Epigenomic and transcriptomic regulation of myeloid immunosuppression

Abstract

[eng] This doctoral thesis delves into the complex mechanisms of the innate immune response, focusing on the role of myeloid cells such as monocytes and monocyte-derived dendritic cells in immunosuppression. These cells dynamically shift between pro- inflammatory and immunosuppressive states influenced by their environment and interactions with specific molecules. This adaptability is crucial in various contexts, including epithelial barrier immunity or tumor microenvironments, where retinoic acid (RA) may play a significant role, or in severe cases of COVID-19. However, the underlying regulatory mechanisms, especially the role of DNA methylation in these phenotypic changes, are not well understood. We have studied in different contexts, both in vitro and ex vivo, how methylation is capable of regulating the suppressive phenotype in myeloid cells and, in turn, we have also examined how defects in suppression mechanisms affect the immune response to SARS-CoV-2 infection. In the first study, we show how RA influences monocyte-derived dendritic cells (moDCs), promoting a more macrophage-like phenotype and acquiring immunosuppressive capabilities. We saw how these changes were related to specific changes in DNA methylation, highlighting the role of epigenetics in acquiring this phenotype. We revealed that the nuclear receptor LXRα is crucial in the effects of RA, and its activation leads to DNA methylation remodeling and expression of immunosuppressive elements such as VSIG4. The suppression of RXRα by RA was key to the function of LXRα. Lastly, we observed that macrophages in certain environments, such as in the colon or tumors, express both LXRα and VSIG4, suggesting a broader relevance of these mechanisms. In the second study, we analyzed the methylome and transcriptome of monocytes from patients with severe COVID-19 and observed changes in DNA methylation at sites linked to interferon genes and antigen presentation, aligning with a suppressive gene expression profile. These changes overlapped with those observed during bacterial sepsis, but also included unique alterations specific to viral infection. These modifications in DNA methylation, reminiscent of those occurring during myeloid differentiation and inflammation, suggest an epigenetic and transcriptional reprogramming of monocytes. We also saw how this reprogramming could be related to the release of immature monocytes, the increase in systemic pro-inflammatory cytokines, and the disruption of interactions with other immune cells, contributing to the severity of the disease.

In the third study, we analyzed the transcriptome of peripheral immune cells from patients with rheumatoid arthritis, psoriasis, or multiple sclerosis infected with SARS-CoV-2. Although all three autoimmune groups showed a common increase in CD14+ HLA-DRlow monocytes, the specific characteristics of their immune response to the virus varied significantly. This included differences in type I interferon signaling and the inflammatory responses of T cells and monocytes. These variations highlight the complex and distinct immune responses in autoimmune patients when faced with COVID-19, underscoring the need for personalized approaches in their treatment and disease management.

[cat] Aquesta tesi doctoral aprofundeix en els complexes mecanismes de la resposta immune innata, centrant-se en el paper de les cèl·lules mieloides com els monòcits i les cèl·lules dendrítiques derivades de monòcits en la immunosupressió. Aquestes cèl·lules canvien dinàmicament entre estats proinflamatoris i immunosupressors influenciats pel seu entorn i les seves interaccions amb molècules específiques. Aquesta adaptabilitat és crucial en diversos contextos, inclosa la immunitat de barrera epitelial o els microambients tumorals, on l’àcid retinoic (RA) pot tenir un paper important, o en els casos greus de COVID-19. Tot i això, els mecanismes reguladors subjacents, especialment el paper de la metilació de l'ADN en aquests canvis fenotípics, no es comprenen bé. Hem estudiat en diferents contextos, tant in vitro com ex vivo, com la metilació és capaç de regular el fenotip supressor a les cèl·lules mieloides i alhora també hem estudiat com els defectes en els mecanismes de supressió afecten la resposta immune davant la infecció per SARS-CoV-2. Al primer estudi, mostrem com l’RA influeix en les cèl·lules dendrítiques derivades de monòcits (moDC), promovent un fenotip més semblant a macròfag i adquirint capacitats immunosupressores. Vam veure com aquests canvis estaven relacionats amb canvis específics en la metilació de l'ADN, fet que destaca el paper de l'epigenètica en l'adquisició d'aquest fenotip. Vam veure que el receptor nuclear LXRα és crucial pels efectes del RA, i la seva activació condueix a la remodelació de la metilació i a l'expressió d'elements immunosupressors com el VSIG4. La supressió de RXRα per part del RA va ser clau per a la funció de LXRα. Finalment, vam veure que els macròfags en certs entorns, com al còlon o en tumors, expressen tant LXRα com VSIG4, cosa que suggereix una rellevància més àmplia d'aquests mecanismes. Al segon estudi, vam analitzar el metiloma i el transcriptoma de monòcits de pacients greus de COVID-19 i vam veure canvis en la metilació de l'ADN en llocs vinculats a gens d'interferó i de presentació d'antígens, alineant-los amb un perfil d'expressió genètica supressora. Aquests canvis es van superposar amb els observats durant la sèpsia bacteriana, però també van incloure alteracions úniques específiques de la infecció viral. Aquestes modificacions de la metilació de l'ADN, que recorden les que es produeixen durant la diferenciació mieloide i la inflamació, suggereixen una reprogramació epigenètica i transcripcional dels monòcits. També vam veure que aquesta reprogramació podria estar relacionada amb l'alliberament de monòcits immadurs, l'augment de

citocines proinflamatòries sistèmiques i l'alteració de les interaccions amb altres cèl·lules immunitàries, cosa que contribueix a la gravetat de la malaltia. En el tercer estudi, vam analitzar el transcriptoma de les cèl·lules immunes de pacients amb artritis reumatoide, psoriasi o esclerosi múltiple infectats per SARS-CoV-2. Tot i que els tres grups autoimmunes van mostrar un augment comú en els monòcits CD14+ HLA- DRlow, les característiques específiques de la seva resposta immune al virus van variar significativament. Això va incloure diferències en la senyalització de l'interferó tipus I i les respostes inflamatòries de les cèl·lules T i els monòcits. Aquestes variacions ressalten les respostes immunes complexes i diferents en pacients autoimmunes quan s'enfronten a COVID-19, fet que subratlla la necessitat d'enfocaments personalitzats en el tractament i el maneig de la malaltia.