L'atteinte vasculaire cérébrale est une complication grave et fréquente chez les enfants drépanocytaires, car elle impacte leur pronostic, en termes de morbidité (handicap) et de mortalité. L’accélération des vitesses mesurées par le doppler transcrânien (DTC) est prédictive du risque d'infarctus cérébral et implique une modification de la prise en charge thérapeutique. Chez l’enfant drépanocytaire, l'infarctus cérébral est d'origine multifactorielle, lié à la vasculopathie cérébrale sténotique ainsi qu'à une hypercoagulabilité et une activation cellulaire. Nous avons étudié de manière prospective l'association de marqueurs biologiques au DTC chez 108 enfants porteurs de syndrome drépanocytaire majeur et recherché des éléments prédictifs d'événement vasculaire périphérique ou cérébral. Nous avons ainsi réalisé une analyse approfondie de la fonction endothéliale, de l’activation de l’hémostase primaire et de la coagulation, de l'activation cellulaire et de la mécanique artérielle. L’atteinte vasculaire cérébrale a été estimée en considérant les données du DTC comme une variable continue plutôt que catégorielle. Le principal résultat est le rôle prédictif du nombre des cellules souches hématopoïétiques CD34+ pour la survenue d'événements cliniques vasculaires. Nous avons également mis en évidence un profil particulier de coagulation chez les enfants drépanocytaires présentant des céphalées récurrentes ou des accès migraineux. Ceci supporte l'hypothèse que les céphalées chez l'enfant drépanocytaire, et notamment celles répondant aux critères de la migraine, peuvent être le reflet d'événements ischémiques cérébraux ultra-transitoires. Elles représentent donc peut-être un indicateur indirect de risque ischémique cérébral. Nous avons par ailleurs montré que le risque hémorragique cérébral chez les enfants drépanocytaires restait proportionnellement stable par rapport au risque ischémique, malgré l'utilisation en routine de stratégies de prévention du risque ischémique. L'observation de lésions sténotiques et d'anévrismes permet de supposer que ces atteintes vasculaires cérébrales procèdent de mécanismes physiopathologiques communs. L'amélioration de la compréhension des mécanismes physiopathologiques des complications neurovasculaires et la mise en évidence de facteurs prédictifs d'événements cliniques est un pas supplémentaire vers l'amélioration de la sensibilité diagnostique de la vasculopathie cérébrale drépanocytaire, de la compréhension des mécanismes des accidents vasculaires cérébraux de ces enfants et probablement de leur pronostic neurologique en permettant une prise en charge thérapeutique adaptée plus précoce. / Cerbrovascular involvement is frequent in children with sickle-cell disease (SCD). It is severe in terms of morbidity (handicap) and mortality. Accelerated intracranial arterial blood flow velocity measured by transcranial doppler (TCD) is predictive for stroke occurrence and leads to therapeutic modifications. In SCD children, ischemic stroke results from stenotic cerebral vasculopathy associated with hypercoagulability, and cell activation. We prospectively addressed associations between biological markers and TCD velocity in 108 children with sickle-cell anemia (HbSS or HbSβ°) and looked for predictive factors for vascular peripheral or cerebral events. We performed extensive work-up of endothelial function, coagulation activation, cell activation, and arterial wall mechanics. Cerebral vasculopathy was defined using TCD velocity (continuous data) rather than the classical category classification. The main result is the demonstration of the role of hematopoietic stem cell CD34+ for the prediction of clinical vascular event occurrence. We also demonstrated an imbalanced coagulation profile in SCD children with recurrent cephalalgia or migraine. This finding supports the hypothesis that recurrent cephalalgia, especially migraine, could be a symptom of ultra-transient ischemic cerebrovascular events in SCD children. Therefore, this symptom may also indicate increased cerebrovascular ischemic risk. We demonstrated that the ratio cerebral hemorrhagic risk / cerebral ischemic risk in SCD children remains stable, despite the routine use of strategies aiming at reducing ischemic stroke risk. The concurrent observation of intracranial arterial stenotic lesions and aneurysm suggests common pathophyiological mechanisms. Improving pathophysiological understanding of cerebrovascular complications and demonstrating predictive risk factors for clinical events may help clinicians to improve early diagnosis of SCD-associated cerebral vasculopathy, to better understand stroke mechanism in this population, and probably to improve neurological outcome with earlier and more adapted management

