), de l’autre. Les résultats obtenus par l’utilisation de ces marqueurs, renforcent nos conclusions selon lesquelles les PMSCs s’accumulent de façon corrélée avec la fibrogenèse et l'angiogenèse, tandis que la signature des CEFs ne varie pas. En conclusion, nos travaux apportent des éléments à la connaissance des populations de cellules mésenchymateuses portales du foie. Ils ont permis d’identifier et caractériser les PMSCs ainsi que les myofibroblastes qui en dérivent, ouvrant de nouvelles perspectives dans le domaine des thérapies ciblées et des biomarqueurs pour la pratique clinique
Previous work has demonstrated that portal myofibroblasts (PMFs) significantly contributed to liver fibrogenesis and modulated angiogenesis in liver fibrosis. The main aim of this thesis was to elucidate the landscape of portal mesenchymal cells, with a particular focus on a portal mesenchymal stem cell niche. We characterized the murine normal liver portal mesenchymal cell landscape. Importantly, we revealed a portal mesenchymal cell population with the features of mesenchymal stem cells (MSCs), designated portal mesenchymal stem cells (PMSCs) that possessed the ability to give rise to PMFs in vitro. Furthermore, we identified Slit2 as a new marker of PMSCs based on scRNA-seq and bulk RNA-seq analysis. In vivo, we observed PMSC expansion (measured by the expression of Slit2) in liver from both animal fibrosis models (DDC and CDAA) and patients with chronic liver disease (NASH, PSC and other liver disease). Notably, we defined the specific gene signatures for PMSCs and hepatic stellate cells (HSCs), respectively. By using these markers, we provide further evidence indicating that PMSCs expand in correlation with fibrogenesis and angiogenesis in different murine and human liver diseases, whereas the HSCs gene signatures did not vary. In conclusion, our work collectively offers insights into the components and functions of the mammalian liver portal mesenchymal cell populations, and in particular, identify and characterize PMSCs and their derived myofibroblasts, opening up the possibility for the development of novel targeted drugs or biomarkers of clinical significance with increased precision

La caractérisation d’échantillons biologiques s’effectue très souvent au microscope optique. Or, il est techniquement difficile d’isoler quelques cellules rares parmi une culture hétérogène en se basant strictement sur des caractéristiques observables au microscope, comme la localisation, la morphologie ou le déplacement, car il n’existe pas nécessairement de marqueur moléculaire unique qui leur sont associés. Afin de répondre à cet enjeux, le laboratoire dans lequel j’ai effectué mon stage de maîtrise a récemment développé la Single Cell Magneto Optical Capture (scMOCa), qui utilise des réactifs communs et un laser de faible puissance pour attacher des billes ferromagnétiques à la membrane plasmique cellulaire et permet d’isoler magnétiquement les cellules d’intérêt. Le présent ouvrage rapporte l’application de la scMOCa à la migration de cellules métastatiques ainsi que les adaptations apportées à la technique nécessaires à la réalisation du projet. Notamment, le volume de cellules uniques capturé a été augmenté d’un facteur d’environ 250 grâce à l’automatisation de la technique et à l’étude du photoblanchiement de la fluorescéine, phénomène à la base de la scMOCa. Brièvement, l’expérience consiste à capturer les cellules uniques présentant les phénotypes migratoires les plus importants, définis par l’analyse de leur trajectoire, parmi une culture hétérogène de cellules métastatique. Les résultats de l’expérience démontrent une conservation des phénotypes migratoires après plusieurs mitoses. Aussi, l’expression génétique relative fait ressortir des gènes et groupes de gènes propres à la migration cellulaire.
The characterization of biological samples depends heavily on the optical microscope. However, it is technically challenging to isolate rare cells among a heterogeneous culture solely based on visual inspection at the microscope. Indeed, characteristics like location, morphology or displacement do not necessairly have specific related molecular markers. In order to solve this issue, the laboratory where I accomplished my master internship developped the Single Cell Magneto Optical Capture (scMOCa) wich uses commun reagents and a low powered laser to attach ferromagnetic beads on the cell plasma membrane and isolate the cells of interest with magnetic tools. The present work reports the application of scMOCa to the metastatic cell migration and the implemented adaptations to the technique in order to carry out the project, especially by increasing the number of single cells being isolated by a factor of 250. This adaptation requiered the study of photobleaching, phenomenon at the foundation of scMOCa. Briefly, the experiment consists to capture the cells presenting the most important migratory phenotypes, defined by their track analysis, among a heterogeneous metastatic cell culture. The experimental results show that the migratory phenotypes are preserved after several cell divisions. Also, the relative gene expression highlights some genes and gene groups owned to cellular migration.