Cancer treatment and relapse : single-cell chromatin profiling of rare persister cells using droplet-based microfluidics

Cartographie épigénétique de cellules cancéreuses résistantes rares par microfluidique en gouttelettes

Kevin Grosselin (1)

1 CBI - Chimie-Biologie-Innovation (UMR 8231)

The dynamic nature of chromatin and transcriptional features play a critical role in normal differentiation and are expected to contribute to tumor evolution. Studying the heterogeneity of chromatin alterations with single-cell resolution is mandatory to understand the contribution of epigenetic plasticity in cancer.In this thesis, I describe a droplet microfluidics approach to profile chromatin landscapes of thousands of cells at single-cell resolution, with an unprecedented coverage of 10,000 loci per cell.The system was evaluated to profile histone modifications associated with active (H3K4me3) and inactive transcription (H3K27me3) of human B cells and T cells, and revealed that >99% of the cells were correctly assigned to one cell type, defining distinct chromatin states of immune cells with high accuracy.In patient-derived xenograft (PDX) models of breast cancer with acquired drug resistance, the system enabled the detection of a rare subpopulation of cells in the untreated, drug-sensitive tumors with chromatin features characteristic of resistant cancer cells. These cells had lost chromatin marks (H3K27me3) associated with stable transcriptional repression for a number of genes known to promote resistance, potentially priming them for transcriptional activation.These results highlight the potential selection of cells with specific chromatin marks in response and in resistance to cancer therapy.

La nature dynamique de la chromatine est un acteur majeur de la régulation de la transcription et est suspectée de contribuer à l'évolution tumorale. L'étude des modifications de la chromatine à l'échelle de la cellule unique est indispensable pour comprendre l'impact de la plasticité épigénétique au cours de la tumorigénèse.Dans ce manuscrit, je décris le développement d'un système basé sur la microfluidique en gouttelettes permettant d'obtenir la cartographie des modifications de la chromatine à l'échelle de la cellule unique.Le système a été évalué pour cartographier des modifications d'histones associées à un état transcriptionnel actif (H3K4me3) ou réprimé (H3K27me3) de cellules B et T humaines. Les données ont permis de classer >99% des cellules sur la base de leur profil épigénétique, définissant ainsi avec une grande précision des états de la chromatine propres à chaque type cellulaire.A partir de xénogreffes dérivées de patient atteint du cancer du sein et ayant acquis une résistance thérapeutique, le système a permis la détection de sous-populations rares de cellules parmi les tumeurs non-traitées, présentant un profil chromatinien similaire aux cellules cancéreuses résistantes.Cette étude démontre l'importance de l'hétérogénéité cellulaire sur la progression tumorale et met en évidence une signature épigénétique associée à la résistance et susceptible d'être la cible d'un traitement thérapeutique.

Mots clés: Single-Cell epigenomics; Droplet-Based microfluidics; Tumor heterogeneity; Drug resistance

Mots clés: Cellule unique; Microfluidique; Hétérogénéité tumorale; Épigénétique

Domaines: Biochimie, Biologie Moléculaire

Kevin Grosselin. Cancer treatment and relapse : single-cell chromatin profiling of rare persister cells using droplet-based microfluidics. Biochemistry, Molecular Biology. Université Paris sciences et lettres, 2018. English. ⟨NNT : 2018PSLET015⟩. ⟨tel-02981059⟩