Les études d’association pan-génomiques ont révélé plusieurs variants génétiques associés à des traits complexes. Les mesures érythrocytaires ont souvent fait l’objet de ce genre d’études, étant mesurées de façon routinière et précise. Comprendre comment les variations génétiques influencent ces phénotypes est primordial étant donné leur importance comme marqueurs cliniques et leur influence sur la sévérité de plusieurs maladies. En particulier, des niveaux élevés d’hémoglobine fœtal chez les patients atteints d’anémie falciforme est associé à une réduction des complications et une augmentation de l’espérance de vie. Néanmoins, la majorité des variants génétiques identifiés par ces études tombent à l’intérieur de régions génétiques non-codantes, augmentant la difficulté d’identifier des gènes causaux. L’objectif premier de ce projet est l’identification et la caractérisation de gènes influençant les traits complexes, et tout particulièrement les traits sanguins. Pour y arriver, j’ai tout d’abord développé une méthode permettant d’identifier et de tester l’effet de gènes knockouts sur les traits anthropométriques. Malgré un échantillon de grande taille, cette approche n’a révélé aucune association. Ensuite, j’ai caractérisé le méthylome et le transcriptome d’érythroblastes différentiés à partir de cellules souches hématopoïétiques et identifié plusieurs gènes potentiellement impliqués dans les programmes érythroïdes fœtaux et adultes. Par ailleurs, j’ai identifié plusieurs micro-ARNs montrant des motifs d’expression spécifiques entre les stages fœtaux et adultes et qui sont enrichis pour des cibles exprimées de façon opposée. Finalement, j’ai identifié plusieurs variants génétiques associés à l’expression de gènes dans les érythroblastes (eQTL). Cette étude a permis d’identifier des variants associés à l’expression du gène ATP2B4, qui encode le principal transporteur de calcium des érythrocytes. Ces variants, qui sont également associés à des traits sanguins et à la susceptibilité à la malaria, tombent dans un élément d’ADN spécifique aux cellules érythroïdes. La délétion de cet élément par le système CRISPR/Cas9 induit une forte diminution de l’expression du gène et une augmentation des niveaux de calcium intracellulaires. En conclusion, des échantillons de génotypages exhaustifs seront nécessaires pour étudier l’effet de gènes knockouts sur les traits complexes. Les érythroblastes montrent de grandes différences au niveau de leur méthylome et transcriptome entre les différents stages développementaux. Ces différences influencent potentiellement la régulation de l’hémoglobine fœtale et impliquent de nombreux micro-ARNs et régions régulatrices non-codantes. Finalement, l’exemple d’ATP2B4 montre qu’intégrer des études épigénomiques, transcriptomiques et des expériences d’édition de génome est une approche puissante pour caractériser des variants génétiques non-codants. Par ailleurs, ces résultats impliquent ATP2B4 dans l’hydratation des érythroblastes, qui est associé à la susceptibilité à la malaria et la sévérité de l’anémie falciforme. Cibler ATP2B4 de façon thérapeutique pourrait avoir un impact majeur sur ces maladies qui affectent des millions d’individus à travers le monde. / Genome-wide association studies (GWAS) have revealed several genetic variants associated with complex phenotypes. This is the case for red blood cell (RBC) traits, which are particularly amenable to GWAS as they are routinely and accurately measured. Understanding RBC trait variation is important given their significance as clinical markers and modifiers of disease severity. Notably, increased fetal hemoglobin (HbF) production in sickle cell disease (SCD) patients is associated with a higher life expectancy and decreased morbidity. Nonetheless, most variants identified through GWAS fall in non-coding regions of the human genome, increasing the difficulty of identifying causal links. The main goal of this project was to identify and characterize genes influencing complex traits, and in particular RBC phenotypes. First, I developed an approach to identify and test potential gene knockouts affecting anthropometric traits in a large sample from the general population, which did not yield significant associations. Then, I characterized the