Sickle Cell Disease (SCD) is a hereditary monogenic disorder that affects millions of people worldwide and is associated with symptoms such as stroke, lethargy, chronic anemia, and increased mortality. SCD can be quickly detected and diagnosed using a simple blood test as an infant, but as of now, there is currently limited treatment to cure an individual of sickle cell disease. Recently, there have been several promising developments in CRISPR-Cas-associated gene-editing therapeutics; however, there have been limitations in gene-editing efficiency monitoring, which if improved, could be beneficial to advancing CRISPR-based therapy, especially in SCD. The CRISPR-Chip, a three-terminal graphene-based field effect transistor (gFET), was used to detect genomic samples of individuals with SCD, with and without amplification. With the dRNP-HTY3’ complex, CRISPR-Chip was able to specifically detect its target sequence with and without pre-amplification. With the dRNP-MUT3’ complex, CRISPR-Chip was only able to specifically detect one of its two target sequences. Facile detection, analysis, and editing of sickle cell disease using CRISPR-based editing and monitoring would be beneficial for simple diagnostic and gene-editing therapeutic treatment of other single nucleotide polymorphisms as well, such as beta-thalassemia and cystic fibrosis.

Le développement du rein est un exemple intriguant d’un équilibre délicat entre la prolifération des cellules progénitrices, la différentiation et l’apoptose. Le gène Wt1 est indispensable pour la survie des cellules progénitrices. Le but de cette thèse a été de définir les voies de signalisation activées par Wt1 pendant le développement du rein. En utilisant les souris Wt1 KO, nous avons démontré que WT1 coordonne l’action de deux voies de signalisation opposées : Fgf et Bmp/Smad intervenant dans la survie des cellules progénitrices rénales. Dans une deuxième étude, nous avons analysé le rôle du modificateur épigénétique, le gène Phf19 pendant le développement du rein. Nous avons démontré que l’expression de ce gène est Wt1-dependant et il est exclusivement exprimé dans les cellules progénitrices rénales au cours du développement et que son inactivation dans le rein embryonnaire en culture, conduit à l’apoptose des cellules progénitrices. Nous avons généré des souris knockout de Phf19 par l’approche de CRISPR/Cas9. Dans le cas d’une létalité précoce des embryons homozygotes, nous opterons pour la production du model animal knockout conditionnel et procéderons à la caractérisation de leur profile épigénétique. Cette thèse a permis d’une part, de découvrir deux voies de signalisation antagonistes, régulées par le Wt1et impliquées dans le contrôle de la survie des cellules progénitrices rénales et d’autre part de nous orienter vers le contrôle de la survie et la prolifération de ces cellules par modifications épigénétiques. Ceci nous permettra de contribuer à la connaissance de l’étiologie d’une grande proportion des malformations rénales restant à ce jour inconnues. / Kidney organogenesis requires the tight control of proliferation, differentiation and apoptosis of renal progenitor cells. The Wilms’ tumour suppressor Wt1 is required for renal progenitor survival. The aim of this thesis was to elucidate the molecular cause for renal agenesis in Wt1 mutant mouse. Here we demonstrate that lack of Wt1 abolishes FGF and induces BMP/pSMAD signaling within the metanephric mesenchyme. We further show that recombinant BMP4, but not BMP7, induces an apoptotic response within the early kidney that can be suppressed by simultaneous addition of FGFs. These data reveal an unknown sensitivity of early renal progenitors to pSMAD signalling, establishes FGF and pSMAD signalling as antagonistic forces in early kidney development and places WT1 as a key regulator of pro-survival FGF signalling pathway genes. In a second study, we demonstrated, that Phf19, an epigenetic modifier, is essential both for maintaining Wt1 expression in renal progenitor cells and their survival in an ex-vivo culture. We further generated a Phf19 knockout mouse by CRISPR/Cas9. The homozygous embryos will be analyzed to further decipher the contribution of Phf19 to potential kidney malformations and the epigenetic profile of renal progenitor cells will be characterized. Overall, the new insights into the molecular mechanisms controlling the survival of renal progenitor cells, reported in this thesis, provide one more step in our understanding of renal malformations. In addition, our results conducted us toward the epigenetique modifications that could open up promising new avenue of understanding the etiology of an important proportion of renal malformation that remains unknown.

