Early-life exposure to high-fat diets (HF) can program metabolic and cognitive alterations in adult offspring. Although the hippocampus plays a crucial role in memory and metabolic homeostasis, few studies have reported the impact of maternal HF on this structure. We assessed the effects of maternal HF during lactation on physiological, metabolic, and cognitive parameters in young adult offspring mice. To identify early-programming mechanisms in the hippocampus, we developed a multi-omics strategy in male and female offspring. Maternal HF induced a transient increased body weight at weaning, and a mild glucose intolerance only in 3-month-old male mice with no change in plasma metabolic parameters in adult male and female offspring. Behavioral alterations revealed by a Barnes maze test were observed both in 6-month-old male and female mice. The multi-omics strategy unveiled sex-specific transcriptomic and proteomic modifications in the hippocampus of adult offspring. These studies that were confirmed by regulon analysis show that, although genes whose expression was modified by maternal HF were different between sexes, the main pathways affected were similar with mitochondria and synapses as main hippocampal targets of maternal HF. The effects of maternal HF reported here may help to better characterize sex-dependent molecular pathways involved in cognitive disorders and neurodegenerative diseases.

Excessive fetal growth is associated with DNA methylation alterations in human hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC), but their functional impact remains elusive. We implemented an integrative analysis combining single-cell epigenomics, single-cell transcriptomics, and in vitro analyses to functionally link DNA methylation changes to putative alterations of HSPC functions. We showed in hematopoietic stem cells (HSC) from large for gestational age neonates that both DNA hypermethylation and chromatin rearrangements target a specific network of transcription factors known to sustain stem cell quiescence. In parallel, we found a decreased expression of key genes regulating HSC differentiation including EGR1, KLF2, SOCS3, and JUNB. Our functional analyses showed that this epigenetic programming was associated with a decreased ability for HSCs to remain quiescent. Taken together, our multimodal approach using single-cell (epi)genomics showed that human fetal overgrowth affects hematopoietic stem cells’ quiescence signaling via epigenetic programming.

We developed a high-content screening to investigate how Alzheimer’s disease (AD) genetic risk factors may affect synaptic mechanisms in rat primary neuronal cultures. Of the target genes identified, we found that Plcg2 downregulation in mouse dentate gyrus neurons consistently disrupted dendritic morphology and synaptic function. In human neuronal cultures (hNCs), PLCG2 downregulation also impaired synaptic function and increased amyloid-β (Aβ) levels and Tau phosphorylation. Very rare PLCG2 loss-of-function (LoF) variants were associated with a tenfold increased AD risk. PLCG2 LoF carriers show low mRNA/protein PLCG2/PLCγ2 levels and the R953* LoF mutation compromised synaptic function and increased AD hallmarks in hNCs. Single-nucleus RNA sequencing analyses confirmed that the downregulation of PLCG2 impacted pathways related to synaptic and neuronal functions, potentially through neurexins in neurons. In conclusion, PLCγ2 downregulation could increase AD risk by impairing synaptic functions and by increasing Aβ levels and Tau phosphorylation in neurons.

