Le corps humain contient plus de 3.72X10^13 cellules qui se distinguent par leur morphologie, fonction et état. Leur catalogage en atlas cellulaires c'est entamé il y a plus de 150 ans, avec l'invention des colorants cellulaires en microscopie. Notre connaissance des types cellulaires et leur phénotypes moléculaires nous permet de connaître et prédire leurs fonctions et patrons d'interactions. Ces connaissances sont à la base de la capacité à poser des diagnostics, créer des médicaments et même faire pousser des organes en biologie synthétique. Surprenamment, notre connaissance est loin d'être complète et c'est pourquoi la caractérisation systématique des cellules et l'assemblage des connaissances en atlas cellulaires est nécessaire. Le développement du séquençage à haut débit a révolutionné la biologie des systèmes et ce type de données est parfait pour la construction d'atlas cellulaires entièrement basés sur les données. Un tel atlas cellulaire contiendra une représentation des cellules par des vecteurs de nombres, où chaque vecteur encode le profil moléculaire capturant des informations biologiques de chaque cellule. Chaque expérience de séquençage d'ARN (RNA-Seq) produit des dizaines de milliers de mesures extrêmement riches en information dont l'analyse demeure non-triviale. Des algorithmes de réduction de dimensionnalité, entre autres, permettent d'extraire des données des patrons importants et encoder les échantillons dans des espaces plus interprétables. De cette manière, les cellules similaires sont groupés sur la base d'une multitude de mesures qu'offre le RNA-Seq. Nous avons donc créé un modèle, le Factorized Embedding (FE), qui permet d'organiser les données de séquençage d'ARN de la sorte. Le modèle apprend simultanément deux espaces d'encodage: un pour les échantillons et l'autre pour les gènes. Nous avons observé qu'une fois entraîné, que ce modèle groupe les échantillons sur la base de leur similarité d'expression génique et permet l'interpolation dans l'espace d'encodage et donc une certaine interprétabilité de l'espace d'encodage. Du côté de l'encodage des gènes, nous avons remarqué que les gènes se regroupaient selon leurs patrons de co-expression ainsi que selon des similarité de fonctions, trouvées via des ontologies de gènes (Gene Ontology, GO). Nous avons ensuite exploré les propriétés d'une modification du modèle FE, baptisée le Transcriptome Latent (TLT, de l'anglais The Latent Transcriptome), où l'encodage des gènes est remplacé par une fonction d'encodage de k-mers provenant de données brutes de RNA-Seq. Cette modification du modèle capture dans son espace d'encodage des séquence à la fois de l'information sur la similarité et l'abondance des séquences ADN. L'espace d'encodage a ainsi permis de détecter des anormalités génomiques tels les translocations, ainsi que des mutations spécifiques au patient, rendant cet espace de représentation utile autant pour la visualisation que pour l'analyse de données. Finalement, la dernière itération explorée dans cette thèse, du modèle FE, baptisée cette fois-ci le TCRome, encode des séquences TCR (récepteurs de cellules T) plutôt que des k-mers, venant du séquençage de répertoires immuns (TCR-Seq). Une irrégularité dans la performance du modèle a mené à une analyse des séquences plus approfondie et à la détection de deux sous-types de TCR. Nous avons analysé les répertoires TCR de plus de 1000 individus et rapportons que le répertoire TCR est composé de deux types de TCR ontogéniquement et fonctionellement distincts. Nous avons découvert des patrons distincts dans les abondances de l'un ou l'autre type, changeant en fonction du sexe, l'âge et dans le cadre de maladies telles chez les sujets portant des mutations dans le gène AIRE et dans le cadre de la maladie du greffon contre l'hôte (GVHD). Ces résultats pointent vers la nécessité d'utiliser des données de séquençage multi-modales pour la construction d'atlas cellulaires, c'est à dire en plus des séquence TCR, des données sur l'expression génique ainsi que des caractérisation moléculaires seront probablement utiles, mais leur intégration sera non-triviale. Le modèle FE (et ses modifications) est un bon candidat pour ce type d'encodage, vu sa flexibilité d'architecture et sa résilience aux données manquantes. / The human body contains over 3.72 x 10^13 cells, that distinguish themselves by their morphology, function and state.
Their cataloguing into cell atlases has started over 150 years ago, with the invention of cellular stains for microscopy.
Our knowledge of cell types and molecular phenotypes allows is to better know and predict their functions and interaction patterns.
This knowledge is at the basis of the ability to diagnose disease, create drugs and even grow organs in synthetic biology.
Surprisingly, our knowledge is far from complete and this is why a systematic characterization of cells and the assembly of cell atlases is important.
The development of high throughput sequencing has revolutionized systems biology and this type of data is perfect for the construction of entirely data-driven cell atlases.
Such an atlas will contain a representation of cells by vectors of numbers, where each vector encodes a molecular profile, capturing biological data about each cell.
Each sequencing experiment yields tens of thousands of measurements, extremely rich in information, but their analysis remains non-trivial.
Dimensionnality reduction algorithms allow to extract from the data important patterns and encode samples into interpretable spaces.
This way, similar cells are grouped on the basis of a multitude of measurements that comes from high throughput sequencing.
We have created a model, the Factorized Embedding (FE), that allows to organize RNA sequencing (RNA-Seq) data in such a way.
The FE model learns simultaneously two encoding spaces: one for samples and one for genes.
We have found that the model groups samples on the basis of similar gene expression and allows for smooth interpolation in the encoding space and thus some manner of interpretability.
As for the gene encoding space, we observed that gene coordinates were grouped according to co-expression patterns as well as similarity in function, found via gene ontology (GO).
We then explored a modification of the FE model, names The Latent Transcriptome (TLT), where the gene encoding function is replaced by a function encoding k-mers, calculated from raw RNA-Seq data.
This modification of the model captured in the k-mer encoding space both sequence similarity and sequence abundance.
The encoding space allowed for the detection of genomic abnormalities such as translocations, as well as patient-specific mutations, making the encoding space useful for both visualisation and data analysis.
Finally, the last iteration of the FE model that we explored, called TCRome, encodes amino-acid TCR sequences rather than k-mers.
An irregularity in the model's performance led us to discover two TCR subtypes, entirely based on their sequence.
We have thus analyzed TCR repertoires of over 1000 individuals and report that the TCR repertoire is composed of two ontogenically and functionally distinct types.
We have discovered distinct pattens in the abundances of each of the sub-types, changing with age, sex and in the context of some diseases such as in individuals carrying a mutated AIRE gene and in graft versus host disease (GVHD).
Collectively, these results point towards the necessity to use multi-modal sequencing data for the construction of cell atlases, namely gene expression data, TCR sequencing data and possibly various molecular characterizations.
The integration of all this data will however be non-trivial.
The FE model (and its modifications) is a good candidate for this type of data organisation, namely because of its flexibility in architecture and resilience to missing data.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:umontreal.ca/oai:papyrus.bib.umontreal.ca:1866/27477 |
| Date | 02 1900 |
| Creators | Trofimov, Assya |
| Contributors | Lemieux, Sébastien, Perreault, Claude |
| Source Sets | Université de Montréal |
| Language | fra |
| Detected Language | French |
| Type | thesis, thèse |
| Format | application/pdf |
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