Glioblastoma multiforme is the most malignant primary brain tumor that affects adults, recognized by the World Health Organization as an aggressive grade IV astrocytoma. Patients diagnosed with this type of tumor are left with a poor prognosis even with the most advanced treatment available. The cancer is quite heterogeneous and is typically categorized into four different subtypes depending on genetic aberrations and patient characteristics. Furthermore, researchers have discovered a subpopulation of glioblastoma cells, known as cancer stem cells, which are thought to be resistant to current therapies and responsible for tumor reoccurrence and relapse. Previous studies, in addition to this one, have found that the differentiation of glioblastoma cells downregulate nestin protein expression, the selected stem cell marker, and upregulate glial fibrillary acid protein expression, the selected differentiation marker, using immunofluorescence. Thus, one alternative treatment option is to understand the mechanism underlying the differentiation of cancer stem cells. Four cell cultures representative of each glioblastoma subtype will be endogenously tagged using the genome editing system, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR/Cas9). The representative stem cell marker, nestin, will be tagged with a green fluorescent protein, while the chosen differentiation marker, glial fibrillary acid protein, will be tagged with a red fluorescent protein. Several drugs were screened to analyze whether the drugs had a differentiation effect on the glioblastoma cells. As a result, strong evidence indicated that bone morphogenetic protein four upregulated glial fibrillary acid protein expression levels to the same extent as the differentiation control media using 5% fetal bovine serum. The goal of this study is to establish a method to directly monitor the differentiation process of glioblastoma cells as a novel molecular screening method. In this case, all glioblastoma cells, even the ones resistant to treatment, can be eliminated through an initial “pre-treatment” by forcing differentiation of cancer stem cells, making the cells more susceptible to the chemotherapy drugs. In the long run, glioblastoma patients would have a chance at a more positive prognosis; a longer life that is free of glioblastoma. / Master Thesis in Applied Biotechnology

Les répétitions de trinucléotides sont des séquences répétées en tandem pouvant subir, chez l'homme, de larges expansions à l'origine de nombreuses maladies génétiques. La dystrophie myotonique de type 1 (DM1) est due à l'expansion d'une répétition CTG en 3'UTR du gène DMPK. Les mécanismes d'instabilités des répétitions, peu connus, reposeraient sur leur capacité à former des structures secondaires constituant un obstacle aux mécanismes impliquant une synthèse d'ADN. Nous avons montré qu'une TALEN induisant une cassure double brin dans les répétitions CTG à l'origine de la DM1 insérées chez la levure Saccharomyces cerevisiae permettait de manière efficace et spécifique d'aboutir après réparation à leur contraction. Le mécanisme de réparation est dépendant uniquement de deux gènes, RAD50 et RAD52, suggérant la formation de structures aux extrémités de la DSB devant être retirées pour initier la réparation, suivis d'une réaction de SSA entre les répétitions aboutissant à leur contraction. L'efficacité et spécificité d'un système CRISPR-Cas9 à contracter ces répétitions chez la levure ont été comparées à la TALEN. L'induction de CRISPR-Cas9 n'aboutit pas à la contraction des répétitions mais à des réarrangements chromosomiques suggérant un manque de spécificité et un mécanisme de réparation différent de celui de la TALEN. Enfin, nous avons étudié si ces nucléases peuvent contracter ces répétitions CTG à des tailles non pathologiques dans des cellules de mammifères. L'induction de la TALEN dans des cellules de souris transgéniques DM1, puis dans des fibroblastes humains de patients DM1 montre des résultats préliminaires encourageant de contraction des répétitions. / Trinucleotides repeats are a specific class of microsatellites whose large expansions are responsible for many human neurological disorders. Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is due to an expansion of CTG repeats in the 3’UTR of DMPK gene, which can reach thousands of repeats. Molecular mechanisms leading to these large expansions are poorly understood but in vitro studies have shown the capacity of these repeats to form secondary structures, which probably interfere with mechanisms involving DNA synthesis. We shown that a TALEN used to induce double-strand break (DSB) in DM1 CTG repeats integrated in the yeast Saccharomyces cerevisiae is specific and leads to highly efficient repeat contractions after repair. Mechanism involved in TALEN-induced DSB only depends of RAD50 and RAD52 genes, suggesting the formation of secondary structures at DSB ends that need to be removed for repair initiation, followed by an intramolecular recombinaison repair such as SSA between repeats leading to their contraction. We compared the efficiency and specificity of a CRISPR-Cas9 and the TALEN to contract CTG repeats in yeast. Surprisingly, CRISPR-Cas9 induction do not lead to repeat contraction but to chromosomal rearrangement, suggesting a lack of specificity and a different repair mechanism than with the TALEN. At last, we studied whether these nucleases could contract CTG repeats to a non-pathological length in mammalian cells. Finally, TALEN induction in DM1 transgenic mice cells, and in DM1 human fibroblasts show promising repeat contractions.

