Modulating Immune Cell Fate and Inflammation through CRISPR-mediated DNA Methylation Editing

Abstract

[eng] Immune cell differentiation and activation are associated with widespread DNA methylation changes; however, the causal relationship between these changes and their impact in shaping cell fate decisions still needs to be fully elucidated. Here, we conducted a genome-wide analysis to investigate the relationship between DNA methylation and gene expression at gene regulatory regions in human immune cells. By utilizing CRISPR/dCas9-TET1 and -DNMT3A epigenome editing tools, we successfully established a cause-and- effect relationship between the DNA methylation levels of the promoter of the Interleukin1-receptor antagonist (IL1RN) gene and its expression. Most importantly, we observed that modifying the DNA methylation status of the IL1RN promoter is sufficient to alter human myeloid cell fate and change the cellular response to inflammatory stimuli, resulting in pro-inflammatory cytokine release and a distinctive capacity to support cancer growth. Collectively, our findings demonstrate the potential of targeting specific DNA methylation events to directly modulate immune and inflammatory responses, providing a proof-of- principle for intervening in a broad range of inflammation-related diseases.

[cat] La diferenciació i activació de les cèl·lules immunes s'associen amb canvis en la metilació de l'ADN; no obstant, la relació causal entre aquests canvis i el seu impacte en les decisions sobre la identitat cel·lular encara no se saben. En aquesta tesi, hem fet una anàlisi de tot el genoma per investigar la relació entre la metilació de l'ADN i l'expressió gènica a les regions reguladores dels gens en cél·lules immunes. Per això, hem utilitzat eines d'edició epigenòmica CRISPR/dCas9-TET1 i -DNMT3A, i hem establert una relació de causa i conseqüència entre els nivells de metilació de l'ADN del promotor del gen antagonista del receptor d'interleucina 1 (IL1RN) i la seva expressió. Hem observat que al modificar l'estat de metilació de l'ADN del promotor d'IL1RN és suficient per alterar la identitat de cèl·lules humanes mieloides. A més a més, hem canviat la resposta cel·lular als estímuls inflamatoris, promovent com a resultat l'alliberació de citocines proinflamatòries i una capacitat diferencial en la modulació del creixement del càncer. En conclusió, la nostra investigació demostra el potencial de modificar la metilació de l'ADN en zones específiques del genoma per modular directament la resposta immune i pro-inflamatòria, proporcionant vies alternatives pel tractament de malalties relacionades amb la inflamació.

[spa] La diferenciación y activación de las células inmunes se asocian con cambios en la metilación del ADN; sin embargo, la relación causal entre estos cambios y su impacto en las decisiones sobre la identidad celular aún se desconoce. En esta tesis, hemos realizado un análisis de todo el genoma para investigar la relación entre la metilación del ADN y la expresión génica en las regiones reguladoras de los genes en células inmunes. Para eso, hemos utilizado herramientas de edición epigenómica CRISPR/dCas9-TET1 y -DNMT3A, y hemos establecido una relación de causa y efecto entre los niveles de metilación del ADN del promotor del gen antagonista del receptor de interleucina 1 (IL1RN) y su expresión. Hemos observado que al modificar el estado de metilación del ADN del promotor de IL1RN es suficiente para alterar la identidad de las células mieloides humanas. Además, al cambiar la respuesta celular a los estímulos inflamatorios, promoviendo como resultado la liberación de citoquinas proinflamatorias y una capacidad distinta en la modulación del crecimiento del cáncer. En conclusión, nuestros hallazgos demuestran el potencial de modificar la metilación del ADN en zonas específicas del genoma para modular directamente la respuesta inmune e inflamatoria, proporcionando vías alternativas para el tratamiento de enfermedades relacionadas con la inflamación.