@misc{10481/89461,
year = {2024},
url = {https://hdl.handle.net/10481/89461},
abstract = {Systemic sclerosis, or scleroderma (SSc), is a complex immunemediated
inflammatory disorder. SSc pathogenesis involves a triad of
factors: immunological imbalance characterized by the presence of
autoantibodies. pronounced vascular damage and extensive fibrosis of the
skin and the internal organs. Clinically, SSc can be classified based on the
extension of fibrosis. When it primarily affects the face and limbs, it is
referred to as limited cutaneous SSc (lcSSc), while when it involves internal
organs, it is defined as diffuse cutaneous SSc (dcSSc). Additionally, SSc can
be classified by the autoantibodies generated by the patient, the
predominant types being anti-topoisomerase (ATA+) and anti-centromere
(ACA+), that correlate with dcSSc and lcSSC, respectively.
SSc has a clear genetic component and the role of common genetic
variants in the susceptibility to SSc has been explored by using high
throughput genotyping techniques such as genome-wide association studies
(GWAS) arrays. The latest GWAS in the disease, published in 2019, identified
27 loci associated with SSc, discovering 13 new ones and providing new
insights into the molecular pathways and specific cell types implicated in the
pathogenesis of the disease. In addition, the mentioned large genomic study
established solid grounds for comprehensive follow-up studies and data
mining strategies. Consequently, the main aim of this doctoral thesis
research was to further understand the biological mechanisms involved in
SSc by applying novel analysis strategies on GWAS datasets and to generate
and analyze the gene expression profiles of relevant cell subtypes at the
single cell level.
A straightforward application of the identification of genetic risk
factors and the estimation of their effects in large GWASs is the generation of polygenic or genomic risk scores (PRS or GRS, respectively). This method
enabled us to identify individuals at risk of developing the disease based on
the presence of specific alleles in known disease-associated loci. In this
doctoral thesis, we developed a 33 single nucleotide polymorphism (SNP)
GRS that was proven to be able to differentiate between healthy individuals
and SSc patients. Moreover, the generated GRS showed a relevant clinical
management potential, as it could distinguish between individuals with SSc
and those with two related immune-mediated disorders such as rheumatoid
arthritis and Sjögren's syndrome, especially when genetic information was
combined with immune cell count data.
On the other hand, two-sample Mendelian randomization methods
allowed the scientific community to combine GWAS results for diseases and
environmental risk factors to address the causality of risk factors on disease
onset. High levels of body fat or obesity are known risk factors for numerous
diseases, including immune-mediated diseases. Obesity is associated with a
state of chronic low-level inflammation, in which adipocytes release proinflammatory
cytokines. Therefore, this thesis included the study of the
causal contribution of body fat distribution to the SSc. We utilized GWAS data
from public repositories for anthropometric measures of body fat
distribution, including body mass index (BMI), waist-to-hip ratio, and BMI
adjusted for waist-to-hip ratio. However, our analyses did not reveal a causal
relationship between SSc and any of these obesity-related anthropometric
measures.
Finally, based on previous knowledge, monocytes were selected as
targets cells to study in order to better understand the SSc pathogenesis.
Monocytes are myeloid cells that circulate in the blood with various
functions in innate immunity, ranging from direct action against threats to
the activation of other cell types and chemotaxis. Therefore, we isolated monocytes from peripheral blood in patients and controls and using singlecell
transcriptome analysis (scRNA-seq), we identified aberrant gene
expression profiles in SSc patients. Briefly, non-classical monocytes (ncMos)
were found in higher proportions in SSc patients, and SSc ncMos also
expressed increased levels of PTGES and interferon-mediated activation.
PTGES encodes a prostaglandin E2 synthase, which was previously proposed
as a therapeutic target in inflammation and may also be relevant for SSc
patients. A SSc-related cluster of IRF7+ STAT1+ intermediate monocyte
subset with an aberrant interferon response was also described.
Additionally, we identified a M2-polarized population of classical monocytes
that was depleted in patients. Considering that M2 macrophages are
profibrotic, we hypothesized that these monocyte subset is being activated
and migrating to tissues in SSc patients.
The results presented in this doctoral thesis signify a step forward in
the genetic exploration of SSc from various perspectives. First, we employed
previously published GWAS data to predict SSc onset based on genetic
variants. Second, we utilized the same GWAS data to establish body fat
distribution as a predisposing risk factor for the disease. Third, we employed
cutting-edge techniques like scRNA-seq to describe circulating blood
monocytes and their potential role in the disease.},
abstract = {La esclerosis sistémica, o esclerodermia (SSc), es un trastorno
inflamatorio mediado por el sistema inmunológico de etiología compleja. La
patogénesis de la enfermedad involucra una tríada de factores: desequilibrio
inmunológico caracterizado por la presencia de autoanticuerpos daño
vascular pronunciado y fibrosis extensa de la piel y los órganos internos.
Clínicamente, la SSc se puede clasificar según la extensión de la fibrosis.
Cuando afecta principalmente la cara y las extremidades, se denomina
esclerósis sistémica cutánea limitada (lcSSc), mientras que cuando involucra
órganos internos, se define como esclerosis sistémica cutánea difusa (dcSSc).
Además, la SSc se puede clasificar según los autoanticuerpos generados por
el paciente, siendo los tipos predominantes la anti-topoisomerasa (ATA+) y
los anticentrómero (ACA+), que se correlacionan con dcSSc y lcSSC,
respectivamente.
