L’anémie falciforme est une maladie monogénique causée par une mutation dans le locus de la β-globine. Malgré le fait que l’anémie falciforme soit une maladie monogénique, cette maladie présente une grande hétérogénéité clinique. On présume que des facteurs environnementaux et génétiques contribuent à cette hétérogénéité. Il a été observé qu’un haut taux d’hémoglobine fœtale (HbF) diminuait la sévérité et la mortalité des patients atteints de l’anémie falciforme. Le but de mon projet était d’identifier des variations génétiques modifiant la sévérité clinique de l’anémie falciforme. Dans un premier temps, nous avons effectué la cartographie-fine de trois régions précédemment associées avec le taux d’hémoglobine fœtale. Nous avons ensuite effectué des études d’association pan-génomiques avec deux complications cliniques de l’anémie falciforme ainsi qu’avec le taux d’hémoglobine fœtale. Hormis les régions déjà identifiées comme étant associées au taux d’hémoglobine fœtale, aucun locus n’a atteint le niveau significatif de la puce de génotypage. Pour identifier des groupes de gènes modérément associés au taux d’hémoglobine fœtale qui seraient impliqués dans de mêmes voies biologiques, nous avons effectué une étude des processus biologiques. Finalement, nous avons effectué l’analyse de 19 exomes de patients Jamaïcains ayant des complications cliniques mineures de l’anémie falciforme. Compte tenu de la taille des cohortes de réplication disponibles, nous n’avons pas les moyens de valider statistiquement les variations identifiées par notre étude. Cependant, nos résultats fournissent de bons gènes candidats pour des études fonctionnelles et pour les réplications futures. Nos résultats suggèrent aussi que le β-hydroxybutyrate en concentration endogène pourraient influencer le taux d’hémoglobine fœtale. De plus, nous montrons que la cartographie-fine des régions associées par des études pan-génomiques peut identifier des signaux d’association additionnels et augmenter la variation héritable expliquée par cette région. / Sickle cell disease is a monogenic disease caused by a mutation in the β-globin locus. Although it is a monogenic disease, it shows a high clinical heterogeneity. Environmental and genetic factors are thought to play a role in this heterogeneity. It has been observed that a high fetal hemoglobin (HbF) levels correlates with a diminution of the severity and mortality of patients with sickle cell disease. The goal of my project was to identify genetic modifiers of the clinical severity of sickle cell disease. First, I performed the fine-mapping of three regions previously associated with HbF levels. Second, I performed genome-wide association studies with two clinical complications of sickle cell disease as well as with HbF levels. Since no new loci reached array-wide significance for HbF levels, I performed a pathway analysis to identify additional HbF loci of smaller effect size that might implicate shared biological processes. Finally, I performed the analysis of 19 whole exomes from Jamaican sickle cell disease patients with very mild complications. In conclusion, given the sample size of the replication cohorts available, we do not currently have the means to statistically validate the association signals. However, these results provide good candidate genes for functional studies and for future replication. Our results also suggest that β-hydroxybutyrate in endogenous levels could influence HbF levels. Furthermore, we show that fine-mapping the loci associated in genome-wide association studies can identify additional signals and increase the explained heritable variation.

La drépanocytose est une maladie causée par une seule mutation dans le gène de la bêta-globine. Les complications liées à la maladie se manifestent sur le plan génétique, épigénique, transcriptionnel, et métabolique. Les approches intégratives des technologies de séquençage à haut-débit permettent de comprendre le mécanisme pathologique et de découvrir des thérapies en lien avec la maladie. Dans cette thèse, j’intègre divers jeux de données omiques et j’applique des méthodes statistiques pour élaborer de nouvelles hypothèses et analyser les données. Dans les deux premières études, je combine les résultats des études d'association pangénomique d'hémoglobine fœtale (HbF) et des globules rouges denses déshydratés (DRBC) avec l'expression génique, l'interaction chromatinienne, les bases de données relatives aux maladies et les cibles médicamenteuses sélectionnées par des experts. Cette approche intégrative a révélé trois nouveaux loci sur le chromosome 10 (BICC1), le chromosome 19 (KLF1) et le chromosome 22 (CECR2) comme régulateurs de l'HbF. Pour l’étude sur la densité de globules rouges, quatre cibles médicamenteuses (BCL6, LRRC32, KNCJ14 et LETM1) ont été identifiées comme des modulateurs potentiels de la sévérité. Dans la troisième étude, j’intégre la métabolomique à la génomique pour établir une relation causale entre la L-glutamine et les crises douleurs en utilisant la randomisation mendélienne. En outre, nous avons identifié 66 biomarqueurs pour 6 complications liées à la drépanocytose et le débit de filtration glomérulaire estimé (DFGe). Enfin, dans la dernière étude j’ai appliqué une approche de clustering aux métabolites que j’ai ensuite combiné aux données de génotype. J’ai découvert des changements métabolomiques mettant en évidence des familles de métabolites impliqués dans les dysfonctionnements rénaux et hépatiques, en plus de confirmer le rôle d'une classe d'acides gras dans la formation en faucille des globules rouges. Ce travail met en évidence l'importance des approches multi-omiques pour découvrir de nouveaux mécanismes biologiques et étudier les maladies humaines. / Sickle cell disease is a monogenic disorder caused by a point mutation in the beta-globin gene. The complications related to the disease are characterized by a broad spectrum of distinct genetic, epigenetic, transcriptional, and metabolomic states. Integrative high-throughput technologies approaches to sickle cell disease pathophysiology are crucial to understanding complications mechanisms and uncovering therapeutic interventions. In this thesis, I integrate various omics datasets and apply statistical methods to derive new hypotheses and analyze data. I combine genome-wide association studies results of fetal hemoglobin (HbF) and dehydrated dense red blood cells (DRBC) with gene expression, chromatin interaction, disease-relevant databases, and expert-curated drug targets. This integrative approach revealed three novel loci on chromosome 10 (BICC1), chromosome 19 (KLF1) and chromosome 22 (CECR2) as key modulators of HbF. For DRBC, four drug targets (BCL6, LRRC32, KNCJ14, and LETM1) were identified as potential severity modifiers. Using mendelian randomization, I integrated metabolomics with genomics in the third study to establish a potential causal relationship between L-glutamine and painful crisis. Additionally, we identified 66 biomarkers for 6 SCD-related complications and estimated glomerular filtration rate (eGFR). Finally, the last study applied a clustering framework to metabolites which I then combined with genotypes. I found specific metabolomics changes highlighting families of metabolites involved in renal and liver dysfunction and confirming the role of a class of fatty acids in red blood cell sickling. This work highlights the importance of multi-omics approaches to unearth new biology and study human diseases.