DNA methylome and transcriptome of erythroblasts differentiated ex vivo from hematopoietic progenitor stem cells (HPSC), and identified several genes potentially implicated in fetal and adult-stage erythroid programs. I also identified microRNAs (miRNA) that show specific developmental expression patterns and that are enriched in inversely expressed targets. Finally, I mapped expression quantitative trait loci (eQTL) in erythroblasts, and identify erythroid-specific eQTLs for ATP2B4, the main calcium ATPase of RBCs. These genetic variants are associated with RBC traits and malaria susceptibly, and overlap an erythroid-specific enhancer of ATP2B4. Deletion of this regulatory element using CRISPR/Cas9 experiments in human erythroid cells minimized ATP2B4 expression and increased intracellular calcium levels. In conclusion, large and comprehensive genotyping datasets will be necessary to test the role of rare gene knockouts on complex phenotypes. The transcriptomes and DNA methylomes of erythroblasts show substantial differences correlating with their developmental stages and that may be implicated in HbF production. These results also suggest a strong implication of erythroid enhancers and miRNAs in developmental stage specificity. Finally, characterizing the erythroid-specific enhancer of ATP2B4 suggest that integrating epigenomic, transcriptomic and gene editing experiments can be a powerful approach to characterize non-coding genetic variants. These results implicate ATP2B4 in erythroid cell hydration, which is associated with malaria susceptibility and SCD severity, suggesting that therapies targeting this gene could impact diseases affecting millions of individuals worldwide.

La drépanocytose est une hémoglobinopathie grave caractérisée par des crises vaso-occlusives (CVOs) récurrentes et douloureuses ainsi que par une anémie hémolytique notamment dues à une inflammation vasculaire et un stress oxydant chroniques. Le caractère imprévisible des CVOs et les dommages tissulaires sévères et multifocaux subséquents rendent extrêmement difficile l'établissement d'un traitement efficace, expliquant pourquoi, à ce jour, il n'existe encore aucun traitement curatif applicable à l'ensemble de la population drépanocytaire. Sur la base de travaux réalisés précédemment dans d'autres maladies, l'objectif de ce projet était de tester l'hypothèse d'effets modulateurs favorables de l'activité physique régulière d'une part et de vérifier l'implication d'un modulateur du stress oxydant et de l'inflammation, le RAGE (Receptor of advanced glycation end products) d'autre part, dans la drépanocytose. La 1ère étude montre qu'un entrainement sur roue d'activité pouvait améliorer le métabolisme du NO pulmonaire et limiter le stress oxydant cardiaque ainsi que l'hémolyse chez un modèle murin modérément sévère de drépanocytose, la souris SAD. Par la suite nous avons réalisé une étude de caractérisation phénotypique du modèle Townes plus sévère, afin de cibler plus précisément les molécules et organes d'intérêt et d'optimiser les deux derniers protocoles portant sur ce modèle de souris. L'étude 3 complète alors la 1ère étude en mettant en évidence une amélioration de l'oxygénation veineuse et une baisse de l'inflammation systémique et rénale ainsi que de la congestion splénique par l'entrainement sportif chez les souris Townes, à l'état stable. Enfin la 4ème étude démontre une implication importante des RAGEs dans la physiopathologie drépanocytaire. En effet, l'inhibition spécifique de ces récepteurs semble limiter les processus hémolytiques, l'expression hépatique et rénale de marqueurs du stress oxydant et de l'inflammation et stimuler l'expression d'eNOS ainsi que la concentration plasmatique en métabolites du NO chez les souris Townes. Il ressort de ce travail de thèse, des éléments prometteurs quant à l'utilisation thérapeutique de l'entrainement sportif ou de l'inactivation des RAGEs dans la drépanocytose bien que des études complémentaires chez l'Homme et la souris soient respectivement nécessaires avant de confirmer ces conclusions / Sickle cell disease (SCD) is a severe hemoglobinopathy punctuated by recurrent painful vaso-occlusive crises (VOC) and by hemolytic anemia mainly due to chronic vascular inflammation and oxidative stress. VOCs are unpredictable and lead to serious multifocal organ damages making difficult the development of effective treatment and explaining why there is still no curative therapy applicable to the entire SCD population. Based on previous