La cellule est l’élément fondamental de la vie. Plus d’une vingtaine de trillions de cellules forment les organes et tissus de notre corps. Ces cellules sont de taille spécifique puisqu’elles ont des fonctions précises au sein de leur tissu respectif. Dans la plupart des cas, les cellules doivent proliférer en se divisant pour se renouveler et ainsi assurer le bon fonctionnement d’un organisme. La dernière étape de la division cellulaire, la cytokinèse, est exécutée par la contraction d’un anneau contractile d’actomyosine, nécessaire pour effectuer la séparation physique de la cellule en deux cellules filles. La première partie des travaux décrits dans cet ouvrage portent sur la caractérisation de la cytokinèse en utilisant, comme modèle in vivo, les cellules précurseur de la vulve (VPCs) du nématode C. elegans. Notre étude révèle que plusieurs aspects de l’anneau d’actomyosine s’ajustent en fonction de la taille de la cellule. Entre autres, la largeur de l’anneau contractile, juste avant sa constriction, s’ajuste en fonction de la longueur des VPCs. De plus, la rapidité avec laquelle l’anneau se contracte dépend de la circonférence de la cellule. Ces découvertes nous ont amené à nous demander comment la cellule régule sa taille? Les cellules en prolifération maintiennent leur taille en homéostasie en équilibrant leur taux de croissance et de division cellulaire. Afin d’interroger les gènes impliqués dans le maintien de la taille cellulaire du mammifère, nous avons utilisé la technologie CRISPR/Cas9, afin d’éliminer par délétion tous les gènes humains, à raison d’un par cellule, pour identifier ceux qui causent une augmentation ou une diminution de la taille cellulaire. Cette étude nous a permis d’identifier plusieurs gènes déjà connus régulant la croissance cellulaire. De plus, nous avons identifié un groupe de gènes, incluant TLE4 un corépresseur de la transcription que nous avons caractérisé, n’ayant jamais été associé avec une fonction de contrôle de la taille cellulaire chez les mammifères. En somme, nos travaux ont contribué à l’approfondissement des connaissances sur la division cellulaire, plus précisément la cytokinèse, et des gènes impliqués dans le maintien de la taille cellulaire. Une meilleure connaissance du fonctionnement de ces deux évènements cellulaires est essentielle puisque leur dérégulation peut entrainer plusieurs pathologies, incluant le cancer. / Cells are the fundamental building blocks of life. The human body contains over twenty trillion cells that make up the different tissues and organs of our bodies. Cells within organs are of specific sizes to perform their specialized functions. In most cases, these cells must divide to proliferate and replenish the population of cells essential for proper organism function. The final stage of cellular division, termed cytokinesis, entails the assembly and constriction of a contractile ring that drives the dramatic cell shape changes required to physically partition the cell into two daughter cells. The first part of the work presented in this thesis addresses the characterization of cytokinesis in the epithelial vulval precursor cells (VPCs) of the nematode worm C. elegans. This study principally revealed that several aspects of cytokinesis scale with cell size. For instance, I observed that the breadth of the actomyosin ring scaled with VPC length. In addition, the speed of contractile ring constriction scaled with the circumference of VPCs. These scaling events raised the more general question as to how cells regulate their size. Proliferating cells attain cell size homeostasis by balancing cell growth and cell division. In order to define the molecular regulators of size in human cells a genome-wide approach was taken. Recently developed CRISPR/Cas9 technology was used to perform the first pooled knockout screens for human cell size regulators in the NALM-6 pre-B lymphocytic cell line. These screens revealed many genes that affect the size of NALM-6 cells, a number of which were previously known to be involved in growth regulation. In addition, these screens revealed the identity of many genes with no previously established functions associated with cell size regulation. Amongst the previously unknown regulators, I characterized the function of a co-repressor of transcription, TLE4, which I showed functions as a regulator of the B-cell lineage. This work contributes to the knowledge of the mechanics of cytokinesis in C. elegans epithelial cells and of the genes that coordinate cell size in humans. These results provide insights into cell growth and division in normal cells and how these processes may be perturbed in cancer and other diseases.