Approches de génomique intégrative à l'échelle de la cellule unique pour étudier les mécanismes précoces de développement des maladies chroniques de l'adulte: L'émergence des approches de génomiques, en particulier depuis l'apparition des technologies de séquençage à l'échelle de la cellule unique (SGC), nous a permis de caractériser des mécanismes physiopathologiques à une résolution jamais atteinte auparavant. Le SGC a mis en évidence l'hétérogénéité cellulaire intra-tissulaire ainsi que son influence sur le développement des maladies, et ouvert de nouvelles perspectives. Dans ma thèse, j'ai mis en œuvre de nouvelles stratégies pour en tirer profit, fournissant de nouvelles preuves permettant de mieux comprendre les mécanismes précoces des maladies, en me concentrant sur deux modèles : la programmation épigénétique précoce des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPH), et l'étude du gène BIN1 dans la maladie d'Alzheimer (MA).Dans mon premier modèle, j'ai exploité la technologie de SGC pour étudier l'influence d'un excès de croissance gestationnelle (macrosomie) sur la plasticité des CSPH. Nous avons caractérisé les conséquences transcriptionnelles et fonctionnelles de l'altération de la méthylation de l'ADN observées chez les nouveau-nés macrosomes (NNM). Pour cela, nous avons intégré des données épigénétiques et transcriptionnelles, et validé nos observations avec une analyse fonctionelle de la capacité de ces cellules souches à différencier. Nous avons découvert que l'hyperméthylation de l'ADN chez les NNM est associée à un réarrangement de la chromatine dans les cellules souches hématopoïétiques (CSH), touchant spécifiquement le réseau de régulation des facteurs de transcription EGR1, KLF2 et KLF4, connus pour soutenir la quiescence des CSH et réguler leur activation. Ce réseau inclut notamment SOCS3, JUNB et DUSP2, et est enrichi en gènes dont l'expression est réduite chez les NNM, suggérant que les altérations épigénétiques ont des conséquences sur l'expression de ces gènes. Enfin, grâce à la résolution à la cellule unique de nos données, et à l'analyse de la différenciation in vitro, nous avons constaté une capacité réduite des CSH de NNM à rester quiescentes/indifférenciées en réponse aux stimulations. Cette approche intégrative utilisant la SGC à différents niveaux moléculaires confirme que l'excès de croissance fœtale affecte la signalisation régulant la quiescence des CSH par le biais d'un remodelage épigénétique. Elle nous apporte également des potentiels cibles cellulaires et moléculaires pour expliquer la susceptibilité accrue aux maladies chez les NNM.Dans mon deuxième modèle, j'ai exploité le SGC pour étudier le rôle de BIN1, le deuxième gène le plus associé à la MA, sur des modèles de cerveau humain. Nous avons étudié l'effet de la délétion de BIN1 dans une culture neuronale en 2D et sur un organoïde cérébral en 3D tout deux dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) humains. Nous avons découvert que la perte de fonction de BIN1 entraîne des altérations transcriptionnelles spécifiquement dans les neurones glutaminergiques, ressemblant au changement d'expression trouvé chez les individus affectés par la MA. Ces gènes sont fortement associés à la régulation du calcium dans les neurones, ainsi qu'au transport ionique et à la fonction des synapses. En utilisant des tests fonctionnels in vitro, nous avons découvert que la régulation du calcium et l'activité des réseaux neuronaux étaient altérés dans les modèles cérébraux ou BIN1 était inactivé, et que BIN1 était capable d'interagir avec le canal calcique Cav1. Le blocage de ce canal par un inhibiteur pharmacologique permet d'empêcher partiellement l'altération de l'activité neuronale médiée par BIN1, soutenant son rôle important dans la régulation des canaux calciques. Cette approche de SGC a permis de montrer l'altération spécifique des neurones due à la délétion de BIN1, et valider fonctionnellement le rôle de BIN1 dans l'activité neuronale liée à la régulation du calcium intracellulaire, tout en soulignant son rôle potentiel dans la pathogenèse de la MA.

Early-life exposure to high-fat diet (HF) can program metabolic and cognitive alterations in adult offspring. Although the hippocampus plays a crucial role in memory and metabolic homeostasis, few studies reported the impact of maternal HF on this structure. We assessed the effects of maternal HF during lactation on physiological, metabolic and cognitive parameters in young adult offspring mice. To identify early-programming mechanisms in hippocampus, we developed a multi-omics strategy in male and female offspring. Maternal HF induced a transient increased body weight at weaning, a mild glucose intolerance only in 3-month-old male mice with no change in plasma metabolic parameters in adult male and female offspring. Behavioral alterations revealed by Barnes maze test were observed both in 6-month-old male and female mice. Multi-omics strategy unveiled sex-specific transcriptomic and proteomic modifications in the hippocampus of adult offspring. These studies that were confirmed by regulon analysis, showing that, although genes whose expression was modified by maternal HF were different between sexes, the main pathways affected were similar with mitochondria and synapses as main hippocampal targets of maternal HF. The effects of maternal HF reported here may help to better characterize sex-dependent molecular pathways involved in cognitive disorders and neurodegenerative diseases.

Background: Alzheimer’s disease (AD) is a multifactorial disease with a strong genetic background. Recent genomic wide association studies have identified several loci linked to an increased risk of AD. However, genes regulated by these variants and the pathophysiological mechanisms regulated by those genes remain largely elusive. In this work, we studied the role of Bridging Integrator 1 (BIN1), the second most important AD risk gene after APOE, in neurons generated from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) in bi‐dimensional cultures and cerebral organoids.Method: We generated isogenic BIN1 wild‐type (WT), heterozygous (HET) and knockout (KO) hiPSC lines and used these cells to generate human‐induced neurons (hiNs) in bi‐dimensional (2D) and three‐dimensional (cerebral organoids) cell cultures. Next, we used calcium imaging and multi‐electrode array electrophysiology to study the functional properties of hiNs networks. Single‐nucleus RNA‐sequencing (snRNAseq) was used to identify gene expression alterations in individual cell types/subtypes. APP processing and TAU phosphorylation was assessed by western blotting and Alphalisa.Result: We observed that deletion of BIN1 is sufficient to cause neuronal hyperactivation and network desynchronization in a cell‐autonomous fashion. These functional changes are observed both in 2D cultures and cerebral organoids, and are correlated with increased Tau phosphorylation and transcriptional changes similar to those observed in the brains of AD patients, particularly in glutamatergic neurons.Conclusion: Our results reveal a role for BIN1 in the regulation of electrical activity in human neurons and suggest that its implication in AD pathogenesis could be related to the neuronal and network dysfunctions observed in the AD brain.