Étude de la dynamique métabolique et épigénétique des cellules souches hématopoïétiques au cours du processus de différenciation cellulaire

Abstract

My thesis work explores the link between metabolism, chromatin state and transcription during the early stages of hematopoietic stem cell differentiation. In order to achieve this, CD34+ cells were purified from human umbilical cord blood and underwent different analysis strategies during a culture period ranging from 0h to 96h. First, the coupling of transcriptomic profiles in single cells (90 genes) with data from time-lapse microscopy revealed a phase of transcriptomic and morphological fluctuation. Secondly, we compared the transcriptomes of single cells with bulk chromatin accessibility profile. This analysis highlighted the important stochastic component that precedes cell engagement, as well as the ways in which gene expression stabilization can occur. Finally, the combination of metabolomic analysis, coupled with the study of proliferation dynamics, highlighted the early action of metabolism, as well as its potential role in phenotypic selection. My results are part of the list of works that have come to question the traditionally hierarchical and unambiguous conception of the process of cell differentiation. In particular, the consideration of random fluctuations in gene expression, as well as the characterization of a close link between metabolism and epigenetic regulation, both have allowed me to propose a new model of cell differentiation.Mes travaux de thèse explorent l’articulation entre le métabolisme, l’état chromatinien et la transcription au cours des premières étapes de la différenciation des cellules souches hématopoïétiques. Pour ce faire, des cellules CD34+ purifiées à partir de sang de cordon ombilical humain ont été soumises à différentes stratégies d’analyse au cours d’une période de culture s’étalant de 0h à 96h. Dans un premier temps, le couplage des profils transcriptomiques en cellule unique (90 gènes) avec des données issues de microscopie time-lapse a permis de caractériser une phase de fluctuation transcriptomique et morphologique. Dans un second temps, nous avons confronté les transcriptomes de cellules uniques avec le profil d’accessibilité chromatinien en population. Cette analyse a mis en évidence l’importante composante stochastique qui précède l’engagement des cellules, ainsi que les modalités selon lesquelles une stabilisation de l'expression génique peut s’effectuer. Enfin, la combinaison de l’analyse métabolomique, couplée à l’étude de la dynamique de prolifération a mis en évidence l’action précoce du métabolisme, ainsi que son rôle potentiel dans la sélection phénotypique. Mes résultats s’inscrivent dans la liste des travaux questionnant la conception traditionnellement hiérarchique et univoque du processus de différenciation cellulaire. En particulier, la considération des fluctuations aléatoires de l’expression génique, ainsi que la caractérisation d’un lien étroit entre le métabolisme et la régulation épigénétique, sont tous deux des éléments m’ayant permis de proposer un nouveau modèle de la différenciation cellulaire