Virtuellement toutes les plantes hébergent des champignons et des bactéries endosymbiontes (endophytes). Ces microorganismes façonnent le développement de leur hôte et peuvent inhiber des phytopathogènes. Au niveau moléculaire, les interactions plante-endophyte sont médiées par des molécules secrétées y compris des protéines et métabolites secondaires. Au cours des dernières années, la recherche d’endophytes a augmenté chez nombreux plantes, cependant chez les Ericaceae les endophytes ne sont pas bien connus. Alors, on s’est mis à investiguer les endophytes racinaires de la canneberge, une plante membre d’Ericaceae native de l’Amérique du Nord. On a échantillonné quatre plants provenant d’une ferme commerciale organique. Au total, 30 souches fongiques et 25 bactériens ont été isolés. Les bactéries Pseudomonas sp. EB212, Bacillus sp. EB213 et EB214; et les champignons Hyaloscypha sp. EC200, Pezicula sp. EC205 et Phialocephala sp. EC208 ont supprimé la croissance de cinq pathogènes de la canneberge, incluant Godronia cassandrae, un champignon causant la pourriture des fruits de la canneberge au Québec. EB213 a été capable de promouvoir légèrement la croissance de plantules de la canneberge. En performant des techniques microscopiques, on a constaté l’habileté de EC200, EC205 et EC208 à coloniser internement les racines des plantules de la canneberge. De plus, les génomes de ces champignons ont été séquencés, assemblés et annotés. Les analyses génomiques se sont concentrées sur les protéines secrétées et les groupes des gènes impliqués dans la biosynthèse (GGB). On a trouvé un large répertoire de gènes codant pour des enzymes qui métabolisent les carbohydrates et d’autres codant pour des protéases. Les deux groupes d’enzymes seraient utiles à dégrader de la matière organique pour libérer des nutriments. Aussi bien, ces enzymes pourraient faciliter la colonisation des racines de la plante hôte. De plus, on a prédit des nombreuses protéines effectrices qui assisteraient les endophytes à éviter l’activation du système immunitaire des plants. A noter que parmi les GGB inférés dans les génomes de EC200, EC205 et EC208, environ 90% ne sont pas caractérisés. Finalement, on a performé des analyses transcriptomiques pour élucider la réponse de EC200, EC205 et EC208 envers la présence de leur hôte, simulée par l’addition d’un extrait de canneberge au milieu de culture. Les conclusions majeures sont que les racines des plantes de la canneberge qui ont été échantillonnées sont dominées par des microorganismes avec l’habileté d’inhiber des phytopathogènes ; et que les génomes de EC200, EC205 et EC208 codent pour un grand répertoire de protéines qui pourraient être liées aux interactions plante-endophyte. / Virtually all plants host fungal and bacterial endosymbionts (endophytes). These microbes shape plant development and may inhibit phytopathogens. At the molecular level, plant-endophyte interactions are mediated by secreted compounds, including proteins and secondary metabolites. While endophytes are increasingly studied in diverse plants, little is known about their presence in Ericaceae. Therefore, we set out to investigate the root endophytes of cranberry, an ericacean member native to North America. We sampled endophytes from four plants grown on an organic farm. In total, 30 fungal and 25 bacterial strains were isolated and identified. A subset of these, notably Pseudomonas sp. EB212, Bacillus sp. EB213 and EB214; and fungi Hyaloscypha sp. EC200, Pezicula sp. EC205, and Phialocephala sp. EC208, were tested for their ability to suppress phytopathogens. Altogether, they inhibited five cranberry pathogens, including Godronia cassandrae, an important cranberry fruit-rot agent in Quebec. EB213 was the only endophyte that increased the biomass of cranberry seedlings. Using microscopy techniques, we confirmed the ability of EC200, EC205, and EC208 to colonize cranberry roots internally. The genomes of these fungi were sequenced, assembled and annotated. Genomic analyses focused on secreted proteins and biosynthetic gene clusters (BGCs). We found an extensive repertoire of carbohydrate-active enzymes and proteases that could assist in recycling organic nutrients, rendering them accessible to plants; these enzymes may also facilitate root colonization. In addition, effector proteins were predicted; these molecules may assist endophytes to escape the plant immune system and favour colonization. We inferred 139 biosynthetic gene clusters (BGCs) across the three examined fungi. Remarkably, the product of around 90% of BGCs are unknown. Finally, transcriptomic analyses were performed to determine how EC200, EC205 and EC208 respond to the presence of cranberry, simulated by the addition of cranberry extract in the culture medium. The two major conclusions of this work are that the roots of the sampled cranberry plants are dominated by endophytes with biocontrol abilities, and that EC200, EC205 and EC208 encode a broad repertoire of proteins that could be involved in plant-endophyte interactions.

