Mänsklig utforskning av månen och Mars innebär stora utmaningar för människans fysiologi och hälsa på grund av de unika miljöfaktorer som följer av långvariga rymduppdrag. Rymdbiologiska experiment har blivit ett viktigt verktyg för att studera effekterna som mikrogravitation och rymdstrålning har på levande organismer, i syfte att förstå och minska dessa utmaningar. Sådana experiment ger forskarna möjlighet att få insikt i rymduppdragens inverkan på människans fysiologi och utveckla strategier för att motverka eventuella skadliga effekter. Dessutom ger rymdbiologiska experiment möjlighet att öka vår förståelse av grundläggande biologiska processer, inklusive mikrogravitationens effekter på celldifferentiering och vävnadsregeneration, med potentiella tillämpningar för både rymdforskning och för att förbättra människors hälsa på jorden. Särskilt studier av mikrogravitationens effekter på hjärncellerna har potentiella konsekvenser för neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons sjukdom. Genom att analysera data som genererats från hjärnor hos möss som skickats ut i rymden med en ny R-mjukvara, ArchR, är det möjligt att belysa de mekanismer som ligger till grund för förändringar i hjärnans funktion och beteende hos astronauter under långvariga rymduppdrag. Genom att förstå dessa mekanismer kan man utveckla nya terapeutiska metoder för att behandla eller till och med förebygga dessa sjukdomstillstånd. Fortsatta investeringar i rymdbiologisk forskning är avgörande för att garantera säkerheten och framgången för framtida, långvariga rymdforskningsuppdrag för människor. Genom att integrera avancerad teknik, t.ex. användning av spatiell transkriptomik eller sekvensering med encellsupplösning, kan en omfattande förståelse av komplexa biologiska system tolkas. De potentiella fördelarna med rymdbiologisk forskning sträcker sig längre än till att bara förstå effekterna av rymdfärder på människans fysiologi, med konsekvenser för grundläggande biologiska processer och behandling av en rad neurologiska sjukdomar. / Human exploration of the Moon and Mars poses significant challenges to human physiology and health due to the unique environmental factors that accompany long-duration space missions. Space biology experiments have emerged as an essential tool for studying the effects of microgravity and space radiation on living organisms, in order to understand and mitigate these challenges. Such experiments provide researchers with the opportunity to gain insights into the impacts of prolonged exposure to outer space on human physiology, and develop strategies to counteract any harmful effects. Additionally, space biology experiments offer the potential to enhance our understanding of fundamental biological processes, including the effects of microgravity on cell differentiation and tissue regeneration, with potential applications for both space exploration and improving human health on Earth. Previous research indicated the regulation of similar biomarkers, studying the effects of microgravity on brain cells could offer valuable insights into the potential impact on neurodegenerative conditions such as Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. By analyzing data generated from the brains of mice that have been sent to space with a new R-software tool called ArchR, it is possible to elucidate the mechanisms underlying changes in brain function and behavior in astronauts during long-duration space missions. Understanding these mechanisms can inform the development of new therapeutic approaches to treating or even preventing these conditions. Continued investment in space biology research is critical to ensuring the safety and success of future long-term human space exploration missions. By integrating advanced technologies, such as the use of spatial transcriptomics or sequencing at the single-cell resolution, comprehensive understanding of complex biological systems can be interpreted. The potential benefits of space biology research extend beyond just understanding the effects of spaceflight on human physiology, with implications for fundamental biological processes and the treatment of a range of neurological diseases.

