Analysis of gene expression variability and glycolytic metabolism during the erythroid differentiation process : from high-throughput analysis to mechanistic issues

La prise de décision cellulaire se traduit par la capacité de toute cellule vivante à intégrer les différentes informations provenant de son environnement, et à les transformer en une réponse biologique cohérente. Il est aujourd'hui de plus en plus démontré que les populations cellulaires présentent une hétérogénéité quantitative et qualitative significative, qui pourrait jouer un rôle essentiel dans le fonctionnement des organismes vivants. La première partie de ma thèse a ainsi consisté à étudier la variabilité de l'expression génique au cours de la différenciation de progéniteurs érythrocytaires aviaires primaires, à l'échelle de la cellule unique. L'expression de 92 gènes a été analysée par RT-qPCR dans des cellules isolées à différents temps de différenciation. Les principaux résultats de cette étude ont montré que la variabilité de l'expression des gènes, mesurée par l'entropie de Shannon, atteint un niveau maximal à 8h-24h de différenciation, simultanément à une chute du nombre de gènes corrélés. Cette augmentation de la variabilité génique précède l'engagement irréversible des cellules dans le processus de différenciation érythrocytaire identifié entre 24 et 48h. Cette étude a également mis en lumière le gène LDHA (Lactate dehydrogenase A), codant pour une enzyme de la glycolyse anaérobie, dans les progéniteurs érythrocytaires en état d'auto-renouvellement et aux points critiques, 8h et 24h, de la différenciation. La deuxième partie de ma thèse a donc consisté à analyser le rôle précis de LDHA dans l'auto-renouvellement des progéniteurs érythrocytaires, ainsi que les variations du métabolisme du glucose au cours de la différenciation. Nos premiers résultats suggèrent que le processus de différenciation érythrocytaire s'accompagne d'un changement métabolique correspondant au passage de la glycolyse anaérobie dépendante de LDHA, vers une production d'énergie aérobie, reposant sur la phosphorylation oxydativeThe meaning of cell decision making consists in the capacity of every living cell to integrate environmental information and to transform it in a coherent biological response. Nowadays it is increasingly demonstrated that cell populations present a significant quantitative and qualitative heterogeneity that could be involved in living organisms functions. Thus, the first part of my thesis consisted in studying gene expression variability at the single-cell level during the differentiation process of primary avian erythroid progenitor cells. The expression of 92 genes was analyzed using RT-qPCR in cells isolated at different differentiation time-points. The main results of this study showed that gene expression variability, as measured by Shannon entropy, reached a maximal level, simultaneously to a drop in the number of correlated genes, at 8-24h of differentiation. This increase of the gene expression variability preceded the irreversible commitment of cells into differentiation, identified between 24h and 48h. This analysis also highlighted the potential importance ofLDHA(Lactate dehydrogenase A) encoding a glycolytic enzyme, in erythroid progenitors self-renewal and at the critical differentiation time-point 8-24h. Therefore the second part of my thesis consisted in analyzing the role of LDHA in erythroid progenitors self-renewal and the variations of glucose metabolism during the differentiation process. Our first results suggested that erythroid differentiation might be accompanied with a metabolic change, corresponding to a switch from anaerobic glycolysisdepending upon LDHA, toward aerobic energy production, relying upon oxidative phosphorylatio