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第22379号 / 医科博第109号 / 新制||医科||7(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 遊佐 宏介, 教授 武田 俊一, 教授 近藤 玄 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les cellules sont la plus petite forme de vie individuelle qui forme un organisme. La structure et la santé de tous les organismes est essentiellement définie par le nombre, le type et la taille de leurs cellules. Composé d'environ 30 trillions de cellules, l'homme possède des cellules aux fonctions et aux tailles remarquablement variées, allant d'un neurone pouvant atteindre un mètre à une cellule lymphoïde d'environ 16 µm de diamètre. Il est connu que la taille est fondamentalement l'équilibre entre la croissance cellulaire et la division cellulaire. Néanmoins, les questions sur les réseaux moléculaires qui contrôlent et déterminent le maintien de la taille optimale des cellules restent à déchiffrer. D'innombrables travaux ont caractérisé mTORC1 comme une voie régulatrice majeure de la croissance cellulaire jouant un rôle central, intégrant des stimuli intra et extracellulaires. Ce travail porte sur l'investigation et la caractérisation des acteurs moléculaires et des processus qui orchestrent la taille des cellules humaine déterminées par l'épistase chimique. J'ai entrepris une bibliothèque CRISPR / Cas9 à inactivation prolongée (EKO) dans NALM-6 (lignée cellulaire de lymphome pré-B), suivie d'un fractionnement de la taille des cellules par élutriation à contre-courant en présence de rapamycine (inhibiteur de mTOR), et comparé aux données non publiées données du laboratoire utilisant les mêmes méthodes sans rapamycine. Cette analyse de l'étude indique que dans le contexte amont de mTOR, la perte de gènes liés à la détection des nutriments entraîne une perte de taille en présence d'inhibition de mTOR. En outre, plusieurs knockouts géniques dans la biogenèse des ribosomes et l'homéostasie du calcium ont conduit à une perte ou un gain de taille, montrant un rôle pivot possible de ces processus dans le contrôle de la taille des cellules d'une manière dépendante de mTOR. Ce travail a fourni des informations sur les gènes et réseaux connus et inconnus qui peuvent réguler la taille des cellules d'une manière dépendante de mTOR. Ces résultats doivent être validés et approfondis. / All organisms are essentially structured and fitness defined by cell number, type and size. Composed of around 30 trillion cells, humans have cells with remarkably varied functions and size, ranging from a neuron that can reach one meter in length to a lymphoid cell that is around 16 μm in diameter. At a fundamental level, size is determined by the balance between cell growth and cell division. The molecular networks that control and maintain optimal cell size are yet to be deciphered. The mTORC1 pathway is a major regulator of cell growth that plays a central role in integrating intra- and extra-cellular stimuli. This study addresses the investigation and characterization of the molecular players and processes that orchestrate cell size in human cells, as determined by chemical-genetic size screens and epistasis analysis. I undertook a CRISPR/Cas9 extended-knockout (EKO) genome-wide library screen in the NALM-6 pre-B lymphoma cell line, followed by cell size fractionation by counter flow elutriation in the presence of the mTOR inhibitor rapamycin, and compared the screen data to a similar screen performed in the absence of rapamycin. The analysis indicates that upstream of mTOR, the loss of genes that are related to nutrient sensing, results in size changes in the presence of mTOR inhibition. Also, several gene knockouts in ribosome biogenesis and calcium homeostasis led to size alterations, suggesting a possible a pivotal role of these processes in cell size control in a mTOR-dependent fashion. This study provides insights into the genetic networks that regulate cell size in a mTOR-dependent fashion and establishes new hypotheses for future experimental tests.

There are currently over 430 known SLC transporters, over 30% of which have an unknown function. Compared to other transporter gene families, the SLC genes are relatively understudied with many orphan genes. SLC transporters have a high disease relevance and can be associated with many different diseases like gout, type 2 diabetes and different forms of cancer. SLC transporters also appear to be very druggable, thus offering a rare opportunity of an underexplored gene family, that can be linked to many diseases and seem to have a general druggability with small organic molecules. This thesis is evaluating three specific SLC transporters of the SLC38 family to discover their different roles and purposes. In this project CRISPR-Cas9 is used to knockout three SLC38 transporters, called SNAT6, SNAT8 and SNAT10. The cell-line used is HEK293 cells, as they are easy to transfect and are thought to express the three genes, however it is not certain that they do express the three SNAT genes. The project aims to optimize the method for best possible transfection by trying different protocols. A literature study is done on what the future experiments of the knocked-out cells could be, including; ensuring the HEK293 cells express the three genes, controlling the effectiveness of the transfection and analyzing the result of such a transfection. To confirm that the HEK293 cells do express the three SNATs a western blot assay could be performed. RT-qPCR is found to be useful in evaluating whether the knockouts are successful, by measuring if the three SNAT transporter proteins are present or not in the knocked-out cells. A metabolic analysis study to determine the result of the knockouts is also described as a future experiment. The experimental finding was a CRISPR-Cas9 transfection method that yielded enough RNA, enabling future experiments such as RT-qPCR.