La SSc es una enfermedad con un fuerte componente genético,
estudiado en los últimos años gracias a técnicas de genotipado como los
estudios de asociación de genoma completo (GWAS). El último GWAS en la
enfermedad, publicado en 2019, identificó 27 loci asociados con la ES,
descubriendo 13 nuevos y proporcionando nuevas perspectivas sobre las
rutas moleculares y los efectos celulares específicos implicados en la
patogénesis de la enfermedad. Adicionalmente, este gran estudio genómico
estableció bases sólidas para estudios de seguimiento y estrategias de
minería de datos. En consecuencia, el principal objetivo de esta tesis doctoral
fue comprender mejor los mecanismos biológicos involucrados en la SSc
mediante la aplicación de nuevas estrategias de análisis en conjuntos de
datos de GWAS y generar y analizar los perfiles de expresión génica de
subtipos celulares relevantes a nivel de células única. Una aplicación directa de la identificación de factores de riesgo
genéticos y la estimación de sus efectos en GWAS de grandes cohortes son
los índices de riesgo poligénico o genómico (PRS o GRS, respectivamente).
Esta técnica permite identificar a las personas en riesgo de desarrollar la
enfermedad según la presencia de alelos específicos en los loci asociados a la
enfermedad. En esta tesis doctoral, desarrollamos un GRS de 33 SNP que
demostró ser capaz de diferenciar entre individuos sanos y pacientes con
SSc. Además, el GRS generado mostró un potencial relevante en la gestión
clínica, ya que podía distinguir entre individuos con SSc y aquellos con dos
enfermedades autoinmunes relacionadas, como la artritis reumatoide y el
síndrome de Sjögren, especialmente cuando se combinó información
genética con datos de recuento de células inmunitarias.
Por otro lado, los métodos de aleatorización mendeliana de dos
muestras permitieron a la comunidad científica combinar los resultados de
GWAS para enfermedades y factores de riesgo ambientales para abordar la
relación causal entre ellos. Los altos niveles de grasa corporal u obesidad son
factores de riesgo conocidos para numerosas enfermedades, incluidas los
transtornos mediados por el sistema inmunológico. La obesidad está
asociada con un estado de inflamación crónica de bajo nivel, en el cual los
adipocitos liberan citoquinas proinflamatorias. Por lo tanto, esta tesis
incluye el estudio de la contribución causal de la distribución de grasa
corporal a la SSc. Utilizamos datos de GWAS de repositorios públicos para
medidas antropométricas de distribución de grasa corporal, incluyendo el
índice de masa corporal (IMC), el ratio cintura-cadera y el IMC ajustado por
el ratio cintura-cadera. Sin embargo, nuestros análisis no revelaron una
relación causal entre la SSc y ninguna de estas medidas antropométricas
relacionadas con la obesidad. Finalmente, en base al conocimiento previo, los monocitos se
seleccionaron como células objetivo para nuestro estudio, con el fin de
comprender mejor la patogénesis de la SSc. Los monocitos son células
mieloides que circulan en la sangre con diversas funciones en la inmunidad
innata, que van desde la acción directa contra amenazas hasta la activación
de otros tipos celulares y la quimiotaxis. Por lo tanto, aislamos monocitos de
sangre periférica en pacientes y controles y, utilizando análisis de
transcriptoma de células únicas (scRNA-seq), se identificaron perfiles de
expresión génica aberrantes en pacientes con SSc. Se encontró una mayor
proporción de monocitos no clásicos (ncMos) en pacientes con SSc, y estos
también expresaron niveles aumentados de PTGES y activación mediada por
interferón. PTGES codifica una prostaglandina E2 sintasa, que previamente
se ha propuesto como un objetivo terapéutico en la inflamación y que
también puede ser relevante para los pacientes con SSc. También se
describió un grupo celular relacionado con la SSc de un subconjunto de
monocitos intermedios que expresan IRF7+ STAT1+ con una respuesta de
interferón aberrante. Además, identificamos una población de monocitos
clásicos polarizados a macrofagos M2 que estaba deplecionado en los
pacientes. Dado que los macrófagos M2 son células profibróticas,
planteamos la hipótesis de que este subconjunto de monocitos se activa y
migra a los tejidos en pacientes con SSc.
Los resultados presentados en esta tesis doctoral representan un
avance en la exploración genética de la SSc desde diversas perspectivas. En
primer lugar, al utilizar datos de GWAS previamente publicados para
predecir la aparición o distinguir la enfermedad de otras basado en variantes
genéticas. En segundo lugar, al utilizar los mismos datos de GWAS para
intentar dilucidar si la distribución de grasa corporal es un factor de riesgo
para la enfermedad. En tercer lugar, al utilizar técnicas de vanguardia como scRNA-seq para describir los monocitos de la sangre circulante y su papel
potencial en la SSc.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {Spanish Ministry of Science and Innovation (grant ref. RTI2018101332-B-100)},
organization = {Red de Investigación en Inflamación y Enfermedades Reumáticas (RIER) from Instituto de Salud Carlos III (RD16/0012/0013)},
organization = {EU/EFPIA/Innovative Medicines Initiative Joint Undertaking PRECISESADS grant no. 115565},
organization = {Grant P18-RT-4442 funded by Consejería de Transformación Económica, Industria, Conocimiento y Universidades, Junta de Andalucía},
organization = {Grant PRE2019-087586 funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 and by “ESF Investing in your future”},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Deciphering the genetic basis of systemic sclerosis},
author = {Villanueva Martin, Gonzalo},
}