L’anémie falciforme (AF) est une maladie monogénique dans laquelle la polymérisation d’une hémoglobine anormale (hémoglobine S, Hb S) entraine la déformation et la destruction du globule rouge. L’AF est associée à de nombreuses complications cliniques avec une très grande hétérogénéité dans son expression. En dehors de l’impact important de l’hémoglobine fœtale (Hb F), cette variabilité est mal comprise et peu d’outils sont disponibles afin d’identifier les patients à risque de complications. Nous avons utilisé différentes approches afin d’étudier les déterminants génétiques constitutionnels et somatiques de l’expression de l’AF ainsi que leur utilité dans la prise en charge des patients. Dans un premier temps, nous avons montré que les scores polygéniques pour les traits sanguins étaient moins performants chez les individus avec AF que sans. Nous avons montré que cette différence était en partie liée au poids d’autres déterminants génétiques et identifié un effet épistatique entre l’AF et le variant nul Duffy qui avait un effet très réduit en présence d’AF. Nous avons ensuite montré qu’un score polygénique simple pour l’Hb F expliquait une grande partie de sa variance et permettait d’améliorer la modélisation des crises de douleurs. Pour finir, à partir d’une réanalyse de la plus grande cohorte de patients avec AF ainsi que par randomisation mendélienne, nous avons montré l’effet causal protecteur de l’Hb F sur les accidents vasculaires cérébraux. Dans un second temps, nous avons analysé un crible génétique ciblé sur la densité du globule rouge, paramètre influençant la polymérisation de l’Hb S. Nous avons identifié de nombreux variants ayant un effet causal sur la densité à des fins de validation fonctionnelle. Pour finir, nous avons montré que l’AF influençait l’apparition d’une hématopoïèse clonale. Cette dernière était en effet détectée chez des patients plus jeunes et avait une prévalence plus élevée chez les individus avec AF que sans. En résumé, ce travail apporte un éclairage nouveau sur les conséquences de l’AF en montrant son influence sur l’expression de déterminants génétiques constitutionnels et somatiques. Ces déterminants représentent des outils pouvant permettre d’améliorer la prise en charge des patients avec AF. / Sickle cell disease (SCD) is a monogenic disorder leading to the polymerization of an abnormal hemoglobin (hemoglobin S, Hb S), that deforms the red cell, eventually leading to its destruction. SCD is associated with numerous complications with a great heterogeneity in its expression. Beside the important impact of fetal hemoglobin (Hb F), this variability is poorly understood, and few tools are available in the clinic to identify patients at high risk of complications. We used several approaches to study constitutional and somatic genetic determinants of SCD expression and their utility in patients’ management. First, we showed that polygenic scores for hematological traits were less performant in individuals with SCD than without. We showed that this difference was partly due to other genetic determinants and identified an epistatic effect between SCD and the Duffy antigen/chemokine receptor (DARC) null variant, which had a markedly reduced effect in SCD. We then showed that a simple polygenic score for Hb F explained a large part of the variance and improved modeling of pain crises. Based on the largest SCD cohort reanalysis and using Mendelian randomization, we showed that Hb F had a causal protective effect against stroke. Second, we analyzed a CRISPR-Cas9 targeted screening for red cell density, which influences Hb S polymerization. We identified many variants that influenced density as candidate to functional validations. Finally, we showed that SCD influenced the occurrence of clonal hematopoiesis. Clonal hematopoiesis was detected in younger patients and had an increased prevalence in individuals with SCD than without. In sum, this work shed light on a new category of consequences of SCD by showing its influence on the expression of constitutional and somatic determinants. These determinants are tools that can be used to improve the management of patients with SCD.