La leucémie est une forme de cancer qui affecte les cellules du système hématopoïétique. Selon la lignée cellulaire affectée et la vitesse de développement du cancer, la leucémie peut être myéloïde ou lymphoïde, aiguë ou chronique, respectivement. Chez les enfants, elles sont souvent caractérisées par la présence de translocations chromosomiques, impliquant notamment le gène KMT2A. L'impact biologique de ces fusions de gènes, connues pour être des perturbateurs épigénétiques, est encore mal compris. Afin d’étudier spécifiquement les conséquences de la présence de fusion impliquant le gène KMT2A, un modèle leucémique humain chez la souris a été mis en place. Le modèle utilisé consiste à induire de manière rétrovirale l’expression d’une fusion oncogénique dans des cellules souches hématopoïétiques et progénitrices d’un unique donneur sain. Ces cellules sont ensuite injectées dans des souris immunodéficientes pour produire une leucémie aiguë myéloïde ou lymphoïde après quelques semaines. L’utilisation de ce modèle leucémique vise à définir les gènes qui sont régulés de manière épigénétique et essentiels dans le processus de leucémogenèse médié par une translocation chromosomique faisant intervenir le gène KMT2A. La première partie des travaux cartographie les changements génétiques et épigénétiques à chacun des stades de la leucémogénèse causée par la fusion KMT2A-MLLT3. Nous avons cartographié les changements épigénétiques tels que la méthylation de l’ADN (Methyl-seq), les modifications des histones (ChIP-seq) et l’accessibilité de la chromatine (ATAC-seq), puis les avons corrélés avec les niveaux d’expression des gènes (RNA-seq). Nous avons observé que les leucémies myéloïdes aiguës présentent un phénotype global d'hypométhylation tandis que les changements d'expression après l'addition de la fusion ont mis en évidence l’inactivation de gènes associés aux cellules souches et des altérations dans d'autres gènes impliqués dans la leucémogenèse tels que S100A8/9. Nos données d’ATAC-seq ont montré qu'il y avait relativement peu de changements spécifiques à la leucémie myéloïde aiguë et que la grande majorité correspondait à des régions de chromatine ouvertes et à des régions contenant des motifs pour des facteurs de transcription précédemment observés dans d'autres types de cellules sanguines. L’analyse des marques d’histones associées à des promoteurs actifs suggère également un potentiel rôle du récepteur CCR1 et de son ligand spécifique CCL23. Finalement, nos résultats suggèrent que la transformation leucémique par la fusion KMT2A-MLLT3 implique des modifications épigénétiques minimes qui requièrent également la coopération des réseaux transcriptionnels utilisés dans les cellules sanguines normales. La deuxième partie de cette thèse s’intéresse à la fusion de gènes KMT2A-MLLT4, une translocation chromosomique peu étudiée mais pour laquelle le pronostic vital des patients est connu pour être défavorable et pire que celui des patients porteurs de la fusion KMT2A-MLLT3. L’extension de notre modèle à la fusion KMT2A-MLLT4 nous permet d’appliquer les mêmes approches que précédemment et de détailler les différences génétiques et épigénétiques entre ces deux fusions, jusqu’à maintenant jamais caractérisées. Nous avons pu observer une baisse globale d’expression dans un groupe de gènes intervenant dans les processus ribosomaux et traductionnels. Par ailleurs, PROM1 (CD133) fait office de potentiel candidat biomarqueur permettant la distinction entre ces deux translocations chromosomiques tandis que le gène LPL pourrait jouer un rôle dans la leucémogenèse médiée par la fusion de gènes KMT2A-MLLT4. En conclusion, l’étude des mécanismes à chacun des stades du développement leucémique nous a fourni une meilleure compréhension des changements épigénétiques intervenant dans le processus de leucémogenèse causé par des réarrangements de type KMT2A. Une meilleure caractérisation de la pathophysiologie de la leucémie pourrait permettre d’explorer des avenues thérapeutiques plus ciblées. / Leukemia is a form of cancer that affects blood cells. Depending on the affected cell lineage and the rate at which the cancer grows, leukemia can be myeloid or lymphoid, or acute or chronic, respectively. In children, they are often characterized by the presence of chromosomal translocations, in particular involving the KMT2A gene. The biological impact of these gene fusions, known to be epigenetic disruptors, is still poorly understood. To study the consequences of the presence of gene fusions involving KMT2A, we have developed a human leukemia model. The model consists of transducing hematopoietic stem and progenitor cells (CD34+) from a single healthy donor with a