studies, the aim of this work was to characterize the effects of i) moderate exercise training ii) the contribution of RAGE (Receptor for advanced glycation end products) which is a modulator of oxidative stress and inflammation, to the vicious circle of SCD. The first study shows that voluntary wheel running improved NO metabolism in lungs and blunted cardiac oxidative stress and hemolysis in SAD mice presenting a mild phenotype of SCD. We then proceed to a phenotypic characterization of a severe SCD mouse model (Townes) to target more precisely molecules and organs of interest in order to optimize following protocols. The third study completes data from the first study in highlighting a better venous oxygenation, a decrease in systemic and renal inflammation and a limited splenic congestion after exercise training in sickle Townes mice. Ultimately, the fourth study highlights the involvement of RAGE in the SCD pathophysiology. Indeed, specific inhibition of RAGE may reduce hemolysis, blunt expression of oxidative stress and inflammation markers in the liver and kidney and stimulates endothelial NO synthase as well as plasma NO metabolites in sickle Townes mice. It has emerged from this work promising new data regarding the therapeutic use of exercise training or RAGE inhibition in SCD. Nonetheless, additional studies on humans are required before confirming our conclusions

Sickle cell anemia (SCA) is the result of a mutation in the beta globin chain gene, resulting in the production of an abnormal hemoglobin, Hb S. Losing oxygen, Hb S decreases its solubility, suffering aggregation and polymerization, which hardens and distorts the erythrocytes causing occlusion of small blood vessels. The venocclusive phenomena characteristic of AF may occur in any organ, including the heart and lung. These complications are among the leading causes of morbidity and mortality related to this disease. Objectives: To evaluate cardiopulmonary involvement of children, adolescents and young adults with sickle cell anemia and investigate the correlations between left ventricular hypertrophy (LVH) and restrictive lung pattern variables, as well as any associations. Method: Cross-sectional study in which were consecutively included patients with SCA, attending the Pediatric Hematology, University Hospital, Federal University of Sergipe. Demographic, clinical and laboratory data have been collected and ecocadiograma and spirometry were performed. Results: 153 patients have been studied, with a mean age of 14.9 years. LVH was identified in 40% of patients, without systolic or diastolic dysfunction. Patients with LVH had lower hemoglobin levels, higher albumin/creatinine ratio and AST (p=0.03, 0.02 and 0.03 respectively). Impairment in pulmonary function has been found in 60.9 % of patients, of which 46.9% had pulmonary restrictive pattern. These had higher mean of age (p=0.04) and showed higher mean corpuscular volume, AST and creatinine clearance (p=0.03, 0.03 and 0.02, respectively). There was not statistic between LVH and restrictive lung pattern (p=0.49). suggesting that they are events with different natural histories. The findings of the study indicate the need for investigation of cardiopulmonary alterations in patients with sickle cell anemia. Spirometry and echocardiography should be performed independently. / A anemia falciforme (AF) é o resultado de uma mutação no gene da cadeia globínica beta resultando na produção de uma hemoglobina anormal, a hemoglobina S (HbS). Ao perder oxigênio, a Hb S diminui sua solubilidade, sofrendo agregação e polimerização, que enrijece e distorce o eritrócito causando oclusão de pequenos vasos sanguíneos. Os fenômenos vaso-oclusivos característicos da AF podem ocorrer em qualquer órgão, incluindo o coração e os pulmões. As complicações cardiopulmonares estão entre as principais causas de morbidade e mortalidade desta doença. Objetivos: Avaliar o comprometimento cardiopulmonar de crianças, adolescentes e adultos jovens portadores de anemia falciforme e determinar variáveis relacionadas a hipertrofia do ventrículo esquerdo (HVE) e ao padrão restritivo pulmonar, bem como eventuais associações. Método: Estudo transversal no qual foram incluídos de forma consecutiva pacientes portadores de AF, atendidos no Serviço de Hematologia Pediátrica do Hospital Universitário da Universidade Federal de Sergipe. Foram coletados dados demográficos, clínicos e laboratoriais, e realizados ecocadiograma e espirometria. Resultados: Foram estudados 153 