Nonspecific PCR amplification by high-fidelity polymerases: implications for next-generation sequencing of AFLP markers.

High-fidelity 'proofreading' polymerases are often used in library construction for next-generation sequencing projects, in an effort to minimize errors in the resulting sequence data. The increased template fidelity of these polymerases can come at the cost of reduced template specificity, and library preparation methods based on the AFLP technique may be particularly susceptible. Here, we compare AFLP profiles generated with standard Taq and two versions of a high-fidelity polymerase. We find that Taq produces fewer and brighter peaks than high-fidelity polymerase, suggesting that Taq performs better at selectively amplifying templates that exactly match the primer sequences. Because the higher accuracy of proofreading polymerases remains important for sequencing applications, we suggest that it may be more effective to use alternative library preparation methods.

Ultra high throughput sequencing excludes MDH1 as candidate gene for RP28-linked retinitis pigmentosa.

PURPOSE: Mutations in IDH3B, an enzyme participating in the Krebs cycle, have recently been found to cause autosomal recessive retinitis pigmentosa (arRP). The MDH1 gene maps within the RP28 arRP linkage interval and encodes cytoplasmic malate dehydrogenase, an enzyme functionally related to IDH3B. As a proof of concept for candidate gene screening to be routinely performed by ultra high throughput sequencing (UHTs), we analyzed MDH1 in a patient from each of the two families described so far to show linkage between arRP and RP28. METHODS: With genomic long-range PCR, we amplified all introns and exons of the MDH1 gene (23.4 kb). PCR products were then sequenced by short-read UHTs with no further processing. Computer-based mapping of the reads and mutation detection were performed by three independent software packages. RESULTS: Despite the intrinsic complexity of human genome sequences, reads were easily mapped and analyzed, and all algorithms used provided the same results. The two patients were homozygous for all DNA variants identified in the region, which confirms previous linkage and homozygosity mapping results, but had different haplotypes, indicating genetic or allelic heterogeneity. None of the DNA changes detected could be associated with the disease. CONCLUSIONS: The MDH1 gene is not the cause of RP28-linked arRP. Our experimental strategy shows that long-range genomic PCR followed by UHTs provides an excellent system to perform a thorough screening of candidate genes for hereditary retinal degeneration.