retrovirus bearing an oncogenic fusion. These cells are injected into immunodeficient mice to produce acute myeloid or lymphoid leukemia after a few weeks. By using this model, we aim to define genes that are epigenetically regulated and essential in the process of leukemogenesis mediated by KMT2A gene fusions. The first part of this thesis characterized the genetic and epigenetic changes at each step of leukemogenesis caused by KMT2A-MLLT3 gene fusion. We investigated epigenetic changes such as DNA methylation (Methyl-seq), histone marks (ChIP-seq), and chromatin accessibility (ATAC-seq) and correlated these with expression changes (RNA-seq). We observed that acute myeloid leukemias exhibit a profound hypomethylation phenotype while expression changes after addition of the fusion highlighted the loss of stem cell associated genes and alterations in other genes implicated in leukemogenesis such as S100A8/9 in the early stages of leukemic transformation. Our ATAC-seq data showed that there were relatively few changes specific to acute myeloid leukemia and that the vast majority corresponded to open chromatin regions and clusters of transcription factors previously seen in other types of blood cells. Examination of ChIP-seq data for active histone marks revealed that leukemia specific expression of the chemokine CCL23 can enable autocrine signalling through its cognate receptor, CCR1. Our results suggest that KMT2A-MLLT3 induces minimal changes in the epigenome while co-opting the normal transcriptional machinery to drive leukemogenesis. The second part of this thesis focuses on KMT2A-MLLT4 gene fusion, another chromosomal translocation for which the vital prognosis of patients is known to be worse than that of patients carrying the KMT2A-MLLT3 fusion. The extension of our model to the KMT2A-MLLT4 fusion allows us to apply the same approaches and to characterize the genetic and epigenetic differences between these two different leukemias. We were able to observe a dramatic decrease in the expression level of a group of genes involved in ribosomal and translational processes. Furthermore, PROM1 (CD133) acts as a potential biomarker candidate which might be used to make the distinction between these two leukemias. LPL gene might play a role in leukemogenesis mediated by KMT2A-MLLT4 gene fusion. In conclusion, studying the mechanisms at each stage of leukemic development has provided us with a better understanding of the epigenetic changes involved in the process of leukemogenesis mediated by KMT2A rearrangements. A better characterization of the pathophysiology of leukemia could make it possible to eventually develop more targeted therapeutic treatments.

Syftet med detta projekt var att undersöka hur vanligt använda cancerläkemedel påverkar mRNA-uttryck och kromatinorganisation i humana erytroleukemiceller. Som modell användes K562-celler från en patient i blastocystkris (2), för att utvärdera leukemicellernas svar på cancerläkemedel vinblastin och doxorubicin. Vinblastin och doxorubicin valdes på grund av deras distinkta mekanismer i cancercellen: medan doxorubicin interkaleras i DNA, hämmar topoisomeras II-aktivitet vilket orsakar celldöd, riktar vinblastin sig mot mikrotubuli för att stoppa mitotisk delning och proliferation. Uttryck av mRNA undersöktes i celler vid 0-timmar, 6-timmar och 24-timmar drogbehandling, samt efter en veckas återhämtning från 24-timmars drogbehandling. Kromatintillgänglighet med ATAC-seq undersöktes i K562-celler vid 0- timmar, 1-timmar, 6-timmar, 24-timmar och 24-timmar + en veckas återhämtning. Därefter utfördes DNA (ATAC-seq) och RNA (mRNA-seq) extraktion och biblioteksberedning på tre biologiska replikat, och öppna DNA-regioner samt mRNA expression undersöktes via sekvensering. Resultaten visade en stark korrelation mellan de biologiska replikaten, vilket indikerar att resultaten var upprepbara. Differentiellt uttryck av mRNA vid doxorubicin- och vinblastinbehandlingar utfördes genom att jämföra mRNA-nivåerna i läkemedelsbehandlade prover med obehandlade (0-timmar). Uppreglerade och nedreglerade gener identifierades och MA-grafer genererades för att visuellt analysera de differentiellt uttryckta generna vid olika tidpunkter efter läkemedelsbehandling och en veckas återhämtning. För att hitta anrikningar av funktionella genkategorier bland de läkemedelsinducerade eller -undertryckta generna, utfördes genontologianalyser. Slutligen användes verktyget Integrative Genomics Viewer (IGV) för att visuellt utforska mRNA-nivåerna och deras differentiella uttrycksmönster under läkemedelsbehandlingar. För ATAC-seq utfördes inte detaljerad dataanalys på grund av tidsbegränsning, men genomets öppenhet undersöktes visuellt