pacientes com média de idade de 14,9 anos. HVE foi encontrada em 40% dos pacientes, sem disfunção sistólica ou diastólica. Pacientes com HVE apresentaram valores menores de hemoglobina, maior relação albumina/creatinina e aminotransferase aaminotransferase a aminotransferase a aminotransferase a aminotransferase a aminotransferase aaminotransferase aaminotransferase aaminotransferase asparatosparato sparato sparato (AST) (AST)(AST) (p= 0,03; 0,02 e 0,03 respectivamente). Alterações na função pulmonar foram encontradas em 60,9% dos pacientes, dos quais 46,9% apresentaram padrão restritivo pulmonar. Estes possuíam média de idade mais elevada (p=0,04) e apresentaram valores maiores de volume corpuscular médio, AST e clearance de creatinina (p=0,03; 0,03 e 0,02 respectivamente). A comparação entre os pacientes não evidenciou associação entre HVE e padrão restritivo pulmonar (p=0,49), sugerindo serem eventos com diferentes histórias naturais. Os achados do estudo indicam a necessidade de investigação de alterações cardiopulmonares nos pacientes com anemia falciforme. Espirometria e ecocardiograma devem ser realizados de forma independente.

L’hémolyse post transfusionnelle retardée (HPTR) est une complication potentiellement mortelle de la transfusion dans la drépanocytose. Sa fréquence est sous-estimée et aucun facteur prédictif de sa survenue n'a encore été identifié. Nous avons mené une étude observationnelle prospective monocentrique pendant 30 mois. Nous avons inclus 694 épisodes transfusionnels (ET) chez 311 patients adultes drépanocytaires, divisés en ET ponctuels (ETP = 360) et en ET chronique dans le cadre d’un programme (ETC = 334). Au cours de ce suivi, 15 HPTR ont été enregistrées, exclusivement après un ETP. L'incidence cumulative d’HPTR sur 30 mois était de 4,2 % par ETP (IC 95 % [2,6 ; 6,9]) ou 6,8 % par drépanocytaires transfusés (IC 95 % [4,2 ; 11,3]). Le taux d’incidence était de 16,4 HPTR pour 1000 ETP-Année (IC 95 % [10,1 ; 27,2]) ou 27,1 HPTR pour 1000 Personne-Année (IC 95% [16,7 ; 45,0]). Nous avons étudié 11 HPTR supplémentaires afin de construire un score prédictif. Les variables retenues étaient un antécédent d’HPTR, le nombre d’unités précédemment transfusées et l’état d’immunisation pré transfusionnelle. L’adéquation du score était excellente (Hosmer-Lemeshow = 1,40, p = 0,71), sa capacité discriminante très satisfaisante (aire sous la courbe ROC = 0,85 ; p < 0,0001), une valeur prédictive négative de 98,4 % et une valeur prédictive positive de 50,0 %. La validité interne du score, réalisée par Bootstrap, montre une très bonne performance. Nous rapportons, pour la première fois, l'incidence de l’HPTR et montrons qu’elle survient uniquement suite à un ETP. Nous décrivons également un score simple de prédiction d’une HPTR avant un ETP afin de mieux prendre en charge cette transfusion. / Delayed hemolytic transfusion reaction (DHTR) is a life-threatening complication of transfusion in sickle cell disease (SCD). The frequency of DHTR is underestimated and no predictive fac-tors for identifying patients likely to develop DHTR have yet been defined. We conducted a prospective single-center observational study over 30 months. We included 694 transfusion epi-sodes (TE) in 311 adult patients, divided into occasional TE (OTE: 360) and TE during a chronic program (CTE: 334). During follow-up, 15 cases of DHTR were recorded, exclusively after OTEs. DHTR cumulative incidence durin the 30 months was 4.2% per OTE (95% CI [2.6, 6.9]) or 66.8% per patient (95% CI [4.2, 11.3]). The incidence rate was 16.4 DHTR per 1000 OTE-Year (95% CI [10.1, 27.2]) or 27.1 DHTR per 1000 Person-Year (95% CI [16.7 ; 45.0]). We studied 11 additional DHTR cases to construct a score for predicting DHTR after OTE. Fifteen % of the 26 DHTR patients died. The variables retained in the multivariate model were history of DHTR, number of units previously transfused and immunization status before transfusion. The score adequacy was excellent (Hosmer-Lemeshow = 1.40, p = 0.71), very satisfactory dis-criminant capacity (area under ROC curve = 0.85, p <0.0001), negative-predictive value of 98.4% and a positive-predictive value of 50%. The internal validity of the score, realized by Bootstrap, shows a very good performance.We report, for the first time, the incidence of DHTR and we show that DHTR developed only in OTE. We also describe a simple score for predicting DHTR in patients undergoing occasional transfusion, to facilitate the management of blood transfusion in SCD patients.