Diagnostic and identification in situ of fungal pathogens in superficial mycosis

Fungi are divided in 3 groups in the field of medical mycology. The dermatophytes are filamentous fungi able to grow on keratinized tissues from human or animals. They are the main cause of superficial and cutaneous mycoses of the skin and its appendix (hair and nail). The yeasts, or dimorphic fungi, can be responsible of diverse types of infections (superficial to deep mycoses). The moulds include all Non-dermatophyte Filamentous Fungi (NDF). In medical mycology, the most representative moulds are Aspergillus spp., Fusarium spp. and Mucor spp. Diagnosis of mycosis is currently based on direct mycological examination of biological samples, as well as macroscopic and microscopic identification of the infectious fungus in culture assay. However, culture assays were found to remain sterile in roughly 40% of cases otherwise positive by direct mycological examinations. Additionally, results from culture assays are often difficult to interpret as various NDF are sometimes isolated. This thesis work is composed of three projects focusing on the development of new assays for direct in situ identification of fungi from dermatological samples. Part 1. A Polymerase Chain Reaction - Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism assay (PCR-TRFLP) targeting the 28S rDNA was developed to identify dermatophytes and NDF in nails with suspected onychomycosis. This method is faster and more efficient than culture. It further enables the distinction of more than one agent in case of mixed infection. A fast and reliable assay for the identification of dermatophytes and NDF in onychomycosis was found to be highly relevant since onychomycosis with Fusarium spp. or other NDF are weakly responsive or unresponsive to standard onychomycosis treatments with oral terbinafine and itraconazole. Part 2. A nested PCR-sequencing assay targeting the 28S rDNA was developed to identify dermatophyte species in skin and hair samples. This method is especially suitable for tinea capitis where dermatophytes identification is critical for subsequently prescribing the adequate treatment. The challenge presented when performing direct PCR fungi identification in skin and hair differs from that seen in onychomycosis as small amount of material is generally collected, few fungal elements are present in the clinical sample and one dermatophyte among a dozen species must be identified. Part 3. Fusarium spp. is currently isolated from nails with a frequency of 15% of that of dermatophytes in the laboratory of Mycology of the CHUV (2005-2012). The aim of this work was to examine if the intensive use of terbinafine and itraconazole could be a cause of the high incidence of Fusarium nail infections. For that purpose, two different methods, specific PCR and TRFLP, were used to detect both Fusarium spp. and Trichophyton spp. in nails of previously treated or untreated patients. TRFLP assay was found to be less sensitive than classical PCR assays specifically detecting Fusarium spp. or Trichophyton spp. Independently of the detection method used, the prevalence of Fusarium spp. appears not to be higher in patients previously treated by oral standard treatment with terbinafine and azoles which are highly effective to fight Trichophyton spp. in nails. In many cases Fusarium sp. was detected in samples of patients not previously subjected to antifungal therapy. Therefore, these treatments do not appear to favor the establishment of Fusarium spp. after elimination of a dermatophyte in nail infection. - En mycologie médicale, les champignons sont classés en 3 groupes. Les dermatophytes sont des champignons filamenteux capables de se développer dans les tissus kératinisés des hommes et des animaux, ils représentent la principale cause des mycoses superficielles et cutanées de la peau et de ses appendices (ongles et cheveux). Les levures, ou champignons dimorphiques, peuvent être responsables de divers types d'infections (superficielles à profondes). Les moisissures incluent tous les champignons filamenteux non-dermatophytes (NDF), les Aspergillus spp., les Fusarium spp. et les Mucor spp. sont les principales espèces rencontrées. Le diagnostic d'une mycose est basé sur un examen mycologique direct des prélèvements biologiques ainsi que sur l'identification macroscopique et microscopique du champignon infectieux isolé en culture. Cependant, dans environ 40% des cas, l'identification de l'agent pathogène est impossible par cette méthode car la culture reste stérile, bien que l'examen direct soit positif. De plus, la croissance de moisissures et/ou autres contaminants peut rendre l'interprétation de l'examen difficile. Ce travail de thèse est composé de trois projets focalisés sur le développement de nouvelles méthodes d'identification des champignons directement à partir d'échantillons dermatologiques. Projet 1. Une méthode de Réaction en chaîne de polymérase couplée à du polymorphisme de longueur des fragments de restriction terminaux (PCR-TRFLP), en ciblant l'ADN ribosomal 28S, a été développée pour l'identification des dermatophytes et moisissures dans les ongles avec suspicion d'onychomycoses. Cette technique s'est avérée plus rapide et plus efficace que la culture, permettant l'identification de plusieurs champignons en même temps. Posséder une méthode d'identification rapide et fiable des dermatophytes et des NDF dans les onychomycoses a été jugée nécessaire du fait que les Fusarium et d'autres NDF sont peu ou pas sensibles aux traitements oraux standards à la terbinafine et à Γ itraconazole. Projet 2. Une PCR nichée couplée au séquençage d'un fragment de l'ADN ribosomal 28S a été développée afin de différencier les dermatophytes dans la peau et les cheveux. Cette méthode est particulièrement adaptée au cas de tinea capitis, où l'identification du dermatophyte est essentielle afin de prescrire le traitement adéquat. Le problème de l'identification du pathogène fongique dans les cheveux et la peau diffère des onychomycoses car de petites quantités sont prélevées chez les patients, peu d'éléments fongiques sont présents et il faut discriminer un dermatophyte parmi une douzaine d'espèces potentielles. Projet 3. Au laboratoire de Mycologie du CHUV, les Fusarium ont été isolé dans les ongles à une fréquence de 15% pour la période 2005-2012. Le but de ce travail était d'examiner si l'utilisation intensive de terbinafine et d'itraconazole pouvait être une des causes de la forte incidence des infections des ongles par Fusarium. A cet effet, deux méthodes ont été utilisées pour détecter à la fois Fusarium spp. et Trichophyton spp., la PCR spécifique et le TRFLP. Indépendamment de la méthode choisie, il en résulte que la prévalence des Fusarium η'apparaît pas liée à un traitement au préalable des patients avec de la terbinafine ou des azoles, thérapies très efficaces contre les Trichophyton spp. dans les ongles. De plus, il existe de nombreux cas où Fusarium était détecté chez des patients non traités.

Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry as an alternative to 16S rRNA gene sequencing for identification of difficult-to-identify bacterial strains.

Conventional methods are sometimes insufficient to identify human bacterial pathogens, and alternative techniques, often molecular, are required. Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) identified with a valid score 45.9% of 410 clinical isolates from 207 different difficult-to-identify species having required 16S rRNA gene sequencing. MALDI-TOF MS might represent an alternative to 16S rRNA gene sequencing.

