Epigenetic regulation of innate immune responses to infection

Abstract

L’importance des modifications épigénétiques sur le contrôle de l’expression génique est clairement établie dans la littérature. Il demeure cependant incertain si les marques épigénétiques modulent l’activité transcriptionnelle ou si ce sont plutôt des conséquences découlant de facteurs régulateurs qui modulent préalablement cette activité. Pour ma thèse, j’ai investigué le rôle de la méthylation de l’ADN dans le contexte de l’activation du système immunitaire inné. Plus précisément, j’ai conduit une analyse intégrant des données de méthylation à l’échelle génomique, de modifications d’histones, d’accessibilité à la chromatine et d’expression génique sur des cellules dendritiques avant et après une infection provoquée par Mycobacterium tuberculosis (MTB). Dans le cadre du projet, je montre que la réponse immunitaire à l’infection est associée à la perte de méthylation sur des milliers de sites CpG, indépendamment de la prolifération cellulaire. Les déméthylations actives se trouvent principalement sur des éléments amplificateurs éloignés des sites d’initiation de la transcription et sont fortement associées à l’induction de gènes situés dans leur voisinage. Cependant, une analyse longitudinale indique que la plupart des changements d’expression se produisent avant les changements perceptibles de méthylation. Une analyse de footprint de l’ADN a révélé que le recrutement de facteurs de transcriptions impliqués dans la réponse immunitaire, tel que NF-κB/Rel, précède les pertes de méthylation observées. Il est intéressant de noter que les niveaux de méthylation dans les régions déméthylées ne sont pas rétablis durant l'infection, même pour des gènes dont l’expression retourne à l’état basal. Ces résultats suggèrent que la déméthylation de l’ADN n’est probablement pas cruciale à la mise en place du programme de régulation central enclenché par les cellules du système immunitaire en réponse aux pathogènes. Celle-ci pourrait cependant jouer un rôle dans la mémoire épigénétique et pourrait permettre une réponse plus rapide à une seconde infection. De manière générale, les résultats ouvrent la porte à l’utilisation des régions de méthylation de l’ADN comme bio-marqueur prédictifs d’infections passées et présentes.

The importance of epigenetic modifications in the control of gene expression is widely accepted. Yet, it often remains unclear whether altered epigenetic patterns themselves invoke transcriptional modulation or are instead downstream consequences of regulatory factors. During my thesis, I investigated the role of DNA methylation in the regulation of innate immune responses. Specifically, I performed an integrated analysis of data on genome-wide DNA methylation, histone modifications, chromatin accessibility, and gene expression, in dendritic cells (DCs), before and after infection with Mycobacterium tuberculosis (MTB). I demonstrate that the immune response to infection is associated with loss of methylation at thousands of CpG sites, independent of cell proliferation. Active demethylation was specifically targeted to distal enhancer elements and was strongly associated with induction of nearby genes. However, time course analysis further indicates that most changes in gene expression in response to infection occur prior to detectable changes in DNA methylation. Footprinting analysis revealed that the recruitment of immune-related transcription factors, such as NF-κB/Rel, to these regions preceded the observed loss in methylation. Interestingly, levels of methylation at differentially methylated CpG sites never reverted back to higher levels during the course of infection, even among genes for which expression levels return to basal state. Collectively, these results show that DNA demethylation is likely not crucial for the establishment of the core regulatory program engaged by innate immune cells in response to a pathogen. Instead, it might play a role in the establishment of epigenetic memory, which allows for a faster response to a secondary infection. More generally, the results from this thesis opens the door for using DNA methylation marks as a predictive biomarker of past or present infection.