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.

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Die Infektion mit dem Erreger der Malaria tropica, Plasmodium falciparum, verläuft individuell unterschiedlich. Während manche der Infizierten rasch an einer komplizierten Malaria versterben, zeigen andere keinerlei Symptomatik, obwohl jahrelang eine Parasitämie besteht. Was diese Individuen voneinanderen unterscheidet, ist weitgehend unbekannt. Morbidität und Mortalität der Erkrankung sind von der Auseinandersetzung zwischen Wirt und Parasit abhängig, die von exogenen und endogenen Faktoren beeinflußt wird. Unter den endogenen Faktoren spielen die genetischen Determinanten, die sowohl an angeborenen als auch an erworbenen Resistenz- und Immunmechanismen beteiligt sind, eine besondere Rolle. In den hier zusammengefaßten Arbeiten wurden als Determinanten der angeborenen Resistenz gegenüber Malaria die Sichelzellanämie, Alpha-Thalassämie, G6PD-Mangel und der HLA-Klasse-II-Polymorphismus und als genetische Einflußfaktoren von erworbenen Immunmechanismen Varianten des TNF-Promotors, von ICAM-1 und iNOS untersucht. Die Arbeiten unterstützen die Hypothese, daß die Interaktion von Mensch und Plasmodien zu einer ständigen gegenseitigen Beeinflussung und Anpassung geführt hat. Die koevolutonäre Veränderung der Genome der beiden Organismen ist wahrscheinlich mitverantwortlich für die unterschiedliche geographische Verteilung von Genvarianten sowohl des Menschen als auch der Plasmodien und scheint auch heute noch Teil einer komplexen und dynamischen Anpassung von Wirt und Parasit zu sein. / The manifestation of an infection with Plasmodium falciparum, the pathogen of malaria, is individually different. Some indiviuals have a high risk of developing severe malaria, whereas others remain asymptomatic despite a long-lasting parasitemia. The basis of these differences is unknown. Morbidity and mortality of malaria are dependent on the interaction between the host and the parasite which is influenced by exogenic and endogenic factors. The latter are determined by genetic elements involved in innate and acquired mechanisms of resistance and immunity. The studies summerized here address genetic determinants of innate resistance against malaria (sickle cell trait, alpha-thalassemia, G6PD deficiency, blood groups and HLA class II alleles) and those of acquired immunity (variants of the TNF promoter, ICAM-1, and iNOS). The results support the view that the interaction between humans and plasmodia has led to continuous mutual influences and adaptations. Probably, the co-evolution of the genomes of both organisms is jointly responsible for the different geographical distribution of parasitic and human gene variants. This process seems to be part of an ongoing complex and dynamic adaptation of the host and the parasite.