Large-scale DNA sequencing in taxonomy and conservation : a case study with the mayfly family Heptageniidae (Ephemeroptera) in the Alps and Madagascar

Les larves aquatiques d'éphémères (Ephemeroptera) colonisent toutes les eaux douces du monde et sont couramment utilisées comme bio-indicateurs de la qualité de l'eau. Le genre Rhithrogena (Heptageniidae) est le deuxième plus diversifié chez les éphémères, et plusieurs espèces européennes ont une distribution restreinte dans des environnements alpins sensibles. Les espèces de Rhithrogena ont été classées en "groupes d'espèces" faciles à identifier. Cependant, malgré leur importance écologique et en terme de conservation, beaucoup d'espèces présentent des différences morphologiques ambiguës, suggérant que lataxonomie actuelle ne refléterait pas correctement leur diversité évolutive. De plus, aucune information sur leurs relations, leur origine, le taux de spéciation ou les mécanismes ayant provoqué leur remarquable diversification dans les Alpes n'est disponible. Nous avons d'abord examiné le statut spécifique d'environ 50% des espèces européennes de Rhithrogena en utilisant un large échantillonnage de populations alpines incluant 22 localités typiques, ainsi qu'une analyse basée sur le modèle général mixte de Yule et de coalescence (GMYC) appliqué à un gène mitochondrial standard (coxl) et à un gène nucléaire développé spécifiquement pour cette étude. Nous avons observé un regroupement significatif des séquences coxl en 31 espèces potentielles, et nos résultats ont fortement suggéré la présence d'espèces cryptiques et de fractionnements taxonomiques excessifs chez les Rhithrogena. Nos analyses phylogénétiques ont démontré la monophylie de quatre des six groupes d'espèces reconnus présents dans notre échantillonnage. La taxonomie ADN développée dans cette étude pose les bases d'une future révision de ce genre important mais cryptique en Europe. Puis nous avons mené une étude phylogénétique multi-gènes entre les espèces européennes de Rhithrogena. Les données provenant de trois gènes nucléaires et de deux gènes mitochondriaux ont été largement concordantes, et les relations entre les espèces bien résolues au sein de la plupart des groupes d'espèces dans une analyse combinant tous les gènes. En l'absence de points de calibration extérieurs tels que des fossiles, nous avons appliqué à nos données mitochondriales une horloge moléculaire standard pour les insectes, suggérant une origine des Rhithrogena alpins à la limite Oligocène / Miocène. Nos résultats ont montré le rôle prépondérant qu'ont joué les glaciations du quaternaire dans leur diversification, favorisant la spéciation d'au moins la moitié des espèces actuelle dans les Alpes. La biodiversité et le taux d'endémisme à Madagascar, notamment au niveau de la faune des eaux douces, sont parmi les plus extraordinaires et les plus menacés au monde. On pense que beaucoup d'espèces d'éphémères sont restreintes à un seul bassin versant (microendémisme) dans les zones forestières, ce qui les rendrait particulièrement sensibles à la réduction et à la dégradation de leur habitat. Mis à part deux espèces décrites, Afronurus matitensis et Compsoneuria josettae, les Heptageniidae sont pratiquement inconnus à Madagascar. Les deux genres ont une distribution discontinue en Afrique, à Madagascar et en Asie du Sud-Est, et leur taxonomie complexe est régulièrement révisée. L'approche standard pour comprendre leur diversité, leur endémisme et leur origine requerrait un échantillonnage étendu sur plusieurs continents et des années de travaux taxonomiques. Pour accélérer le processus, nous avons utilisé des collections de musées ainsi que des individus fraîchement collectés, et appliqué une approche combinant taxonomie ADN et phylogénie. L'analyses GMYC du gène coxl a délimité 14 espèces potentielles à Madagascar, dont 70% vraisemblablement microendémiques. Une analyse phylogénique incluant des espèces africaines et asiatiques portant sur deux gènes mitochondriaux et quatre gènes nucléaires a montré que les Heptageniidae malgaches sont monophylétiques et groupe frère des Compsoneuria