Single-cell transcriptomics of host-parasite interactions

Transcriptomique unicellulaire des interactions hôte-parasite Apicomplexa est un phylum composé de parasites intracellulaires eucaryotes obligatoires à plusieurs stades de vie. Ces parasites doivent souvent infecter plus d'un hôte pour terminer leur cycle de vie et ont développé une multitude de mécanismes pour optimiser leur contagiosité, leur persistance et leur évasion du système immunitaire de l'hôte. Theileria annulata infecte les leucocytes des ruminants et est l'agent causal de la theilériose. Les cellules infectées développent un phénotype semblable à celui de la leucémie. Le parasite provoque la mort d'environ 1 million de bovins chaque année, menaçant la sécurité alimentaire et le bien-être animal à l'échelle mondiale. Au cours de mon projet de doctorat, j'ai utilisé la multi-omique en masse et la transcriptomique unicellulaire pour élucider les deux principaux axes de recherche relatifs à la prévention de la theilériose : la vaccination et le traitement. J'ai effectué une méta-analyse afin de comparer les transcriptomes des cellules infectés ou non par Theileria provenant de 5 jeux de données provenant de 3 sources différentes. On a observé les familles de gènes codant pour les senseurs de l'immunité innée et acquise, tels que les récepteurs Toll-like, les protéines de liaison au guanylate et les complexes majeurs d'histocompatibilité de classe II; ces derniers sont régulées négativement au niveau transcriptomique dans les cellules infectées. Ces changements transcriptionnels se reflètent également dans d'autres niveaux de régulation génique, comme le montrent des analyses multi-omiques. Le traitement des cellules infectées avec la Buparvaquone, un médicament théiléricide bien établi, conduit à la dérépression de toutes les voies immunitaires susmentionnées. Le traitement avec MC2646, un nouveau médicament expérimental, déréprime de la même manière les voies immunitaires des cellules hôtes, suggérant un état de suppression immunitaire en présence de Theileria. Pour prévenir l'infection, les vaches sont vaccinées avec des lignées cellulaires infectées atténuées produites par passages répétitifs in vitro. Celles-ci sont souvent caractérisées par une perte de virulence associée à une expression régulée négativement de la métalloprotéase matricielle 9 (MMP9). Cependant, le processus d'atténuation n'a pas été élucidé. On a utilisé une approche transcriptomique unicellulaire et on montre que les cellules atténuées ont un signal transcriptomique unique, distinct de celui des cellules non atténuées. En comparant ces données avec des ensembles de données d'atténuation précédemment publiés, on détermine de nouveaux marqueurs d'atténuation. L'inférence de la variation de nombre des copies montre que ces cellules sont dérivées d'un sous-clone de cellules non-atténuées, fournissant ainsi la base d'un modèle asynchrone d'atténuation. Enfin, dans la même expérience de transcriptomique unicellulaire, j'ai étudié les interactions dynamiques hôte-parasite tout au long du cycle cellulaire de l'hôte. L'inférence de trajectoire non supervisée combinée aux résultats d'analyse d'enrichissement de gènes unicellulaires suggère qu'une minorité de cellules infectées sont capables de : 1) arrêter le cycle cellulaire de l'hôte en phase S et 2) activer une réponse de type antiviral pour tuer le parasite. Pour résumer, ces résultats mettent en évidence la complexité des interactions hôte-parasite établies par Theileria pour supprimer l'immunité de l'hôte. Ces interactions sont dynamiques tout au long du cycle cellulaire de l'hôte et conduisent généralement à la régulation négative de plusieurs familles de gènes immunitaires. Plus précisément, certaines cellules hôtes sont capables de surmonter cette immunosuppression et de tuer les parasites Theileria. Enfin, on a fourni un aperçu plus approfondi du processus asynchrone d'atténuation et proposons les toutes premières étapes vers la production de lignées cellulaires vaccinales atténuées contre Theileria annulata sans culture prolongée.