Le sommeil est un comportement qui occupe un tiers de notre vie. L'horaire, la durée, et la qualité du sommeil sont contrôlés par deux processus principaux : la régulation homéostatique du sommeil et l’horloge qui synchronise les rythmes circadiens internes. EPHA4 est une molécule d'adhésion cellulaire qui régule la neurotransmission et qui est exprimée dans des régions cérébrales impliquées dans la régulation circadienne et du sommeil. De manière intéressante, le gène EphA4 contient des éléments régulateurs des facteurs de transcription circadiens et les souris Clock mutantes voient leur expression d’EphA4 modifiée. De plus, les souris EphA4 knockout (KO) ont des rythmes circadiens d’activité locomotrice anormaux, moins de sommeil paradoxal dans la période de lumière, et une distribution des oscillations cérébrales du sommeil modifiée sur un cycle de 24 heures. Par conséquent, et étant donné que EPHA4 est crucial pour le neurodéveloppement, il convient d’explorer si les phénotypes du sommeil/circadiens observés chez les souris EphA4 KO proviennent d'effets sur le développement ou des rôles d'EPHA4 dans la fonction neuronale adulte. Par ailleurs, les mécanismes de régulation transcriptionnelle d'EphA4 sont encore méconnus. Dans cette thèse, nous avons émis les hypothèses que i) l'expression du gène EphA4 ou de leurs ligands Éphrines (Efns) est régulée de manière circadienne ; et ii) que le modulateur de l’activité d’EPHA4 rhynchophylline (RHY) modifie le sommeil chez les souris adultes d'une manière qui ressemble au phénotype EphA4 KO. L'étude I montre que les facteurs de transcription de l’horloge (CLOCK/NPAS2 et BMAL1) activent la transcription via les éléments de réponse à l'ADN «boîtes E» trouvées dans les promoteurs putatifs d'EphA4, EfnB2 et EfnA3 in vitro. Cependant, les protéines EPHA4 et EFNB2 n’ont pas montré une oscillation circadienne dans le cortex préfrontal et les noyaux suprachiasmatiques (horloge principale) de souris. Dans le projet II, l'effet de RHY sur le sommeil a été étudié chez des souris mâles et femelles avec des enregistrements electroencéphalographiques. Nos données ont démontré que RHY prolonge le sommeil à onde lente, mais les effets sur le sommeil paradoxal dépendent de l’heure d’injection. RHY modifie aussi les oscillations cérébrales pendant l’éveil et le sommeil. Tous ces effets sont notablement plus marqués chez les femelles, ce qui souligne l’importance d’étudier les deux sexes lors des essais pharmacologiques. La transcriptomique spatiale cérébrale révèle que RHY modifie des transcrits liés à des réponses d’inflammation dans tout le cerveau, mais qu'elle affecte l'expression génique des neuropeptides associés à la régulation du sommeil et hypophysaires particulièrement dans l’hypothalamus. En outre, RHY affecte l'expression des gènes de la transcription/traduction de manière diffèrent selon l’heure d’injection. La première publication met en évidence que la régulation transcriptionnelle d’EphA4 et des Efns pourraient expliquer quelques-uns des phénotypes observés chez les souris KO. La deuxième publication démontre que RHY induit le sommeil chez la souris et souligne l’importance de caractériser des mécanismes inexplorés sous-jacents aux composés naturels. Décrire la régulation moléculaire du sommeil peut apporter des éclairages utiles pour la chronopharmacologie. / Sleep is a behavior which occupies a third of our lifetime. The schedule, the duration and the quality of sleep are controlled by two main processes: the homeostatic sleep regulation and the clock that synchronizes the internal circadian rhythm. EPHA4 is a cell adhesion molecule regulating neurotransmission and is expressed in brain centers regulating sleep and circadian rhythms. Interestingly, the EphA4 gene contains regulatory elements for circadian transcription factors, and Clock mutant mice have altered EphA4 expression. Moreover, EphA4 knockout mice (KO) have abnormal circadian rhythms of locomotor activity, less paradoxical sleep in the light period and altered sleep brain oscillations across the 24 hours. Given that EPHA4 is crucial for development, it should be investigated whether the sleep/circadian phenotypes observed in EphA4 KO originate from developmental effects or from roles of EPHA4 in adult neuronal function. Moreover, very little is known about the transcriptional regulation of EPHA4. Thus, the hypotheses of this thesis were that i) the gene expression of EphA4 or that of its ligands Ephrins (Efns) is regulated in a circadian manner; and ii) that the modulator of EPHA4 activity rhynchophylline (RHY) modifies sleep in adult mice in manners that resemble the EphA4 KO phenotype. Project I demonstrates that the clock transcription factors (CLOCK/NPAS2 et BMAL1) activate transcription via the DNA regulatory elements “E-boxes” found in the putative promoters of EphA4, EfnB2 and EfnA3 in vitro. Nevertheless, EPHA4 and EFNB2 proteins did not show a circadian oscillation in the mouse prefrontal cortex and suprachiasmatic nuclei (master clock). In project II, the effect of RHY on sleep was studied in male and female mice with electroencephalographic recordings. RHY extends slow wave sleep and effects on paradoxical sleep depended on the time-of-injection. RHY also modified the brain oscillations during wakefulness and sleep. Importantly, all these effects were larger in females, which highlights the need to consider both sexes in pharmacological studies. Brain spatial transcriptomics reveals that RHY modifies transcripts linked to inflammatory responses throughout the brain, while it affects transcripts linked to sleep regulation and pituitary responses particularly in the hypothalamus. Moreover, RHY affected the expression of genes for transcription/translation differently depending on the time of injection. The first publication underscores that the transcriptional regulation of EphA4 and Efns may underly some of the phenotypes observed in the KO mice. The second publication demonstrates that RHY induces sleep in mice, that it modifies brain activity associated to cognitive processes and highlights the importance of characterizing unexplored mechanisms of natural compounds. Describing the molecular regulation of sleep may provide useful insights for chronopharmacology.