africains. L'existence de cette lignée unique, ainsi qu'un taux élevé de microendémisme, mettent en évidence leur importance en terme de conservation. Nos résultats soulignent également le rôle important que peuvent jouer les collections de musées dans les études moléculaires et en conservation. - Aquatic nymphs of mayflies (Ephemeroptera) colonize all types of freshwaters throughout the world and are extensively used as bio-indicators of water quality. Rhithrogena (Heptageniidae) is the second most species-rich genus of mayflies, and several European species have restricted distributions in sensitive Alpine environments and therefore are of conservation interest. The European Rhithrogena species are arranged into "species groups" that are easily identifiable. However, despite their ecological and conservation importance, ambiguous morphological differences among many species suggest that the current taxonomy may not accurately reflect their evolutionary diversity. Moreover, no information about their relationships, origin, timing of speciation and mechanisms promoting their successful diversification in the Alps is available. We first examined the species status of ca. 50% of European Rhithrogena diversity using a widespread sampling scheme of Alpine species that included 22 type localities, general mixed Yule- coalescent (GMYC) model analysis of one standard mitochondrial (coxl) and one newly developed nuclear marker. We observed significant clustering of coxl into 31 GMYC species, and our results strongly suggest the presence of both cryptic diversity and taxonomic oversplitting in Rhithrogena. Phylogenetic analyses recovered four of the six recognized species groups in our samples as monophyletic. The DNA taxonomy developed here lays the groundwork for a future revision of this important but cryptic genus in Europe. Then we conducted a species-level, multiple-gene phylogenetic study of European Rhithrogena. Data from three nuclear and two mitochondrial loci were broadly congruent, and species-level relationships were well resolved within most species groups in a combined analysis. In the absence of external calibration points like fossils, we applied a standard insect molecular clock hypothesis to our mitochondrial data, suggesting an origin of Alpine Rhithrogena in the Oligocene / Miocene boundary. Our results highlighted the preponderant role that quaternary glaciations played in their diversification, promoting speciation of at least half of the current diversity in the Alps. Madagascar's biodiversity and endemism are among the most extraordinary and endangered in the world. This includes the island's freshwater biodiversity, although detailed knowledge of the diversity, endemism, and biogeographic origin of freshwater invertebrates is lacking. Many mayfly species are thought to be restricted to single river basins (microendemic species) in forested areas, making them particularly sensitive to habitat reduction and degradation. The Heptageniidae are practically unknown in Madagascar except for two described species, Afronurus matitensis and Compsoneuria josettae. Both genera have a disjunct distribution in Africa, Madagascar and Southeast Asia, and a complex taxonomic status still in flux. The standard approach to understanding their diversity, endemism, and origin would require extensive field sampling on several continents and years of taxonomic work. Here we circumvent this using museum collections and freshly collected individuals in a combined approach of DNA taxonomy and phylogeny. The cox/-based GMYC analysis revealed 14 putative species on Madagascar, 70% of which potentially microendemics. A phylogenetic analysis that included African and Asian species and data from two mitochondrial and four nuclear loci indicated the Malagasy Heptageniidae are monophyletic and sister to African Compsoneuria. The observed monophyly and high microendemism highlight their conservation importance. Our results also underline the important role that museum collections can play in molecular studies, especially in critically endangered biodiversity hotspots like Madagascar.

