Sex Differences and Cross-Disease Molecular Mechanisms in Multiple Sclerosis: Insights from Transcriptomics and Metagenomics Analyses

Abstract

[ES] El sistema nervioso central (SNC) integra funciones motoras, sensoriales y autónomas. Su disfunción da lugar a diferentes condiciones neurológicas. Esta tesis contribuye a su caracterización con tres estudios diferentes: identificación de alteraciones diferenciales por sexo en la esclerosis múltiple (EM) mediante el análisis de datos de 1) transcriptómica de célula única y 2) metagenómica, y 3) cómo la caracterización de la EM, junto con otras enfermedades neurodegenerativas, proporciona información sobre la neurobiología de tumores cerebrales. La EM es una enfermedad crónica, autoinmune y neurodegenerativa que típicamente progresa desde episodios agudos, dirigidos por inflamación, hasta etapas progresivas dominadas por neurodegeneración. Las mujeres presentan mayor riesgo y una actividad inflamatoria más pronunciada, mientras que los hombres son más susceptibles a una neurodegeneración rápida y severa. En este trabajo, analizamos datos de transcriptómica de célula única del SNC y de células mononucleares de sangre periférica, representando los diferentes cursos clínicos de la EM. Identificamos genes, procesos funcionales, rutas de señalización e interacciones célula-célula en tipos celulares del SNC del subtipo secundario progresivo por los que las mujeres podrían activar respuestas protectoras, mientras que los hombres presentarían mayor vulnerabilidad. En la EM remitente-recurrente, las células inmunitarias femeninas mostraron un aumento en la expresión de genes relacionados con la inflamación. Mientras tanto, los hombres exhibieron un aumento en la expresión de genes vinculados al deterioro mitocondrial. Las mayores diferencias se identificaron en las células T CD8+ de la forma primaria progresiva, donde las mujeres presentaron mayor expresión de genes que podrían favorecer la homeostasis y los hombres exhibieron perfiles citolíticos. Con los resultados de la sangre periférica de ambos subtipos de EM, definimos una firma diferencial por sexo de 67 genes relacionados con respuestas a estímulos. Ampliamos la caracterización de las diferencias por sexo en EM explorando la microbiota intestinal mediante la integración de datos de secuenciación de ARNr 16S. Realizamos análisis individuales de cada estudio, seguidos de metaanálisis con comparaciones por pares definidas considerando la presencia o ausencia de enfermedad y el sexo. Nuestro estudio reveló taxones asociados al sexo de forma consistente (por ejemplo, Eggerthella, Eisenbergiella y Flavonifractor más abundantes en mujeres con EM; Prevotella en hombres con EM). Estos géneros se han relacionado con la modulación inmune y la producción de ácidos grasos de cadena corta, por lo que podrían influir en las respuestas inmunológicas asociadas a la enfermedad. La parte final amplió el estudio de la EM al campo de la neurobiología tumoral. Las metástasis cerebrales de melanoma (MCM) son una condición clínica agresiva con opciones de tratamiento limitadas y mal pronóstico. Dado que los melanocitos se originan a partir de células de la cresta neural, estudios previos han sugerido que MCM puede exhibir patrones de expresión neuronales. En este trabajo, exploramos si MCM comparte patrones transcriptómicos con la EM, la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson. Como resultado, identificamos más de 200 genes comúnmente desregulados, algunos de ellos involucrados en procesos como la organización de la matriz extracelular, el desarrollo y la remodelación de la cromatina. Estos genes destacan posibles asociaciones entre neurodegeneración y progresión tumoral. Todos los análisis se realizaron in silico analizando datos disponibles públicamente, y los resultados son accesibles mediante herramientas web interactivas. En conjunto, esta tesis contribuye a una mejor caracterización de los mecanismos moleculares diferenciales por sexo en EM y de las características neurodegenerativas de MBM, lo que puede fomentar futuras investigaciones que promuevan aplicaciones traslacionales.

