La drépanocytose est, sous sa forme grave, une pathologie très invalidante pour les personnes qui en sont porteuses. Elle est rythmée par la récurrence de crises vaso-occlusives (CVO) et autres symptomatiques qui en découlent (accident vasculaire cérébral, syndrome thoracique aigu, hypertension pulmonaire, etc.). En participant, chez des sujets sains et pathologiques, à la limitation de certains facteurs impliqués dans les CVO (inflammation, adhésion vasculaire, stress-oxydatif), l'entrainement physique régulier pourrait hypothétiquement être bénéfique au sujets drépanocytaires et participer à améliorer leurs qualités de vie. C'est l'hypothèse qui a été étudiée durant ce travail de thèse chez des sujets porteurs du trait drépanocytaire (PTD) puis sur un modèle de souris transgéniques drépanocytaires, les souris SAD. La première étude a permis de montrer que des sujets PTD entrainés présentaient, au repos et en réponse à un exercice incrémental maximal, des concentrations en molécules solubles d'adhérence vasculaire (sVCAM-1) inférieures à celles des sujets PTD sédentaires. Ces concentrations sont par ailleurs comparables à celles de sujets sains. Ce résultat allant dans le sens d'une limitation de l'activation endothéliale par l'entrainement chez les PTD, des études plus poussées ont été réalisées sur les souris SAD. Deux études de caractérisation ont été nécessaires pour mettre en place notre expérimentation sur les souris SAD. La première a permis de valider un protocole de 8 semaines en roue d'activité physique volontaire sur des souris saines C57Bl/6. La deuxième a permis de caractériser le déclenchement de la CVO chez des souris SAD à l'aide d'un protocole d'hypoxie/réoxygénation (H/R) du point de vue de l'inflammation, l'adhérence vasculaire et du stress-oxydatif. Ces deux études ont alors permis la mise en place du dernier protocole de cette thèse : l'entrainement par roue d'activité physique volontaire des souris SAD. Huit semaines d'activité physique ont induit, chez les souris SAD entrainées, une limitation des dysfonctionnements endothéliaux induit par le stress d'H/R et observé chez les souris SAD sédentaires. Cette thèse tend donc à montrer que l'activité physique régulière pourrait être bénéfique pour les souris SAD en limitant certains facteurs impliqués dans la CVO. D'autres études seront nécessaires sur d'autres modèles murins drépanocytaires plus sévères et dans un plus long terme chez l'Homme pour adapter ces conclusions au sujets drépanocytaires / Sickle cell disease is, in its severe form, a very disabling disease. lt is punctuated by recurrent vaso- occlusive crisis (VOC) which may induce other symptomatics (stroke, acute chest syndrome, pulmonary hypertension, etc ...). By participating, in healthy and pathological subjects, in the limitation of some factors involved in the VOC (inflammation, vascular adhesion, oxidative stress), habitual physical training could hypothetically be beneficial in subjects with sickle cell disease and participate in improving their quality of life. This hypothesis has been investigated during this thesis on sickle cell trait (SCT) carriers and on a transgenic sickle mice model, SAD mice. The first study showed that trained SCT carriers displayed, at rest as in response to an incremental and maximal exercise, lower plasma vascular cell adhesion molecules (sVCAM-1) compared to sedentary SCT carriers. Moreover, these concentrations were similar to that of healthy subject. These results confirm a possible limitation of endothelial activation in SCT carriers. This potential benefic effect has further been investigated in sickle SAD mice. Two characterization studies were necessary to establish our experiments on SAD mice: the first permitted to validate a 8 weeks voluntary wheel running (VWR) protocol on healthy C57Bl/6 mice while the second characterized the VOC induced by a hypoxia/reoxygenation (H/R) stress in SAD mice from the inflammation, vascular adhesion molecule and oxidative stress points of view. Thanks to these studies, a 8 weeks VWR protocol has been performed in SAD mice. Thus, physical activity permitted to reduce in VWR SAD mice the endothelial dysfunction induced by the H/R stress and observed in sedentary SAD mice. This thesis shows that habitual physical activity may be beneficial in sickle SAD mice in limiting some factors involved in VOC. Further studies will be necessary, on more severe sickle mice models and in a longer term in Humans, to adapt these findings to SCD subjects

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.

Il existe une grande variabilité dans la réponse aux chimiothérapies anticancéreuses. Ses sources sont diverses: génétiques, physiologiques, comorbidités, médicaments associés, etc. La marge thérapeutique de ces médicaments étant généralement étroite, une telle variabilité peut avoir de graves conséquences: toxicités graves ou absence d'effet thérapeutique. Plusieurs approches pour adapter individuellement les posologies ont été proposées: a priori (basées sur l'information génétique, la taille corporelle, les fonctions d'élimination, etc.) et a posteriori (sur les informations de mesures d'exposition au médicament et/ou effets). La modélisation à effets-mixtes de la pharmacocinétique et de la pharmacodynamie (PK-PD), combinée avec une estimation bayésienne des effets individuels, est la meilleure méthode pour individualiser des schémas posologiques a posteriori. Dans cette thèse, une nouvelle approche pour ajuster les doses sur la base des prédictions données par un modèle pour les observations catégorielles de toxicité a été développée et explorée par simulation. Les aspects plus techniques concernant l'estimation des paramètres individuels ont été analysés pour déterminer les facteurs de bonne performance de la méthode. Ces travaux étaient basés sur l'exemple du syndrome mains-pieds induit par la capécitabine dans le traitement du cancer colorectal. Une revue des modèles pharmacodynamiques de données discrètes (catégorielles, de comptage, de survie) a été effectuée. Enfin, des analyses PK-PD de l'hydroxyurée dans le traitement de la drépanocytose ont été réalisées pour comparer des différentes posologies et déterminer les modalités optimales de suivi du traitement / There is high variability in response to cancer chemotherapies among patients. Its sources are diverse: genetic, physiologic, comorbidities, concomitant medications, environment, compliance, etc. As the therapeutic window of anticancer drugs is usually narrow, such variability may have serious consequences: severe (even life-threatening) toxicities or lack of therapeutic effect. Therefore, various approaches to individually tailor treatments and dosing regimens have been developed: a priori (based on genetic information, body size, drug elimination functions, etc.) and a posteriori (that is using information of measurements of drug exposure and/or effects). Mixed-effects modelling of pharmacokinetics and pharmacodynamics (PK-PD), combined with Bayesian maximum a posteriori probability estimation of individual effects, is the method of choice for a posteriori adjustments of dosing regimens. In this thesis, a novel approach to adjust the doses on the basis of predictions, given by a model for ordered categorical observations of toxicity, was developed and investigated by computer simulations. More technical aspects concerning the estimation of individual parameters were analysed to determine the factors of good performance of the method. These works were based on the example of capecitabine-induced hand-and-foot syndrome in the treatment of colorectal cancer. Moreover, a review of pharmacodynamic models for discrete data (categorical, count, time-to-event) was performed. Finally, PK-PD analyses of hydroxyurea in the treatment of sickle cell anemia were performed and used to compare different dosing regimens and determine the optimal measures for monitoring the treatment