Rôle de la stochasticité de l’expression des gènes dans les processus de différenciation

This study aims on cell making-decision mechanisms in metazoan cells, in relation with stochastic gene expression SGE. Our hypothesis is that SGE favors cell making-decision to differentiate. If one sees differentiation from the point of view of dynamical systems theory, self-renewing cells and differentiated cells are in "attractor" states, such as valleys, separated by a hill, in an epigenetic landscape. The shape of this landscape is the result of the gene regulatory network state. To differentiate, cells have to escape from this self-renewal state to transit through the hill and to attain the differentiated state. SGE could activate cell decision-making to differentiate by controlling the landscape shape via the gene regulatory network. Results presented here support this hypothesis. Using single cell transcriptomic data, we observed a surge in SGE during erythropoiesis before irreversible cell commitment. Using the same data, a gene regulatory network was inferred by WASABI, a dedicated algorithm, looking for molecular mechanisms behind differentiation. By experimentally modifying SGE level in cells using drugs, we demonstrated the causative role of SGE in erythroid differentiation. We also showed that these drugs have an effect on muscular differentiation, supporting the generality of this link between SGE and differentiation. Finally, we explored a new dynamical point of view on chronic myeloid leukemia cells and showed the existence of subpopulations in leukemic cells that could be the source of treatment resistance. All these results suggest that to make decision, cells use cell-to-cell heterogeneity, allowing the activation of processes, such as differentiationCette étude porte sur les mécanismes de prise de décision de cellules métazoaires en relation avec la stochasticité de l'expression des gènes SEG. Notre hypothèse est que la variabilité de l'expression des gènes favorise la prise de décision des cellules à se différencier. Si l'on voit la différenciation du point de vue de la théorie des systèmes dynamiques, les cellules en auto-renouvellement et les cellules différenciées sont dans des états dits "attracteurs" semblables à des vallées, séparés par une colline, le tout placé dans un paysage épigénétique. La forme de ce paysage est le résultat de l'état du réseau de régulation de gènes sous-jacent. Pour se différencier, les cellules doivent s'échapper de l'état d'auto-renouvellement pour transiter à travers la colline et atteindre l'état différencié. La SEG pourrait activer la prise de décision des cellules à se différencier en contrôlant la forme du paysage via le réseau de régulation de gènes. Les travaux présentés dans ce manuscrit montrent des résultats en faveur de cette hypothèse. Grâce à des données d'expression génique en cellule unique, nous avons observé une augmentation de la SEG pendant l’érythropoïèse avant l'engagement définitif des cellules dans la différenciation. A partir de ces mêmes données, un réseau de régulation de gènes a été inféré par un algorithme, WASABI, cherchant à définir les mécanismes moléculaires sous-jacents au processus de différenciation. En modifiant expérimentalement le niveau de SEG dans les cellules par des drogues, nous avons démontré le rôle causal de la SEG dans le processus de différenciation érythrocytaire. Nous avons également montré que ces mêmes drogues avaient un effet sur la différenciation musculaire, renforçant la généralité de ce lien entre SEG et différenciation. Enfin, nous avons exploré un nouveau point de vue dynamique sur des cellules de leucémie myéloïde chronique et montré l'existence de sous-populations au sein des cellules leucémiques qui pourraient être à l'origine de la résistance aux traitements. Tous ces résultats suggèrent que pour prendre une décision, les cellules se servent de l'hétérogénéité inter-cellulaire, ce qui leur permet d'activer des processus tels que la différenciatio