Since the first human spaceflight in 1961, hundreds of humans have been in space. Microgravity and high radiation are the main spaceflight hazards. The space environment is known to impact several aspects of human health, such as bone density and cognitive performance. However, the effects of long­duration spaceflights on a cellular and molecular level, utilizing biosamples and multiomic approaches, is poorly studied. In this project, the method Spatial Transcriptomics has been utilized to compare brain tissue from the hippocampus region of mice that have been in space with a control group of mice that have stayed on Earth. Spatial Transcriptomics allow for the quantification of gene expression, while maintaining the spatial information of the transcriptome. The results of this study suggest that spaceflights cause mitochondrial stress.   This thesis work is part of a more extensive study in collaboration with NASA, and more studies will be conducted to investigate the effects of spaceflights further. If these findings are confirmed, medicines used on Earth to treat patients with mitochondrial dysfunction could increase the well­being of astronauts in space. / Sedan den första människan skickades till rymden år 1961, har hundratals astronauter lämnat jordens atmosfär.   De mest signifikanta hälsoriskerna i rymden är mikrogravitation och hög strålning och rymdmiljön har stor påverkan på oss. Exempelvis upplever astronauter ofta minskad benmassa och nedsatt kognitiv funktion. Men kunskapen kring hur människor påverkas av långtidresor i rymden är begränsad. Särskilt få experiment har genomförts på stora dataset från biologiska prover, på en molekylär och cellulär nivå. I detta projekt har genuttryck hos möss som varit i rymden jämförts med en kontrollgrupp av möss som stannat på jorden. Metoden Spatial Transcriptomics (ST) har använts för att undersöka vävnadssnitt från hippocampus i mushjärna. Med ST är det möjligt att undersöka RNA­molekyler och kartlägga deras position i vävnaden. Resultatet från denna studie indikerar att miljön i rymden leder till dysfunktion i mitokondrierna. Detta arbete är en del av en större studie i samarbete med NASA och fler experiment kommer genomföras för att undersöka hur vi påverkas av miljön i rymden. Om fler studier stödjer detta resultat, kan mediciner som använts på jorden för att behandla patienter med dysfunktion i mitokondrierna, användas i förebyggande syfte för astronauter.

Einzelzell-Omics-Daten stehen derzeit im Fokus der Entwicklung computergestützter Methoden in der Molekularbiologie und Genetik. Einzelzellexperimenten lieferen dünnbesetzte, hochdimensionale Daten über zehntausende Gene oder hunderttausende regulatorische Regionen in zehntausenden Zellen. Diese Daten bieten den Forschenden die Möglichkeit, Gene und regulatorische Regionen zu identifizieren, welche die Bestimmung und Aufrechterhaltung der Zellidentität koordinieren. Die gängigste Strategie zur Identifizierung von Zellidentitätsmarkern besteht darin, die Zellen zu clustern und dann Merkmale zu finden, welche die Cluster unterscheiden, wobei davon ausgegangen wird, dass die Zellen innerhalb eines Clusters die gleiche Identität haben. Diese Annahme ist jedoch nicht immer zutreffend, insbesondere nicht für Entwicklungsdaten bei denen sich die Zellen in einem Kontinuum befinden und die Definition von Clustergrenzen biologisch gesehen potenziell willkürlich ist. Daher befasst sich diese Dissertation mit Clustering-unabhängigen Strategien zur Identifizierung von Markern aus Einzelzell-Omics-Daten. Der wichtigste Beitrag dieser Dissertation ist SEMITONES, eine auf linearer Regression basierende Methode zur Identifizierung von Markern. SEMITONES identifiziert (Gruppen von) Markern aus verschiedenen Arten von Einzelzell-Omics-Daten, identifiziert neue Marker und übertrifft bestehende Marker-Identifizierungsansätze. Außerdem ermöglicht die Identifizierung von regulatorischen Markerregionen durch SEMITONES neue Hypothesen über die Regulierung der Genexpression während dem Erwerb der Zellidentität. Schließlich beschreibt die Dissertation einen Ansatz zur Identifizierung neuer Markergene für sehr ähnliche, dennoch underschiedliche neurale Vorlauferzellen im zentralen Nervensystem von Drosphila melanogaster. Ingesamt zeigt die Dissertation, wie Cluster-unabhängige Ansätze zur Aufklärung bisher uncharakterisierter biologischer Phänome aus Einzelzell-Omics-Daten beitragen. / Single-cell omics approaches are the current frontier of computational method development in molecular biology and genetics. A single single-cell experiment provides sparse, high-dimensional data on tens of thousands of genes or hundreds of thousands of regulatory regions (i.e. features) in tens of thousands of cells (i.e. samples). This data provides researchers with an unprecedented opportunity to identify those genes and regulatory regions that determine and coordinate cell identity acquisition and maintenance. The most common strategy for identifying cell identity markers consists of clustering the cells and then identifying differential features between these clusters, assuming that cells within a cluster share the same identity. This assumption is, however, not guaranteed to hold, particularly for developmental data where cells lie along a continuum and inferring cluster boundaries becomes non-trivial and potentially biologically arbitrary. In response, this thesis presents clustering-independent strategies for marker feature identification from single-cell omics data. The primary contribution of this thesis is a linear regression-based method for marker feature identification from single-cell omics data called SEMITONES. SEMITONES can identify markers or marker sets from diverse single-cell omics data types, identifies novel markers, outperforms existing marker identification approaches. The thesis also describes how the identification of marker regulatory regions by SEMITONES enables the generation of novel hypotheses regarding gene regulation during cell identity acquisition. Lastly, the thesis describes the clustering-independent identification of novel marker genes for highly similar yet distinct neural progenitor cells in the Drosophila melanogaster central nervous system. Altogether, the thesis demonstrates how clustering-independent approaches aid the elucidation of yet uncharacterised biological patterns from single cell-omics data.