Sequencing of Lp-PLA2-encoding PLA2G7 gene in 2000 Europeans reveals several rare loss-of-function mutations.

Elevated plasma levels of lipoprotein-associated phospholipase A(2) (Lp-PLA2) activity have been shown to be associated with increased risk of coronary heart disease and an inhibitor of this enzyme is under development for the treatment of that condition. A Val279Phe null allele in this gene, that may influence patient eligibility for treatment, is relatively common in East Asians but has not been observed in Europeans. We investigated the existence and functional effects of low frequency alleles in a Western European population by re-sequencing the exons of PLA2G7 in 2000 samples. In all, 19 non-synonymous single-nucleotide polymorphisms (nsSNPs) were found, 14 in fewer than four subjects (minor allele frequency <0.1%). Lp-PLA2 activity was significantly lower in rare nsSNP carriers compared with non-carriers (167.8±63.2 vs 204.6±41.8, P=0.01) and seven variants had enzyme activities consistent with a null allele. The cumulative frequency of these null alleles was 0.25%, so <1 in 10,000 Europeans would be expected to be homozygous, and thus not potentially benefit from treatment with an Lp-PLA2 inhibitor.

Integrating life cycle costs and environmental impacts of composite rail car-bodies for a Korean train

Background, aim, and scope A coupled Life Cycle Costing and life cycle assessment has been performed for car-bodies of the Korean Tilting Train eXpress (TTX) project using European and Korean databases, with the objective of assessing environmental and cost performance to aid materials and process selection. More specifically, the potential of polymer composite car-body structures for the Korean Tilting Train eXpress (TTX) has been investigated. Materials and methods This assessment includes the cost of both carriage manufacturing and use phases, coupled with the life cycle environmental impacts of all stages from raw material production, through carriage manufacture and use, to end-of-life scenarios. Metallic carriages were compared with two composite options: hybrid steel-composite and full-composite carriages. The total planned production for this regional Korean train was 440 cars, with an annual production volume of 80 cars. Results and discussion The coupled analyses were used to generate plots of cost versus energy consumption and environmental impacts. The results show that the raw material and manufacturing phase costs are approximately half of the total life cycle costs, whilst their environmental impact is relatively insignificant (3-8%). The use phase of the car-body has the largest environmental impact for all scenarios, with near negligible contributions from the other phases. Since steel rail carriages weigh more (27-51%), the use phase cost is correspondingly higher, resulting in both the greatest environmental impact and the highest life cycle cost. Compared to the steel scenario, the hybrid composite variant has a lower life cycle cost (16%) and a lower environmental impact (26%). Though the full composite rail carriage may have the highest manufacturing cost, it results in the lowest total life cycle costs and lowest environmental impacts. Conclusions and recommendations This coupled cost and life cycle assessment showed that the full composite variant was the optimum solution. This case study showed that coupling of technical cost models with life cycle assessment offers an efficient route to accurately evaluate economic and environmental performance in a consistent way.

Multiplex targeted high-throughput sequencing for Mendelian cardiac disorders.

Mendelian cardiomyopathies and arrhythmias are characterized by an important genetic heterogeneity, rendering Sanger sequencing very laborious and expensive. As a proof of concept, we explored multiplex targeted high-throughput sequencing (HTS) as a fast and cost-efficient diagnostic method for individuals suffering from Mendelian cardiac disorders. We designed a DNA capture assay including all exons from 130 genes involved in cardiovascular Mendelian disorders and analysed simultaneously four samples by multiplexing. Two patients had familial hypertrophic cardiomyopathy (HCM) and two patients suffered from long QT syndrome (LQTS). In patient 1 with HCM, we identified two known pathogenic missense variants in the two most frequently mutated sarcomeric genes MYH7 and MYBPC. In patient 2 with HCM, a known acceptor splice site variant in MYBPC3 was found. In patient 3 with LQTS, two missense variants in the genes SCN5A and KCNQ were identified. Finally, in patient 4 with LQTS a known missense variant was found in MYBPC3, which is usually mutated in patients with cardiomyopathy. Our results showed that multiplex targeted HTS works as an efficient and cost-effective tool for molecular diagnosis of heterogeneous disorders in clinical practice and offers new insights in the pathogenesis of these complex diseases.

Identification of cancer/testis-antigen genes by massively parallel signature sequencing.

Massively parallel signature sequencing (MPSS) generates millions of short sequence tags corresponding to transcripts from a single RNA preparation. Most MPSS tags can be unambiguously assigned to genes, thereby generating a comprehensive expression profile of the tissue of origin. From the comparison of MPSS data from 32 normal human tissues, we identified 1,056 genes that are predominantly expressed in the testis. Further evaluation by using MPSS tags from cancer cell lines and EST data from a wide variety of tumors identified 202 of these genes as candidates for encoding cancer/testis (CT) antigens. Of these genes, the expression in normal tissues was assessed by RT-PCR in a subset of 166 intron-containing genes, and those with confirmed testis-predominant expression were further evaluated for their expression in 21 cancer cell lines. Thus, 20 CT or CT-like genes were identified, with several exhibiting expression in five or more of the cancer cell lines examined. One of these genes is a member of a CT gene family that we designated as CT45. The CT45 family comprises six highly similar (>98% cDNA identity) genes that are clustered in tandem within a 125-kb region on Xq26.3. CT45 was found to be frequently expressed in both cancer cell lines and lung cancer specimens. Thus, MPSS analysis has resulted in a significant extension of our knowledge of CT antigens, leading to the discovery of a distinctive X-linked CT-antigen gene family.

Ambiguous nucleotide calls from population-based sequencing of HIV-1 are a marker for viral diversity and the age of infection.