Os eicosanoides, produtos do metabolismo do ácido araquidônico, apresentam papel importante na homeostasia e na patogênese de diversas doenças humanas. A biossíntese desses compostos pode ser estimulada por agentes farmacológicos como ionóforos e inibidores da Ca2+-ATPase, e também por agonistas naturais como o formil-metionil-leucil-fenialanina (fMLP). Considerando os interesses em avaliar e comparar o perfil de mediadores lipídicos, como os leucotrienos (LTs), as prostaglandinas (PGs), os ácidos epoxieicosatrienoicos (EETs), os ácidos dihidroxitetraenoicos (DiHETEs) e os ácidos hidroxieicosatetraenoicos (HETEs), na saúde e na doença, o objetivo deste trabalho foi padronizar um método analítico para determinar do perfil de eicosanoides em plasma humano após estimulação do sangue total, e assim observar diferenças entre indivíduos saudáveis e doentes. Dessa forma, um método por cromatografia líquida de alta eficiência acoplada à espectrometria de massas sequencial (HPLC-MS/MS) foi validado para quantificação de 22 eicosanoides em plasma de indivíduos saudáveis. A análise por HPLCMS/ MS foi realizada em modo negativo pelo modo de varredura por monitoramento de reações múltiplas (MRM). A linearidade do método apresentou coeficiente de correlação (r) maior que 0,98 para todos os eicosanoides analisados. A precisão e exatidão intra e inter-ensaios tiveram desvio padrão e erro relativo menores que 15%, exceto para o limite inferior de quantificação cujos valores foram menores que 20%. Para estimulação das células do sangue total, quatro estímulos (fMLP, ionomicina, A23187 e tapsigargina) foram utilizados. A análise estatística mostrou que o A23187 e a tapsigargina foram os estímulos mais potentes na indução da produção de eicosanoides. Em seguida, comparamos o perfil de eicosanoides em amostras de plasma de indivíduos saudáveis com pacientes com anemia falciforme (AF), em tratamento com hidroxiureia (HU) ou transfusão sanguínea crônica. Os resultados demonstraram que o método é preciso para determinação de diferenças entre os pacientes e indivíduos saudáveis quanto à produção dos mediadores lipídicos 5-HETE, 12-HETE, LTB4, LTE4, TXB2 e PGE2. Portanto, nosso método analítico é sensível, específico e reprodutível para identificar e quantificar diferenças no perfil de eicosanoides em amostras de sangue estimuladas in vitro, e poderá contribuir para o estabelecimento do perfil de mediadores lipídicos em diferentes doenças inflamatórias e infecciosas. / Eicosanoids, products from arachidonic acid metabolism, play an important role in the homeostasis and in the pathogenesis of various human diseases. Pharmacological agents such as Ca2+ ionophores and Ca2+-ATPase inhibitors, as well as natural agonists such as fMet-leu-Phe (fMLP) can stimulate eicosanoid biosynthesis. Considering the interests in evaluate and compare the profile of lipid mediators, as leukotriens (LTs), prostaglandins (PGs), epoxyeicosatrienoic acids (EETs), dihydroxytetraenoic acids (DiHETEs) and hydroxyeicosatetraenoic acids (HETEs), in healthy and disease, the aim of this work was to standardize a method to determine the eicosanoid profile of human plasma samples after whole blood stimulation, and to assess differences between healthy and sick individuals. For this purpose, a liquid chromatographytandem mass spectrometry (LC-MS/MS) method was validated for the quantification of 22 eicosanoids using human plasma from healthy volunteers. In addition, we optimized a method for the stimulation of eicosanoids in human whole blood. LC-MS/MS analyses were performed by negative electrospray ionization and multiple reaction monitoring. An assumption of linearity resulted in a regression coefficient > 0.98 for all eicosanoids tested. The mean intra-assay and inter-assay accuracy and precision values had relative standard deviations and relative errors of < 15%, except for the lower limit of quantification, where these values were < 20%. For whole blood stimulation, four stimuli (fMLP, ionomycin, A23187, and thapsigargin) were used. Results of the statistical analysis showed that A23187 and thapsigargin were potent stimuli to induce the production of eicosanoids. We next compared the eicosanoid profiles of healthy volunteers to those of patients with sickle cell anemia (SCA) under treatment with hydroxyurea (HU) or after chronic red blood cell (RBC) transfusion. The results indicate that the method was sufficient to find a difference between lipid mediators released in whole blood of SCA patients compared to healthy subjects for 5-HETE, 12-HETE, LTB4, LTE4, TXB2, and PGE2. In conclusion, our analytical method is sensitive, specific and reproducible for indentify and quantify changes in eicosanoid profiles in whole blood stimulated in vitro, which can contribute to establishing the eicosanoid profiles associated with different inflammatory and infectious diseases.