<p dir="ltr">Open-access bioinformatics data enables accessible public health research for a variety of stakeholders, including teachers and low-resourced researchers. This project outlines two case studies utilizing open-access bioinformatics data sets and analysis software as proofs of concept for the types of research projects that can be adapted for workforce development purposes. The first case study is a spatial temporal analysis of Lyme disease rates in the United States from 2008 to 2020 using freely available data from the United States Department of Agriculture and Centers for Disease Control and Prevention to determine how urbanization and other changes in land use have impacted Lyme disease rates over time. The second case study conducts a pangenome analysis using bacteriophage data from the Actinobacteriophage Database to determine conserved gene regions related to host specificity.</p>

La convergence, soit l'acquisition indépendante de phénotypes similaires, est un aspect intéressant de la diversité qui peut fournir des informations importantes sur la nature du changement évolutif. Dans les systèmes végétaux, les syndromes de pollinisation – combinaisons de traits floraux adaptés à leurs pollinisateurs – constituent de bons exemples de convergence se produisant sur les fleurs. Nous avons utilisé une approche globale incluant la morphologie cellulaire et la transcriptomique pour analyser la convergence de formes florales de deux syndromes de pollinisation trouvés dans les genres frères non Gesneria et Rhytidophyllum (Gesneriaceae), un groupe antillais qui contient environ 81 espèces avec différentes morphologies et stratégies de pollinisation variables dans leur degré de spécialisation écologique. Il a déjà été démontré que la forme des fleurs joue un rôle important dans l’évolution de ce groupe, qui présente de nombreuses transitions entre les stratégies de pollinisation. Nous avons testé la présence de convergence dans les forms de cellules de la corolle et dans l’expression des gènes de la corolle en utilisant (1) une analyse pour mesurer la forme des cellules de pétales matures à l’aide d’un modèle phylogénétique mixte et (2) une approche transcriptomique comparative combinant l'expression différentielle des gènes (DESEq2) et l'analyse de co-expression (WGCNA) de gènes exprimés dans certaines regions précises des pétales. Toutes les analyses ont pris en compte les relations phylogénétiques entre les espèces. Nous avons trouvé une anisotropie cellulaire convergente se produisant dans les régions distales des pétales au sein des espèces du même syndrome (forme). Nous avons également constaté une plus grande similarité dans les modèles d'expression génique entre les espèces d’un même syndrome qu'entre les espèces apparentées et avons produit une liste de 203 gènes potentiellement associés aux formes de fleurs convergentes. La convergence morphologique florale observée dans les syndromes de pollinisation des espèces étudiées se retrouve tant au niveau cellulaire qu'au niveau de l'expression. Les résultats présentés ici amplifient les informations de base sur la famille des Gesneriaceae pour les études futures sur la convergence et la forme florale dans le groupe. / Convergence, the independent acquisition of similar phenotypes, is an important aspect of diversity that can provide valuable insights about the nature of evolutionary change. In plants, pollination syndromes - combinations of floral traits adapted to their pollinators - make good examples of convergence occurring on flowers. We used a comprehensive approach that includes cell morphology and transcriptomics to analyze the floral shape convergence of two pollination syndromes found in the sister genera Gesneria and Rhytidophyllum (Gesneriaceae), an Antillean group that contains approximately 81 species with different morphologies and pollination strategies varying in their degree of ecological specialization. Flower shape has already been found to play an important role in the evolution of this group, which shows many transitions between pollination strategies. We tested convergence in the corolla cell shapes and in gene expression for the pollination syndromes using (1) cell measurement statistical analysis (Phylogenetic Mixed Model) of mature petals and (2) a comparative transcriptomic approach that combined differential gene expression (DESEq2) and co-expression analysis (WGCNA) in genes expressed in specific regions of the petals. All analyses took the phylogenetic relationships of the species into account. We found convergent cellular anisotropy occurring in the distal regions of the petals within species of the same syndrome (form). We also found greater similarity in gene expression patterns occurring among species of the same syndromes than between more closely related species and produced a list of 203 genes potentially associated with convergent flower forms. The floral morphological convergence observed in the pollination syndromes of the investigated species is paralleled both at the cellular and expression levels. The results shown here amplify the background information of the Gesneriaceae family for future studies of convergence and floral form in the group.

[ES] El objetivo principal de este trabajo fue conocer las alteraciones inmunológicas asociadas a la inflamación periférica que desencadenan deterioro cognitivo en los pacientes cirróticos encefalopatía hepática mínima (EHM). Estos cambios pueden ser monitorizados como cascadas de señalización a lo largo de los tipos celulares del sistema inmune. Como estudio preliminar, se analizaron los cambios en la expresión génica (transcriptómica), los metabolitos de plasma (metabolómica) y un panel de citoquinas extracelulares en muestras de sangre de pacientes cirróticos con y sin EHM. Los resultados del análisis transcriptómico apoyaron la hipótesis de alternancias en las poblaciones celulares de linfocitos Th1/Th2 y Th17 como principales impulsores de la EHM. El análisis clúster de las moléculas del suero dio como resultado 6 grupos de compuestos químicamente similares. También se ha realizado un análisis de integración multiómica para detectar las relaciones entre los componentes intra y extracelulares que podrían contribuir a la inducción del deterioro cognitivo. Los resultados de este análisis integrativo sugirieron una relación entre las citocinas CCL20, CX3CL1, CXCL13, IL-15, IL-22 e IL-6 con la alteración de la quimiotaxis, así como un vínculo entre los fosfolípidos insaturados de cadena larga y el aumento del transporte de ácidos grasos y la producción de prostaglandinas. Estudios previos sugieren que un cambio en la inflamación periférica, orquestado principalmente por las células T CD4+, es un factor crítico que desencadena el deterioro cognitivo en EHM. La segunda parte de la tesis se centró en la comprensión de las rutas genéticas y los mecanismos por los que las alteraciones en los linfocitos CD4+ pueden contribuir a la inflamación periférica en