[CA] El sistema nerviós central (SNC) integra funcions motores, sensorials i autònomes. La seua disfunció dona lloc a diferents condicions neurològiques. Aquesta tesi contribueix a la seua caracterització mitjançant tres estudis diferents: identificació d'alteracions diferencials per sexe en l'esclerosi múltiple (EM) analitzant dades de 1) transcriptòmica de cèl·lula única i 2) metagenòmica, i 3) com la caracterització de l'EM, juntament amb altres malalties neurodegeneratives, proporciona informació sobre la neurobiologia de tumors cerebrals. L'EM és una malaltia crònica, autoinmune i neurodegenerativa que típicament progressa des d'episodis aguts, dominats per inflamació, fins a etapes progressives on predomina la neurodegeneració. Les dones presenten major risc i una activitat inflamatòria més pronunciada, mentre que els homes són més susceptibles a una neurodegeneració ràpida i severa. En aquest treball, analitzàrem dades de transcriptòmica de cèl·lula única del SNC i de cèl·lules mononuclears de sang perifèrica, representant els diferents cursos clínics de l'EM. Vam identificar gens, processos funcionals, rutes de senyalització i interaccions cèl·lula-cèl·lula en tipus cel·lulars del SNC del subtip secundari progressiu pels quals les dones podrien activar respostes protectores, mentre que els homes presentarien major vulnerabilitat. En l'EM remitent-recurrent, les cèl·lules immunitàries femenines van mostrar un augment en l'expressió de gens relacionats amb la inflamació. Mentrestant, els homes van mostrar un augment en l'expressió de gens vinculats al deteriorament mitocondrial. Les majors diferències es van identificar en les cèl·lules T CD8+ de la forma primària progressiva, on les dones presentaren major expressió de gens que podrien afavorir l'homeòstasi i els homes van mostrar perfils citolítics. Amb els resultats de la sang perifèrica de tots dos subtipus d'EM, vam definir una signatura diferencial de sexe de 67 gens relacionats amb respostes a estímuls. Ampliàrem la caracterització de les diferències per sexe en EM explorant la microbiota intestinal mitjançant la integració de dades de seqüenciació d'ARNr 16S. Vam realitzar anàlisis individuals de cada estudi, seguits de metaanàlisis amb comparacions per parelles definides considerant la presència o absència de malaltia i el sexe. El nostre estudi va revelar taxons associats al sexe de forma consistent (per exemple, Eggerthella, Eisenbergiella i Flavonifractor més abundants en dones amb EM; Prevotella en homes amb EM). Aquests gèneres s'han relacionat amb la modulació immune i la producció d'àcids grassos de cadena curta, pel que podrien influir en les respostes immunològiques associades a la malaltia. La part final de la tesi amplià l'estudi de l'EM al camp de la neurobiologia tumoral. Les metàstasis cerebrals de melanoma (MCM) constitueixen una condició clínica agressiva amb opcions de tractament limitades i mal pronòstic. Donat que els melanòcits s'originen a partir de cèl·lules de la cresta neural, estudis previs han suggerit que MCM pot exhibir patrons d'expressió neuronals. En aquest treball, vam explorar si MCM comparteix patrons transcriptòmics amb l'EM, la malaltia d'Alzheimer i la malaltia de Parkinson. Com a resultat, vam identificar més de 200 gens desregulats en MCM i alguna malaltia neurodegenerativa, alguns d'ells implicats en processos com l'organització de la matriu extracel·lular, el desenvolupament i la remodelació de la cromatina. Aquests gens destaquen possibles associacions entre neurodegeneració i progressió tumoral. Tots els anàlisis es van realitzar in silico analitzant dades disponibles públicament, i els resultats són accessibles mitjançant web interactives. En conjunt, aquesta tesi contribueix a una millor caracterització dels mecanismes moleculars diferencials per sexe en EM i de les característiques neurodegeneratives de MCM, el que pot fomentar futures investigacions que, en última instància, promoguen aplicacions translacionals.

[EN] The central nervous system (CNS) integrates motor, sensory, and autonomic functions. Its dysfunction gives rise to a diverse range of neurological disorders. This thesis contributes to their understanding through three different studies: identifying sex-differential alterations in multiple sclerosis (MS) analyzing 1) single-cell transcriptomics and 2) metagenomics data, and 3) examining how the characterization of MS, together with other neurodegenerative diseases, provides insights into the neurobiology of brain tumors. MS is a chronic autoimmune and neurodegenerative condition that progresses from acute, inflammation-driven episodes to progressive stages dominated by neurodegeneration. Females exhibit higher risk and more pronounced inflammatory activity, while males are more susceptible to rapid and severe neurodegeneration. We analyzed single-cell transcriptomic datasets from the CNS and the peripheral blood mononuclear cells, which represented the different clinical courses of MS. Our analyses identified candidate genes, functional processes, pathways and inferred cell-cell interactions in secondary-progressive CNS cell types through which females may activate protective responses, while males may display greater vulnerability. In relapsing-remitting MS, female immune cells showed increased expression of inflammation-related genes. Meanwhile, males exhibited increased expression of genes linked to mitochondrial impairment. Larger differences were reported in CD8+ T cells from primary progressive MS, with females presenting increased expression of genes that may favor homeostasis and males exhibiting cytolytic profiles. With the peripheral blood results from both MS subtypes, we defined a sex-differential signature of 67 genes related to stimuli responses. We extended the characterization of sex differences in MS by exploring the gut microbiota through the integration of 16S rRNA sequencing datasets. Individual analyses were conducted for each study, followed by meta-analyses based on pairwise comparisons that accounted for disease status and sex. Our study revealed consistent sex-associated microbial taxa (e.g., Eggerthella, Eisenbergiella, and Flavonifractor more abundant in MS females; Prevotella in MS males). These genera have been previously linked to immune modulation and short-chain fatty acid production, which may contribute to the immune responses involved in the disease. The final part broadened the study of MS into the field of tumor neurobiology. Melanoma brain metastases (MBM) is an aggressive clinical condition with limited treatment options and poor prognosis. Since melanocytes originate from neural crest cells, previous studies have suggested that MBM may exhibit neuron-like expression patterns. In this work, we explored whether MBM shares transcriptomic patterns with MS, Alzheimer's disease, and Parkinson's disease. As a result, we identified more than 200 common dysregulated genes, some of which are involved in extracellular matrix organization, development, and chromatin remodeling processes. These genes highlight potential links at the intersection between neurodegeneration and tumor progression. All analyses were performed in silico using publicly available datasets, and results are accessible through interactive web tools. Collectively, this thesis contributes to a better characterization of the molecular sex-differential mechanisms in MS and the neurodegenerative features of MBM, which may foster future research that ultimately promotes translational applications.