genom IGV. Sammantaget inducerade doxorubicinbehandling en långsamt men långvarig förändring av genuttrycket, vilket involverade flera olika biologiska processer. Doxorubicinbehandlade K562-celler ändrade genuttryck att stöda kemoresistens snarare än att inducera apoptos eller celldöd. Behandlingen hade en långvarig inverkan på mRNA-nivåer som sträckte över återhämtningsveckan. Den totala uttrycksförändringen i återhämtningsproverna var förknippad med återhämtning av tumörigena egenskaper och återställning av mekanismener som stöder cellernas tillväxt. Vinblastine förorsakade snabb ökning av mRNA involverade i cytoskelettet. Vid 24-timmars vinblastinbehandling upplevde tumörcellerna stress på grund av grovt elongerad struktur, och de inducerade gener som stöder tumörbildning. En ökning av totala mRNA-nivåer detekterades i vinblastinbehandlade K562-leukemiceller, vilket var särskilt tydligt under återhämtningen. Resultaten visade att cellerna som överlevde vinblastinbehandling fokuserade på att återställa sin strukturella form. Sammantaget visade resultaten att monoterapi inte fungerar effektivt mot leukemiceller eftersom K562-leukemiceller inte bara överlevde läkemedelsbehandlingarna utan också inducerade mRNA som är involverade i resistens mot läkemedelsbehandlingar. / The primary objective of this project is to investigate how commonly used cancer drugs affect mRNA expression and chromatin organization in human erythroleukemia cells. As a model, K562 cells derived from a patient in blastocyst crisis (2) were utilized, evaluating the leukemia cells’ cellular responses to cancer medicines vinblastine and doxorubicin. Vinblastine and doxorubicin were chosen due to the distinct pathways they target in the cell: while doxorubicin intercalates into DNA and inhibits topoisomerase II activity, which eventually cause cell death, vinblastine targets microtubules to stops mitotic division and excessive proliferation. Expression of mRNA was investigated in cells harvested at 0h, 6h, 24h and 24h + one week recovery. Chromatin accessibility with ATAC-seq was investigated in K562 cells harvested at 0h, 1h, 6h, 24h and 24h + one week recovery. Then DNA (ATAC-seq) and RNA (mRNA-seq) extraction and library preparation were performed on three replicates, and the genome-wide results was investigated via sequencing. The results showed a strong correlation between the biological replicates, indicating that the experimental conditions were sustained in these biological variables. Differential Expression of mRNA upon doxorubicin and vinblastine treatments was performed by comparing the mRNA levels in drug-treated samples to non-treated (0h) upregulated and down regulated genes were identified and MA plots generated to visually analyze the differentially expressed genes at different time points after drug treatment and one week recovery. To find enrichments of functional gene categories among the drug-induced or -repressed genes, gene ontology analyses were performed. Finally, the Integrative genomics viewer (IGV) tool was used to visually explore the mRNA levels and their differential expression pattern during drug treatments. For ATAC-seq, detailed data analysis was not performed due to limitation of time, and data was only visually explored through IGV. Taken together, doxorubicin treatment showed slow initial response within 6h followed by an extensive change in gene expression in 24h, involving several different biological processes. The response was more inclined towards chemoresistance rather than inducing apoptosis or cell death. There was a sustained increase in mRNA levels of doxorubicin treated leukemia cells during recovery week. The overall expression change in the recovery samples was majorly linked with not only gaining back the tumourigenic properties and restoring the mechanism which were affected by doxorubicin action but, based on changes in mRNA expression, it looks like doxorubicin treatment made the tumour cells more aggressive. The initial, 6h, response to vinblastine increases mRNAs involved in cytoskeleton. Upon 24h vinblastine treatment the tumour cells experienced stress due to shear force and structural deformity, and they induced genes supporting tumourigenesis. An increase in total mRNA levels was detected in vinblastine-treated K562 leukemia cells, which was particularly evident during recovery. The results indicated that the cells that survived vinblastine treatment focused on recovering its structural form. Overall, the results indicated that monotherapy does not effectively work against leukemia cells as K562 leukemia cells not only survived the drug treatments but also induced mRNAs involved in resistance against drug treatment.