EHM. Se analizaron los niveles de expresión de genes, factores de transcripción y miARNs en este subtipo de linfocitos mediante secuenciación de alto rendimiento (RNA-seq y miRNA-seq). El análisis individual de cada grupo de datos mostró diferencias de expresión de ARNm y miARN, así como las vías biológicas alteradas en los linfocitos CD4+ comparando pacientes cirróticos con y sin EHM. Encontramos alteraciones en 167 ARNm y 20 rutas biológicas en los pacientes con EHM, incluyendo los receptores tipo Toll, la señalización de la IL-17 y las vías del metabolismo de histidina y triptófano. Trece miRNAs y 7 factores de transcripción presentaron alteraciones en los pacientes con EHM. Utilizando bases de datos para determinar sus genes diana, encontramos una modulación por el aumento de miR-494-39, miR-656-3p y miR-130b-3p de la expresión de TNFAIP3 (proteína A20) y ZFP36 (proteína TTP) aumentaría los niveles de citoquinas proinflamatorias como IL-17 y TNF¿. Finalmente, estudiamos el repertorio de receptores de células T (TCR) de pacientes control, y de pacientes cirróticos con y sin EHM, a partir del conjunto de datos de RNA-seq procedentes de células T CD4+ aisladas previamente. Dado que los experimentos de RNA-seq contienen genes del TCR en una fracción de los datos, se puede analizar el repertorio sin necesidad de generar datos adicionales. Tras el alineamiento de las lecturas con la base de datos de los genes VDJ realizada por la herramienta MiXCR, recuperamos entre 498-1114 cadenas TCR beta distintas por paciente. Los resultados mostraron un bajo número de clones públicos (convergencia clonal), una alta diversidad (expansión clonal) y una elevada similitud en la arquitectura de la secuencia dentro de los repertorios, independientemente del estado inmunitario de los 3 grupos de pacientes. Además, detectamos una sobrerrepresentación significativa de los TCRs relacionados con la enfermedad celíaca y la enfermedad inflamatoria intestinal en los repertorios de los pacientes con EHM. / [CA] L'objectiu principal d'aquest treball va ser conèixer les alteracions immunològiques associades a la inflamació perifèrica que desencadenen deteriorament cognitiu en els pacients cirròtics amb encefalopatia hepàtica mínima (EHM). Aquests canvis poden ser monitoritzats com cascades de senyalització al llarg dels tipus cel·lulars del sistema immune. Com a estudi preliminar, es van analitzar els canvis en l'expressió gènica (transcriptòmica), els metabòlits de plasma (metabolòmica) i un conjunt de citocines extracel·lulars en mostres de sang de pacients cirròtics amb i sense EHM. Els resultats de l'anàlisi transcriptòmica van recolzar la hipòtesi d'alternances en les poblacions cel·lulars de limfòcits Th1/Th2 i Th17 com a principals impulsors de la EHM. L'anàlisi clúster de les molècules del sèrum va donar com a resultat 6 grups de compostos químicament similars. També s'ha realitzat una anàlisi d'integració multiòmica per detectar les relacions entre els components intra i extracel·lulars que podrien contribuir a la inducció del deteriorament cognitiu. Els resultats d'aquesta anàlisi d'integració van suggerir una relació entre les citocines CCL20, CX3CL1, CXCL13, IL-15, IL-22 i IL-6 amb l'alteració de la quimiotaxis, així com un vincle entre els fosfolípids insaturats de cadena llarga i l'augment del transport d'àcids grassos i la producció de prostaglandines. Estudis previs suggereixen que un canvi en la inflamació perifèrica, orquestrat principalment per les cèl·lules T CD4+, és un factor crític que desencadena el deteriorament cognitiu en EHM. La segona part de la tesi es va centrar en la comprensió de les rutes genètiques i els mecanismes pels quals les alteracions en els limfòcits CD4+ poden contribuir a la inflamació perifèrica en EHM. Es van analitzar els nivells d'expressió de gens, factors de transcripció i miARNs en aquest subtipus de limfòcits mitjançant seqüenciació d'alt rendiment (RNA-seq i miRNA-seq). L'anàlisi individual de cada grup de dades va mostrar les diferències d'expressió d'ARNm i miARN, així com les vies biològiques alterades en els limfòcits CD4+ comparant pacients cirròtics amb i sense EHM. Trobàrem alteracions en 167 ARNm i 20 rutes biològiques en els pacients amb EHM, incloent els receptors tipus Toll, la senyalització de la IL-17 i les vies del metabolisme de la histidina i el triptòfan. Tretze miRNAs i 7 factors de transcripció van presentar alteracions en els pacients amb EHM. Després utilitzàrem bases de dades per determinar els seus gens diana, els quals van resultar ser codificants per proteïnes clau implicades en el canvi immunològic que desencadena la EHM. Per exemple, la modulació per l'augment de miR-494-39, miR-656-3p i miR-130b-3p de l'expressió de TNFAIP3 (proteïna A20) i ZFP36 (proteïna TTP) augmentaria els nivells de citocines proinflamatòries com IL-17 i TNF¿. L'última part de la tesi comprèn un cas pràctic en el qual s'estudia el repertori de receptors de cèl·lules T (TCR) de pacients control, i de pacients cirròtics amb i sense EHM, a partir del conjunt de dades de RNA-seq procedents de cèl·lules T CD4+ aïllades prèviament. Atès que els experiments de RNA-seq contenen gens del TCR en una fracció de les dades, es crea una oportunitat per a l'anàlisi del repertori sense necessitat de generar dades addicionals, el qual redueix la quantitat i els costos de les mostres. Després de l'alineament de les lectures amb la base de dades dels gens VDJ realitzada per l'eina MiXCR, recuperàrem entre 498-1114 cadenes TCR beta diferents per pacient. Els resultats van mostrar un baix nombre de clons públics (convergència clonal), una alta diversitat (expansió clonal) i una elevada similitud en l'arquitectura de la seqüència dins dels repertoris, independentment de l'estat immunitari dels 3 grups de pacients. A més, detectàrem una sobrerepresentació significativa dels TCRs relacionats amb la malaltia celíaca i la malaltia inflamatòria intestinal en els repertoris dels pacients amb EHM. / [EN] The main objective of this work was to understand the immunological alterations associated with the peripheral inflammation that trigger minimal hepatic encephalopathy (MHE) in patients with cirrhosis. These changes can be monitored through the signaling cascades of different immune system cell types. In this work, in a preliminary study, changes in gene expression (transcriptomics), plasma metabolites (metabolomics), and a panel of extracellular cytokines were analyzed in blood samples from patients with cirrhosis with and without MHE. Transcriptomics analysis supported the hypothesis that alternations in the Th1/Th2 and Th17 lymphocyte cell populations are the major drivers of MHE. Cluster analysis of serum molecules highlighted 6 groups of chemically similar compounds. We also developed a multi-omic integration analysis pipeline to detect covariation between intra- and extracellular components that could contribute to the induction of cognitive impairment. Results of this integrative analysis