Background. The time passed since the infection of a human immunodeficiency virus (HIV)-infected individual (the age of infection) is an important but often only poorly known quantity. We assessed whether the fraction of ambiguous nucleotides obtained from bulk sequencing as done for genotypic resistance testing can serve as a proxy of this parameter. Methods. We correlated the age of infection and the fraction of ambiguous nucleotides in partial pol sequences of HIV-1 sampled before initiation of antiretroviral therapy (ART). Three groups of Swiss HIV Cohort Study participants were analyzed, for whom the age of infection was estimated on the basis of Bayesian back calculation (n = 3,307), seroconversion (n = 366), or diagnoses of primary HIV infection (n = 130). In addition, we studied 124 patients for whom longitudinal genotypic resistance testing was performed while they were still ART-naive. Results. We found that the fraction of ambiguous nucleotides increased with the age of infection with a rate of .2% per year within the first 8 years but thereafter with a decreasing rate. We show that this pattern is consistent with population-genetic models for realistic parameters. Finally, we show that, in this highly representative population, a fraction of ambiguous nucleotides of >.5% provides strong evidence against a recent infection event < 1 year prior to sampling (negative predictive value, 98.7%). Conclusions. These findings show that the fraction of ambiguous nucleotides is a useful marker for the age of infection.

Molecular genetics of narcolepsy

1 Abstract Sleep is a vital necessity, yet its basic physiological function is still unknown, despite numerous studies both in healthy humans and animal models. The study of patients with sleep disorders may help uncover major biological pathways in sleep regulation and thus shed light on the actual function of sleep. Narcolepsy is a well defined but rare sleep disorder characterized by excessive daytime sleepiness and cataplexy, thought to be caused by a combination of genetic and environmental factors. The aim of this work was to identify genes or genetic variants, which contribute to the pathogenesis of sporadic and familial narcolepsy. Sporadic narcolepsy is the disorder with the strongest human leukocyte antigen (HLA) association ever reported. Since the associated HLA-DRB1 *1501-DQB1 *0602 haplotype is common in the general population (15-25%), it has been suggested that it is necessary but not sufficient for developing narcolepsy. To further define the genetic basis of narcolepsy risk, we performed a genome-wide association study (GWAS) in 562 European individuals with narcolepsy (cases) and 702 ethnically matched controls, with independent replication in 370 cases and 495 controls, all heterozygous for DRB1*1501-DQB1*0602. We found association with a protective variant near HLA-DQA2. Further analysis revealed that the identified SNP is strongly linked to DRB1*03-DQB1*02 and DRBΠ 301-DQB1*0603. Cases almost never carried a trans DRB1*1301-DQB1*0603 haplotype. This unexpected protective HLA haplotype suggests a causal involvement of the HLA region in narcolepsy susceptibility. Familial cases of narcolepsy account for 10% of all narcolepsy cases. However, due to low number of affected family members, narcolepsy families are usually not eligible for genetic linkage studies. We identified and characterized a large Spanish family with 11 affected family members representing the largest ever reported narcolepsy family. We ran a genetic linkage analysis using DNA of 11 affected and 15 unaffected family members and hereby identified a chromosomal candidate region on chromosome 6 encompassing 163 kb with a maximum multipoint LOD score of 5.02. The coding sequences of 4 genes within this haplotype block as well as 2 neighboring genes were screened for pathogenetic mutations in 2 affected and 1 healthy family members. So far no pathogenic mutation could be identified. Further in-depth sequencing of our candidate region as well as whole genome exome sequencing are underway to identify the pathogenic mutation(s) in this family and will further improve our understanding of the genetic basis of narcolepsy. 2 Résumé Le sommeil est un processus vital, dont la fonction physiologique est encore inconnue, malgré de nombreuses études chez des sujets humains sains ainsi que dans des modèles animaux. L'étude de patients souffrant de troubles du sommeil peut permettre la découverte de voies biologiques jouant un rôle majeur dans la régulation du sommeil. L'un de ces troubles, la narcolepsie, est une maladie rare mais néanmoins bien définie, caractérisée par une somnolence diurne excessive accompagnée de cataplexies. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Le but du présent travail était d'identifier !e(s) gène(s) ou les polymorphismes constituant des facteurs de risque dans les formes sporadique et familiale de narcolepsie. La narcolepsie sporadique est la maladie possédant la plus forte association avec le complexe majeur d'histocompatibilité humain (HLA) jamais reportée. La fréquence au sein de la population générale de l'haplotype associé HLA-DRB1*1501- DQB1*0602 (15-25%) suggère que ce dernier est nécessaire, mais pas suffisant, pour (e développement de la maladie. Nous avons voulu approfondir la recherche de facteurs génétiques augmentant le risque de la narcolepsie. A cette fin, nous avons entrepris une étude d'association à l'échelle du génome (genome-wide association study, GWAS) parmi 562 sujets narcoleptiques européens (cas) et 702 individus contrôle de même origine ethnique et nous avons trouvé une association avec un variant protecteur près du gène HLA- DQA2. Ce résultat a été répliqué indépendamment dans 370 cas et 495 contrôles, tous hétérozygotes au locus DRB1*1501-DQB1*0602. Une analyse plus fine montre que le polymorphisme identifié est fortement lié aux allèles DRB1*03-DQB1*02 et DRB1*1301-DQB1*0603. Nous notons que seul un cas était porteur d'un haplotype en trans DRB1*1301-DQBr0603. La découverte de cet allele HLA protecteur suggère que la région HLA joue un rôle causal dans la susceptibilité à la narcolepsie. Dix pourcents des cas de narcolepsie sont familiaux. Cependant, le faible nombre de membres affectés rend ces familles inéligibles pour des études de liaison génétique. Nous avons identifié et caractérisé une grande famille espagnole, dont 11 membres sont atteints par la maladie, ce qui représente la plus grande famille narcoleptique rapportée jusqu'à ce jour. A partir de l'ADN de 11 membres atteints et 15 non- atteints, nous avons identifié par étude de liaison une région candidate de 163 kîlobases (kb) sur le chromosome 6, correspondant à un LOD score multipoints de 5.02. Nous avons cherché, sans succès, des mutations pathogéniques dans la séquence codante de deux gènes situés à l'intérieur de ce segment, ainsi que 4 gènes adjacents. Un séquençage plus approfondi de la région ainsi que le séquençage des exons de tout le génome est en cours et doit s'avérer plus fructueux et révéler la ou tes mutation(s) pathogénique(s) dans cette famille, ce qui contribuerait à une meilleure compréhension des causes génétiques de la narcolepsie. 3 Résumé pour un large public Le sommeil est une nécessité vitale, dont le rôle physiologique exact reste inconnu malgré de nombreuses études sur des sujets humains sains ainsi que sur des modèles animaux. C'est pourquoi les troubles du sommeil intéressent les chercheurs, car l'élucidation des mécanismes responsables peut permettre de mieux comprendre le fonctionnement du sommeil normal. La narcolepsie est une maladie du sommeil caractérisée par une somnolence diurne excessive. Les personnes atteintes peuvent s'endormir involontairement à tout moment de la journée, et souffrent également de pertes du tonus musculaire (cataplexie) lors de fortes émotions, par exemple un fou rire. La narcolepsie est une maladie rare, apparaissant dans 1 personne sur 2000. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Nous avons voulu identifier les facteurs génétiques influençant le déclenchement de la maladie, d'abord dans sa forme sporadique, puis dans une famille comptant de nombreux membres atteints. En comparant les variations génétiques de près de 1000 sujets narcoleptiques européens avec ceux de 1200 individus sains, nous avons trouvé chez 30% de ces derniers un variant protecteur, qui diminue de 50 fois le risque de développer la maladie, ce qui constitue le plus puissant facteur génétique protecteur décrit à ce jour. Nous avons ensuite étudié une grande famille espagnole comptant une trentaine de membres, dont 11 sont atteints de narcolepsie. De nouveau, nous avons comparé les variations génétiques des membres atteints avec ceux des membres sains. Nous avons ainsi pu identifier une région dans le génome où se trouverait le(s) gène(s) impliqué(s) dans la maladie dans cette famille, mais n'avons pas encore trouvé le(s) variant(s) exact(s). Une étude plus approfondie devrait permettre de P(les) identifier et ainsi contribuer à l'élucidation des mécanismes menant au développement de la narcolepsie.

