Single-cell transcriptomics of host-parasite interactions Transcriptomique unicellulaire des interactions hôte-parasite

Apicomplexa is a phylum consisting of eukaryotic obligate intracellular parasites with multiple life stages. These parasites often need to infect more than one host to complete their life cycle, and have developed a plethora of mechanisms to optimize their infectiousness, persistence, and evasion of the host immune system. One peculiar example of apicomplexan parasite is Theileria annulata, a species which infects ruminant leukocytes and is the causative agent of theileriosis. Infected cells are transformed, and develop a leukemia-like phenotype shortly after infection. The parasite, widespread across Africa, Middle East and Asia, causes about 1 million cattle deaths each year, threatening food security and animal welfare globally. During my PhD project, I have used bulk multi-omics and single-cell transcriptomics to elucidate the two main measures of theileriosis prevention: preparation of attenuated live vaccines and theilericidal drug treatment. First, I performed a meta-analysis to compare the transcriptomes of Theileria-infected cells with uninfected cells. To ensure the robustness of the results, I used 5 datasets from 3 different sources. Strikingly, we observed that gene families encoding innate and adaptive immunity sensors, such as the Toll-like receptors, guanylate-binding proteins, and Class II major histocompatibility complexes are downregulated at the transcriptomic level in infected cells. Furthermore, these transcriptional changes are paralleled by the results of proteomic and epigenomic analyses. Treatment of infected cells with Buparvaquone, a well-established theilericidal drug leads to derepression of all aforementioned immune pathways. Treatment with MC2646, a novel experimental drug similarly derepresses host cell immune pathways, suggesting a state of immune suppression in the presence of Theileria. To prevent infection of cows by Theileria annulata, they are often immunized with attenuated infected cell lines produced by repetitive passaging in vitro. These are characterized by loss of virulence associated with downregulated Matrix metalloprotease 9 (MMP9) expression. Despite this, the process of attenuation has not been elucidated. We used a single-cell transcriptomics approach and showed that attenuated-like TBL3 cells have a unique transcriptomic signature, distinct from MMP9-expressing TBL3 cells. By cross-comparing these data to previously published attenuation datasets, we determine new markers of attenuation. Copy number variation inference shows that these attenuated-like cells are indeed derived from a specific subclone of non-attenuated cells, providing ground for an asynchronous model of attenuation. Moreover, in the same single-cell transcriptomics experiment, we investigated the dynamic host-parasite interactions throughout the host cell cycle. Unsupervised trajectory inference combined with single-cell geneset enrichment analysis results suggest that a minority of infected cells can arrest the host cell cycle at S phase, and activate antiviral-like response to silence parasite gene expression. To summarize, these results highlight the complexity of host-parasite interactions established by Theileria to suppress host immunity. These interactions are dynamic throughout the host cell cycle, and generally lead to the downregulation of multiple immune gene families. More specifically, some host cells are able to overcome this immune suppression and silence Theileria parasites. Finally, we have provided further insight into the process of attenuation, and propose the very first steps towards the production of attenuated vaccine cell lines against Theileria annulata without lengthy culture. 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.