Role of ATP2B4 and human malaria : looking for functional genetic variants associated with malaria
Rôle de l’ATP2B4 et du paludisme humain : recherche de variants génétiques fonctionnels associés au paludisme
Résumé
Malaria causes approximately one million fatalities per year, mostly among Africa. The
severity of the disease is influenced by complex interactions between many factors including
host genetics. My thesis work concerns the identification and the functional characterization
of the genetic variants involved in resistance/susceptibility to severe malaria (SM) by
combining bioinformatics and genetic approaches. Several GWAS of SM have identified
various loci. Nevertheless, only a limited number of loci and genetic variants have been
replicated in independent populations. The first part of my project was to systematically
identify the regulatory effect of all the SNPs in linkage disequilibrium (LD) with the tagSNPs
associated with SM in several populations. By using different bioinformatics tools, we
prioritized the potential causal variants and interestingly found 5 best candidates (rs11240734,
rs1541252, rs1541253, rs1541254, and rs1541255) located close to each other on
chromosome 1 in ATP2B4 region. Our bioinformatic results predicted that they have a
regulatory effect, whereas the tagSNPs are unlikely functional. ATP2B4 is the main calcium
pump of erythrocytes (the host cells of the pathogenic stage of malaria parasites) and
alteration of its expression may affect the intraerythrocytic calcium concentration and thus the
structure and development of intraerythrocytic stages of the parasite. By genotyping these
SNPs in a Senegalese population, we confirmed the association of tagSNP (rs10900585) and
the 5 candidates (major allele as the risk allele) with SM. Moreover, a meta-analysis
confirmed the association of this tagSNP with SM in several populations. Furthermore, we
have genotyped ATP2B4 variants (rs10751450, rs10751451, rs10752452) that have shown to
be in an enhancer and to alter ATP2B4 expression and assessed their association with SM.
Interestingly, we evidenced a close LD between these SNPs and rs11240734, rs1541252,
rs1541253, rs1541254, and rs1541255, and detected a significant association with SM in the
Senegalese population. Moreover, haplotype analysis revealed that the individuals
homozygous for the major haplotype were found to have a higher risk of developing SM. In
the next part, we investigated the functional impact of the candidate variants on gene
regulation by using different functional approaches. Luciferase assay results indicated a
significant promoter activity for both risk (major alleles) and the non-risk haplotype (minor
alleles) with non-risk haplotype inducing higher transcriptional activity. Furthermore, the
region showed a significant enhancer effect on the ATP2B4 promoter. However, the major
haplotype (risk) exhibited significantly higher enhancer impact than minor haplotype (nonrisk) which confirmed that the regulatory region exhibits allele-dependent enhancer activity in K562 and suggested that our regulatory region is an epromoter (promoter with enhancer
function). Using CRISPR-Cas9, we performed the knockout of the region containing the
SNPs and found a decrease in expression of the gene compared to WT for total expression as
well as for two long transcripts, which confirmed that our regulatory region with rs11240734,
rs1541252, rs1541253, rs1541254, and rs1541255 has an enhancer function. Additionally, the
impact of deletion on intracellular calcium concentration was measured using flow cytometry
and the results indicated a significant increase in intracellular calcium in deleted clones. In
conclusion, we identified an enhancer that controls ATP2B4 expression and is perturbed by
several genetic variants associated with severe malaria. This also fosters the development of
therapeutic strategies based on the modulation of ATP2B4 expression and calcium levels.
Le paludisme cause environ un million de décès par an, principalement en Afrique. La gravité
de la maladie est influencée par de nombreux facteurs incluant les facteurs génétiques de
l'hôte. Mon travail de thèse porte sur l'identification et la caractérisation fonctionnelle de
variants génétiques impliquées dans la résistance/susceptibilité aux formes graves (FGs) de
paludisme en combinant des études bioinformatiques et génétiques. Plusieurs études
d‟association sur l‟ensemble du génome ont permis d‟identifier des loci associés aux FGs.
Néanmoins, seul un nombre limité de loci et de variants ont été répliqués dans des populations
indépendantes. La première partie de mon projet a été d'évaluer systématiquement l'effet
régulateur potentiel des SNPs en déséquilibre de liaison (DL) avec les tagSNPs associés aux
FGs. En utilisant des outils bioinformatiques, nous avons priorisé ces variants et avons
identifié que les 5 meilleurs candidats (rs11240734, rs1541252, rs1541253, rs1541254 et
rs1541255) sont situés à proximité les uns des autres sur le chromosome 1 dans la région du
gène ATP2B4. Nos résultats ont ainsi permis de prédire que ces variants auraient un effet
régulateur, alors que les tagSNPs seraient peu fonctionnels. La protéine ATP2B4 est la
principale pompe calcium des érythrocytes (les cellules hôtes du stade pathogène des
parasites) et l'altération de son expression pourrait donc affecter la concentration en calcium
intra-érythrocytaire et le développement des stades intra-érythrocytaires du parasite. Nous
avons confirmé l‟association du tagSNP (rs10900585) avec les FGs au Sénégal et la métaanalyse confirme cette association dans plusieurs populations. Nous avons montré que les 5
candidats (allèle majeur comme allèle à risque) sont également associés aux FGs au Sénégal.
Pour les variants rs10751450, rs10751451 et rs10752452 précédemment décrits comme
fonctionnels et altérant l'expression d'ATP2B4, nous avons obtenu une association avec les
FGs dans notre population d‟étude. Un fort DL a été observé entre ces 3 SNPs et les 5 SNPs
candidats et l'analyse des haplotypes a révélé que les individus homozygotes pour l'haplotype
composé des allèles majeurs présentaient un risque plus élevé de développer une FG. Dans la
partie suivante, nous avons étudié l'effet fonctionnel de ces variants sur la régulation du gène
ATP2B4 en utilisant différentes approches fonctionnelles. Les expériences de gène rapporteur
ont permis de montrer une activité promoteur et amplificateur pour la région contenant les 5
SNPs candidats. L‟haplotype à risque correspondant aux allèles majeurs a un effet promoteur
moins élevé que l‟haplotype correspondant aux allèles mineurs. En revanche l‟activité
amplificateur est plus élevée pour l‟haplotype à risque avec les allèles majeurs. Ces résultats
suggèrent que cette région ayant un effet promoteur aurait aussi une fonction amplificateur (epromoter) et que l‟effet régulateur est allèle dépendant. Dans les cellules K562 dans
lesquelles nous avons enlevé la région contenant les SNPs avec la technologie CRISPR-Cas9,
l‟expression du gène ATP2B4 est moins élevée que dans les cellules sauvages. Ce résultat est
significatif à la fois pour l‟expression globale de tous les transcrits mais aussi spécifiquement
pour les deux longs transcrits confirmant ainsi la fonction promoteur et amplificateur de cette
région. Nous avons également montré par cytométrie en flux que cette délétion a pour effet
une augmentation significative du calcium intracellulaire. En conclusion, nous avons identifié
une région avec un effet promoteur et amplificateur dont l‟effet sur l‟expression d‟ATP2B4
varie en fonction des allèles des SNPs associés aux FGs. Ainsi nos résultats permettent de
proposer de nouvelles stratégies thérapeutiques basées sur la modulation de l‟expression
d‟ATP2B4 et du calcium intracellulaire.
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