Charting the heterogeneity of healthy and malignant immune cells, one cell at a time

Abstract

Specialization and plasticity are hallmarks of immune cells. Thus, charting their heterogeneity is crucial to understand their function and role in diseases. In this setting, single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) has emerged as the leading technology to map cell-cell variability at unprecedented resolution. However, scRNA-seq suffers from numerous technical artifacts, which can lead to false conclusions if not accounted for. This thesis uses scRNA-seq in three studies. First, we study the effect of time at room temperature before cryopreservation on single-cell transcriptomes, and propose experimental and computational solutions to mitigate it. Second, we created an atlas of cell types and states in human tonsils, which are a model secondary lymphoid organ (SLO). We discover previously uncharacterized heterogeneity in slan+ cells and T-cells. In the third and final chapter, we chart the clonal evolution of chronic lymphocytic leukemia (CLL) to Richter’s transformation (RT). We show that RT cells are present already at diagnosis and are detectable with scRNA-seq. In addition, we quantify the transcriptomic changes associated with RT, revealing a characteristic OXPHOShighBCRlow axis of variability. Finally, all the code, data and papers derived from this thesis follow the FAIR principles: findable, accessible, interoperable, and reusable; which are vital features of responsible scientific research.

Les cèl·lules del sistema immunitari es caracteritzen per la seva alta especialització i plasticitat. Per tant, estudiar la seva heterogeneïtat és essencial per entendre la seva funció i paper en les malalties. En aquest context, la seqüenciació d’ARN de cèl·lules individuals (scRNA-seq) s’ha convertit en la tecnologia líder per caracteritzar les cèl·lules i distingir així els diferents perfils d’expressió gènica. No obstant això, aquesta tecnologia presenta varis artefactes tècnics que poden conduir a interpretacions errònies si no es contemplen. En aquesta tesi doctoral s’ha emprat la tecnologia de scRNA-seq en tres estudis diferents. En primer lloc, hem estudiat l’efecte del temps que les cèl·lules passen a temperatura ambient abans de criopreservar-se sobre el seu transcriptoma, tot proposant estratègies de processament per mitigar el seu impacte en dades de scRNA-seq. En segon lloc, hem creat un atles de tipus i estats cel·lulars d’una amígdala humana, un model d’òrgan limfoide secundari. Gràcies al mateix, hem descobert nous estats de cèl·lules mieloides i limfòcits T. Finalment, hem desxifrat l’evolució clonal de la leucèmia limfàtica crònica (LLC) que es transforma i dóna lloc al síndrome de Richter, al mateix temps que hem detectat per scRNA-seq que les cèl·lules de Richter estan ja presents en els estadis inicials de la malaltia. Tanmateix, hem descrit els canvis transcriptomics associats amb el síndrome de Richter, que inclouen un nou eix de variabilitat caracteritzat per un OXPHOSaltBCRbaix. En conjunt, cal destacar que tots els projectes anteriorment mencionats s’han dut a terme seguint els principis de les dades FAIR: localitzable, accessible, interoperable i reutilitzable; característiques que són vitals per a qualsevol investigació científica.