suggested a relationship between cytokines CCL20, CX3CL1, CXCL13, IL-15, IL-22, and IL-6 and altered chemotaxis, as well as a link between long-chain unsaturated phospholipids and increased fatty acid transport and prostaglandin production. A shift in peripheral inflammation in patients with MHE, mainly orchestrated by CD4+ T cells, had been proposed in previous studies as a critical factor that triggers cognitive impairment. The second part of this thesis focused on understanding the pathways and mechanisms by which alterations in CD4+ lymphocytes may contribute to peripheral inflammation in MHE. Thus, the expression levels of genes, transcription factors, and miRNAs were analyzed in this lymphocyte subtype by high throughput sequencing (RNA-seq and miRNA-seq). Separate analysis of each dataset showed mRNA and miRNA expression differences and altered biological pathways in CD4+ lymphocytes when compared to patients with cirrhosis with and without MHE. We found alterations in 167 mRNAs and 20 pathways in patients with MHE, including toll-like receptors, IL-17 signaling, histidine, and tryptophan metabolism pathways. In addition, 13 miRNAs and 7 transcription factors presented alterations in patients with MHE. We used public databases to determine the target genes of these regulatory molecules and found that increased miR-494-39, miR-656-3p, and miR-130b-3p expression may modulate TNFAIP3 (A20) and ZFP36 (TTP) to increase levels of pro-inflammatory cytokines such as IL-17 and TNF¿. Finally, we present a case study of the T-cell receptor (TCR) repertoire profiles of control patients and patients with cirrhosis with and without MHE obtained from the bulk RNA-seq dataset previously generated from isolated CD4+ T cells. Given that RNA-seq experiments contain the TCR genes in a fraction of the data, the receptor repertoire analysis without the need to generate additional data is possible. After read alignment to the VDJ genes was performed with the MiXCR tool, we successfully recovered 498-1,114 distinct TCR beta chains per patient. Results showed fewer public clones (clonal convergence), higher diversity (clonal expansion), and elevated sequence architecture similarity within repertoires, independently of the immune status of the 3 groups of patients. Additionally, we detected significant overrepresentation of celiac disease and inflammatory bowel disease related TCRs in MHE patient repertoires. To the best of our knowledge, this is one of the few studies to have shown a step-by-step pipeline for the analysis of immune repertoires using whole transcriptome RNA-seq reads as source data. In conclusion, our work identified potentially relevant molecular mechanisms of the changes in the immune system associated with the onset of MHE in patients with cirrhosis. Future work with a large sample cohort will be required to validate these results in terms of biomarker determination and the development of new, more effective treatments for MHE. / Rubio Martínez-Abarca, MT. (2022). Multi-omic data integration study of immune system alterations in the development of minimal hepatic encephalopathy in patients with liver cirrhosis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185116

Die EGFR-Signalübertragung steuert viele verschiedene zelluläre Prozesse in allen Arten von Epithelzellen, einschließlich des Darmepithels. Diese Prozesse reichen von Proliferation und Wachstum über Differenzierung bis hin zu Autophagie und Apoptose. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die Signalveränderungen zu charakterisieren, die im Darmepithel als Reaktion auf EGF-induzierten Hungerstress stattfinden. Kontraintuitiv führte eine 24-stündige EGF-Starre zu einer deutlichen Phosphorylierung von EGFR, MEK1/2 und ERK1/2, was auf eine Aktivierung dieser Signalachse in Darmzellen hindeutet. Diese Veränderungen waren am signifikantesten in den undifferenzierten CD44-reichen Krypta-Basiszellen. Interessanterweise war die EGF-Starvation-induzierte ERK1/2-Phosphorylierung mit der Hochregulierung einer Untergruppe von ERK-Zielgenen verbunden, bei denen es sich zumeist um primäre Zielgene handelt. Die Überexpression des EGFR-Liganden HBEGF und des FGFR-Liganden FGF1 in ausgehungerten Zellen könnte für die hungerbedingte Zunahme der MAPK-Aktivität verantwortlich sein, obwohl eine erhöhte Sekretion dieser Liganden durch ausgehungerte Organoide nicht bestätigt werden konnte. Dennoch wird die kompensatorische Ligandensekretion durch die Beobachtung gestützt, dass die erneute Zugabe von EGF zu ausgehungerten Organoiden die pERK1/2-Spiegel auf den Ausgangswert zurücksetzt, was bedeutet, dass EGF mit einem anderen von ausgehungerten Zellen sezernierten Liganden um den EGFR konkurriert. Zusätzlich zu HBEGF wurde festgestellt, dass andere Gene, die für den Schutz, das Überleben und die Regeneration des Darmepithels bekannt sind, in ausgehungerten Organoiden überexprimiert werden, wie z. B. Reg3b. Insgesamt können die in dieser Studie berichteten EGF-induzierten Veränderungen der MAPK-Signalübertragung und der globalen Genexpression als ein überlebensförderndes Programm interpretiert werden, das bevorzugt in Darmstammzellen und frühen Vorläuferzellen aktiviert wird. / EGFR signaling drives many different cellular processes in all kinds of epithelial cells including the intestinal epithelium. Such processes range from proliferation and growth to differentiation to autophagy and apoptosis. The present study aims to characterize signaling changes that take place in the intestinal epithelium in response to EGF starvation-induced stress using epithelial organoids derived from the mouse duodenum and human colorectal tumor tissue. Counterintuitively, 24 h EGF starvation induced a prominent phosphorylation of EGFR, MEK1/2 and ERK1/2 indicating an activation of this signaling axis in intestinal cells. These changes were most significant in the undifferentiated CD44-high crypt base cells. Interestingly, EGF starvation-induced ERK1/2 phosphorylation was associated with upregulation of a subset of ERK target genes that were mostly primary-response targets. Overexpression of the EGFR ligand HBEGF and the FGFR ligand FGF1 in starved cells may account for starvation-driven increase in MAPK activity, although an increased secretion of these ligands by starved organoids was not confirmed. Nevertheless, compensatory ligand secretion is still supported by the observation that EGF re-addition to starved organoids restores pERK1/2 levels to baseline which implies that EGF competes for EGFR with some other ligand secreted by starved cells. In addition to HBEGF, other genes known to promote protection, survival and regeneration of the intestinal epithelium were found to be overexpressed in starved organoids such as Reg3b. Collectively, EGF starvation-induced changes in MAPK signaling and global gene expression reported in this study can be interpreted as a pro-survival program that gets activated preferentially in intestinal stem cells and early progenitors.

