Tese de Doutoramento Envelhecimento e Doenças Crónicas 2023 Faculdade de Ciências Médicas, Universidade NOVA de Lisboa

Abstract In diploid eukaryotic organisms, most genes are expressed biallelically. However, there are exceptions where the expression occurs in a monoallelic pattern that results from a differential allele-specific transcription based on the different epigenetic marking of the two alleles. At the level of cells, there are three classes of monoallelic expression regulated by epigenetic mechanisms: parent-of-origin imprinting, X chromosome inactivation (XCI), and random autosomal monoallelic expression (RMAE). Biased repopulations obtained from single-cell transplantation assays revealed that the pool of hematopoietic stem cells (HSCs) is heterogeneous, reflecting the epigenetic differences of individual cells. According to a model in which the allele-specific expression patterns are established during differentiation in embryonic stem cells and are stably propagated through cell divisions, it is assumed that HSCs carry genes (and alleles) with these stable epigenetic marks. Therefore, the analysis of epigenetic states in the stem cell population at the clonal level is necessary to understand its heterogeneity and diversity. Here we evaluated for the first time the persistence of allele-specific epigenetic states in the hematopoietic system in vivo using allelic imbalance as a readout. We created a monoclonal hematopoietic system in mice by single HSC transplantation and then analyzed the emerging lymphoid progeny using a genome-wide transcriptomics approach. We revealed that in the single-HSC derived hematopoietic cells, XCI is stably maintained through extensive proliferation and differentiation, whereas the vast majority of autosomal genes lack the stable clonal patterns of random monoallelic expression. This finding shows that the recurrent parallels between XCI and RMAE are misleading, suggesting that different mechanisms underlie these two classes of monoallelic expression. Additionally, we show that this in vivo clonal approach, which is free of genetic manipulation, can replace the artificial strategies that have been used to study tissue-specific XCI. Finally, stable allele-specific expression patterns were found in a rare number of genes (14 genes, <0.2%) in the progeny of a single HSC, indicating that these patterns were already present in the original HSC used for transplantation. However, the number of genes with stable monoallelic expression in cells that underwent differentiation steps is much lower than the numbers previously reported in studies using clonal cell lines in vitro without extensive differentiation (~2–15%). To reconcile these observations, we propose that most allele-specific expression patterns in autosomal genes are metastable and can be erased and reestablished at different differentiation stages.

Resumo Nos organismos eucarióticos diplóides, a maioria dos genes são expressos bialelicamente. No entanto, existem excepções em que, ao nível das células, a expressão ocorre num padrão monoalélico que resulta de uma transcrição diferencial dos alelos de base epigenética. Existem três classes de expressão monoalélica regulada por mecanismos epigenéticos: imprinting de origem parental, inactivação do cromossoma X (XCI*) e expressão aleatória monoalélica autossómica (RMAE). Populações enviesadas obtidas a partir de ensaios de transplante de uma única célula revelaram que o conjunto de células estaminais hematopoiéticas (HSCs) é heterogéneo, reflectindo as diferenças epigenéticas de células individuais. Segundo um modelo em que os padrões da expressão específica de alelos são estabelecidos durante a diferenciação de células estaminais embrionárias e são propagados depois de forma estável através de divisões celulares, as HSCs carregam genes (e alelos) com marcas epigenéticas estáveis. A análise a nível clonal dos estados epigenéticos das células estaminais é necessária para entender a sua heterogeneidade e diversidade. Nesta tese, avaliamos pela primeira vez a persistência de estados epigenéticos entre os alelos no sistema hematopoiético in vivo usando o desequilíbrio da expressão alélica como ferramenta de leitura. O trabalho baseou-se na criação de um sistema hematopoiético monoclonal em ratinho por transplante de uma única HSC e no subsequente estudo da progenia linfóide emergente por análise transcriptómica de todo o genoma. Nas células hematopoiéticas resultantes de uma única HSC, verificámos que a XCI é mantida de forma estável após extensa proliferação e diferenciação, enquanto a vasta maioria dos genes autossómicos não estão sob RMAE. Assim, os paralelismos recorrentes na literatura entre XCI e RMAE são enganosos, porque estes dois fenómenos não têm a mesma estabilidade e serão regulados por diferentes mecanismos. Além disso, demonstramos que esta abordagem clonal com base num sistema sem manipulação genética pode ser uma estratégia para estudar a XCI específica de tecidos in vivo. Por fim, um padrão de RMAE foi encontrado num número raro de genes (14 genes, <0,2% do total) em células linfóides resultantes de uma única HSC, indicando que esses padrões já estavam presentes na HSC original usada no transplante. No entanto, o número de genes com RMAE em células que passaram por etapas de diferenciação é muito menor do que o número relatado anteriormente em estudos usando linhagens celulares clonais in vitro sem diferenciação extensa (~2–15%). Para conciliar estas observações, propomos que a maioria dos padrões de RMAE são meta-estáveis, isto é, passíveis de eliminação e restauração em diferentes estados de diferenciação.