Targeted sequence capture and Ultra High Throughput sequencing for gene discovery in inherited diseases

L'introduction des technologies de séquençage de nouvelle génération est en vue de révolutionner la médecine moderne. L'impact de ces nouveaux outils a déjà contribué à la découverte de nouveaux gènes et de voies cellulaires impliqués dans la pathologie de maladies génétiques rares ou communes. En revanche, l'énorme quantité de données générées par ces systèmes ainsi que la complexité des analyses bioinformatiques nécessaires, engendre un goulet d'étranglement pour résoudre les cas les plus difficiles. L'objectif de cette thèse a été d'identifier les causes génétiques de deux maladies héréditaires utilisant ces nouvelles techniques de séquençage, couplées à des technologies d'enrichissement de gènes. Dans ce cadre, nous avons développé notre propre méthode de travail (pipeline) pour l'alignement des fragments de séquence (reads). Suite à l'identification de gènes, nous avons réalisé une analyse fonctionnelle pour élucider leur rôle dans la maladie. Dans un premier temps, nous avons étudié et identifié des mutations impliquées dans une forme récessive de la rétinite pigmentaire qui est à ce jour la dégénérescence rétinienne héréditaire la plus fréquente. En particulier, nous avons constaté que des mutations faux-sens dans le gène FAM161A étaient la cause de la rétinite pigmentaire préalablement associé avec le locus RP28. De plus, nous avons démontré que ce gène avait des fonctions au niveau du cil du photorécepteur, complétant le large spectre des cilliopathies rétiniennes héréditaires. Dans un second temps, nous avons exploré la possibilité qu'un syndrome, relativement fréquent en pédiatrie de fièvre récurrente, appelé PFAPA (acronyme de fièvre périodique avec adénite stomatite, pharyngite et cervical aphteuse) puisse avoir une origine génétique. L'étiologie de cette maladie n'étant pas claire, nous avons tenté d'identifier le spectre génétique de patients PFAPA. Comme nous n'avons pas pu mettre à jour un nouveau gène unique muté et responsable de la maladie chez tous les individus dépistés, il semblerait qu'un modèle génétique plus complexe suggérant l'implication de plusieurs gènes dans la pathologie ait été identifié chez les patients touchés. Ces gènes seraient notamment impliqués dans des processus liés à l'inflammation ce qui élargirait l'impact de ces études à d'autres maladies auto-inflammatoires.

Quadrant/octant sequencing and the role of coherent structures in bed load sediment entrainment

To permit the tracking of turbulent flow structures in an Eulerian frame from single-point measurements, we make use of a generalization of conventional two-dimensional quadrant analysis to three-dimensional octants. We characterize flow structures using the sequences of these octants and show how significance may be attached to particular sequences using statistical mull models. We analyze an example experiment and show how a particular dominant flow structure can be identified from the conditional probability of octant sequences. The frequency of this structure corresponds to the dominant peak in the velocity spectra and exerts a high proportion of the total shear stress. We link this structure explicitly to the propensity for sediment entrainment and show that greater insight into sediment entrainment can be obtained by disaggregating those octants that occur within the identified macroturbulence structure from those that do not. Hence, this work goes beyond critiques of Reynolds stress approaches to bed load entrainment that highlight the importance of outward interactions, to identifying and prioritizing the quadrants/octants that define particular flow structures. Key Points <list list-type=''bulleted'' id=''jgrf20196-list-0001''> <list-item id=''jgrf20196-li-0001''>A new method for analysing single point velocity data is presented <list-item id=''jgrf20196-li-0002''>Flow structures are identified by a sequence of flow states (termed octants) <list-item id=''jgrf20196-li-0003''>The identified structure exerts high stresses and causes bed-load entrainment

The role of tributary relative timing and sequencing in controlling large floods

Hydrograph convolution is a product of tributary inputs from across the watershed. The time-space distribution of precipitation, the biophysical processes that control the conversion of precipitation to runoff and channel flow conveyance processes, are heterogeneous and different areas respond to rainfall in different ways. We take a subwatershed approach to this and account for tributary flow magnitude, relative timing, and sequencing. We hypothesize that as the scale of the watershed increases so we may start to see systematic differences in subwatershed hydrological response. We test this hypothesis for a large flood (T >100 years) in a large watershed in northern England. We undertake a sensitivity analysis of the effects of changing subwatershed hydrological response using a hydraulic model. Delaying upstream tributary peak flow timing to make them asynchronous from downstream subwatersheds reduced flood magnitude. However, significant hydrograph adjustment in any one subwatershed was needed for meaningful reductions in stage downstream, although smaller adjustments in multiple tributaries resulted in comparable impacts. For larger hydrograph adjustments, the effect of changing the timing of two tributaries together was lower than the effect of changing each one separately. For smaller adjustments synergy between two subwatersheds meant the effect of changing them together could be greater than the sum of the parts. Thus, this work shows that while the effects of modifying biophysical catchment properties diminishes with scale due to dilution effects, their impact on relative timing of tributaries may, if applied in the right locations, be an important element of flood management.