Introduction. La prééclampsie (PE), l’accouchement prématurée (AP) et le retard de croissance intra-utérin (RCIU) sont des grands syndromes obstétricaux qui affectent 5 à 12 % des grossesses. Ces complications sont des facteurs de risque majeurs pour la santé à la fois de la mère et du fœtus, à court et à long terme, impactant ainsi les générations actuelles et à venir. L’inflammation joue un rôle central durant la grossesse, et sa modulation doit être minutieusement régulée afin de garantir le bon développement du placenta et du fœtus. Par conséquent, ces complications obstétricales sont indépendamment liées à l’inflammation et au dysfonctionnement du placenta. Malheureusement, les études qui investiguent ces pathologies ont concentré leurs efforts sur des compartiments individuels (maternels ou placentaires) au sein de conditions isolées, sans parvenir à les intégrer entre elles, empêchant ainsi leur comparaison et une compréhension globale. De plus, les complications associées à la grossesse dans la période post-partum, telles que la prééclampsie du post-partum (PPPE), ont été largement négligées en raison de la complexité des modèles d’étude et d’un manque de sensibilisation quant aux changements dynamiques post-partum. Ainsi, j’ai émis l’hypothèse qu’en intégrant différents compartiments au sein de pathologie distincte et en comparant systématiquement celles-ci, je serais en mesure de découvrir de nouvelles signatures spécifiques à chaque pathologie, tant dans les complications obstétricales bien étudiées que dans celles moins étudiées. Pour ce faire, mes objectifs étaient d’abord (1) d’obtenir une vision intégrée des contributions immunitaires des compartiments maternel et placentaire dans l’AP par rapport aux grossesses à terme sans complication. De plus, j’ai procédé à la (2) comparaison des placentas issus de pathologies cliniquement distinctes, mais se chevauchant afin d’étudier leurs profils moléculaires. Enfin, j’ai investigué (3) le profil immunitaire maternel dans la pathologie peu étudiée de la PPPE afin d’identifier d’éventuels mécanismes sous-jacents et de nouvelles cibles thérapeutiques. Méthodes. J’ai utilisé des techniques de séquençage d’ARN total (bulk RNAseq) et à cellules uniques (scRNAseq) pour étudier les profils moléculaires des tissus placentaires et des cellules immunitaires en circulation respectivement. Ceci a été effectué à partir de trois cohortes totalisant 174 femmes ayant accouché avec ou sans complications de la grossesse (CTL, PE, AP, RCIU, et PPPE). J’ai également analysé les profils inflammatoires dans la circulation maternelle et à l’interface materno-fœtale de ces patientes en utilisant des techniques de cytométrie de flux, d’ELISA, de multiplex, d’immunohistologie et de déconvolution cellulaire. Résultats. Les compartiments maternels et placentaires dans l’AP ont révélé une augmentation partagée de l’inflammation. L’analyse des transcriptomes placentaires révélait l’expression différentielle de gènes, à la fois connus et nouveaux, enrichis pour les voies inflammatoires, principalement en raison de l’AP spontanée. Cette inflammation était soutenue par les niveaux élevés de médiateurs inflammatoires dans le plasma, le placenta et les membranes fœtales des personnes atteintes de l’AP. Les modifications systémiques dans les médiateurs pourraient être liées aux altérations dans les proportions de cellules immunitaires, tandis que les changements dans les médiateurs locaux pourraient être associés aux lésions structurelles et inflammatoires accrues. L’analyse des placentas issus de complications cliniquement distinctes a confirmé l’existence d’une inflammation locale dans l’AP ainsi qu’un profil similaire dans le RCIU. En effet, nous avons observé que les signatures moléculaires étaient distinctes d’une pathologie à l’autre, mettant en évidence des différences entre la PE précoce et tardive, tout en montrant que la présence de co-pathologies, en particulier pour l’AP avec ou sans RCIU, impactait les transcriptomes placentaires. Nous avons également découvert de nouveaux changements dans la circulation maternelle qui suggèrent un affaiblissement des fonctions immunitaires dans la PPPE. Par ailleurs, nous avons constaté que la présence de cellules CD163+ à l’interface materno-fœtale avait une forte capacité à prédire quelles patientes développeraient une PPPE, ce qui offre des perspectives prometteuses en tant que biomarqueur non invasif et prédictif, malgré l’absence de placenta. Conclusions. L’inflammation est associée à la PE, à l’AP, et au RCIU, mais avec des profils placentaires distincts qui dépendent du caractère spontané ou iatrogène de la PTB ainsi que de la présence de co-pathologies, ce qui met en lumière leurs complexités sous-jacentes. Il existe une distinction claire entre les compartiments inflammatoires maternels et placentaires dans l’AP, ce qui suggère que le placenta pourrait jouer un rôle plus important. Nous apportons la preuve que ces pathologies ne sont pas seulement distinctes dans leurs manifestations cliniques, mais aussi dans leurs profils placentaires. Même lorsque le placenta n’est plus présent, nous pouvons l’exploiter pour comprendre les mécanismes sous-jacents, ainsi que de développer des stratégies pour identifier, diagnostiquer et guider les patientes pendant et dans les semaines qui suivent leur grossesse. / Introduction. Preeclampsia (PE), preterm birth (PTB), and intrauterine growth restriction (IUGR) are some of the Great Obstetrical Syndromes plaguing 5-12% of all human pregnancies. These pathologies are major risk factors for short- and long-term maternal and neonatal health outcomes, affecting current and future generations. A central component to pregnancy is inflammation, whose fluctuations must be properly orchestrated for the proper development of the placenta and the fetus. Consequently, these pregnancy complications have been independently linked to inflammation and placental dysfunction. Previous studies investigating these pathologies have focused on individual compartments (maternal or placental) within singular conditions and have failed to integrate them, preventing their comparison and a more complete understanding. Additionally, pregnancy-associated conditions in the postpartum period, such as postpartum preeclampsia (PPPE) have been largely neglected due to the complexity of study designs and a lack of awareness regarding postpartum dynamics. Thus, I hypothesized that by integrating different compartments within an individual pathology and by comparing between pathologies in a systematic manner, I would be able to uncover novel pathology-specific signatures in both well-studied and under-studied pregnancy complications. To accomplish this, my objectives were first (1) to obtain an integrated view of the immune contributions of both the maternal and placental compartments in PTB compared to uncomplicated term pregnancies, followed by (2) the comparison of placentas from clinically distinct but overlapping pathologies to address their molecular profiles. Lastly, I aimed to (3) investigate the maternal immune profile in the under-studied pathology of PPPE to identify possible underlying mechanisms and novel therapeutic targets. Methods. I leveraged bulk-RNA and single-cell sequencing techniques to investigate molecular profiles of placental tissues and circulating immune cells, respectively, on samples from 174 subjects delivering either with or without pregnancy complications (CTL, PE, PTB, IUGR, and PPPE). This was complimented by the analysis of the inflammatory profiles in maternal circulation and at the maternal-fetal interface of these patients using flow cytometry, ELISA, multiplex, immunohistology, and cellular deconvolution techniques. Results. The integration of maternal and placental compartments in PTB revealed a number of known and novel differentially expressed genes enriched for inflammatory pathways - driven largely by spontaneous PTB. This inflammation was supported by the increase in inflammatory mediators in the plasma, placenta, and fetal membranes of women with PTB. Systemic changes in mediators may be related to the dysregulated proportions of immune cells, whereas the changes in local mediators may be related to the increased structural and inflammatory lesions. Analysis of placentas from clinically distinct complications supported similar inflammatory profiles in PTB and IUGR. I observed distinct molecular signatures between the pathologies, highlighting distinctions between EOPE and LOPE while showing that co-occurring conditions, especially PTB with or without IUGR, significantly affected placental transcriptomes. Lastly, I discovered novel changes in maternal circulation suggestive of dampened immune function in PPPE, and found that although the placenta was no longer present, the presence of CD163+ cells at the interface had a strong ability to predict which patients would go on to develop PPPE and should be further investigated as a potential non-invasive and predictive biomarker. Conclusions. Inflammation is associated with PE, PTB, and IUGR, but with distinct placental profiles that are dependent on PTB etiology as well as the presence of co-pathologies, which sheds light on their underlying complexities. There is clear distinction between the maternal and placental inflammatory compartments in PTB suggesting the placenta may be a stronger contributor. We provide evidence that these pathologies are not only distinct in their clinical manifestations but also in their placental profiles, and that even once the placenta is no longer present, we can leverage it to understand underlying mechanisms, develop strategies to identify, diagnose and guide patients during and in the weeks following pregnancy.

<p dir="ltr">The genetic perturbations caused by spaceflight on biological systems tend to have a system-wide effect which is often difficult to deconvolute into individual signals with specific points of origin. Single cell multi-omic data can provide a profile of the perturbational effects but does not necessarily indicate the initial point of interference within a network. The objective of this project is to take advantage of large scale and genome-wide perturbational or Perturb-Seq datasets by using them to pre-train a generalist machine learning model that is capable of predicting the effects of unseen perturbations in new data. Perturb-Seq datasets are large libraries of single cell RNA sequencing data collected from CRISPR knock out screens in cell culture. The advent of generative machine learning algorithms, particularly transformers, make it an ideal time to re-assess large scale data libraries in order to grasp cell and even organism-wide genomic expression motifs. By tailoring an algorithm to learn the downstream effects of the genetic perturbations, we present a pre-trained generalist model capable of predicting the effects of multiple perturbations in combination, locating points of origin for perturbation in new datasets, predicting the effects of known perturbations in new datasets, and annotation of large-scale network motifs. We demonstrate the utility of this model by identifying key perturbational signatures in RNA sequencing data from spaceflown biological samples from the NASA Open Science Data Repository.</p>