Genome reconstruction and comparative genomics of pneumocystis jirovecii

Pneumocystis jirovecii is a fungus belonging to a basal lineage of the Ascomycotina, the Taphrinomycotina subphylum. It is a parasite specific to humans that dwells primarily in the lung and can cause severe pneumonia in individuals with debilitated immune system. Despite its clinical importance, many aspects of its biology remain poorly understood, at least in part because of the lack of a continuous in vitro cultivation system. The present thesis consists in the genome reconstruction and comparative genomics of P. jirovecii. It is made of three parts: (i) the de novo sequencing of P. jirovecii genome starting from a single broncho- alveolar lavage fluid of a single patient (ii) the de novo sequencing of the genome of the plant pathogen Taphrina deformans, a fungus closely related to P. jirovecii, and (iii) the genome scale comparison of P. jirovecii to other Taphrinomycotina members. Enrichment in P. jirovecii cells by immuno-precipitation, whole DNA random amplification, two complementary high throughput DNA sequencing methods, and in silico sorting and assembly of sequences were used for the de novo reconstruction of P. jirovecii genome from the microbiota of a single clinical specimen. An iterative ad hoc pipeline as well as numerical simulations was used to recover P. jirovecii sequences while purging out contaminants and assembly or amplification chimeras. This strategy produced a 8.1 Mb assembly, which encodes 3,898 genes. Homology searches, mapping on biochemical pathways atlases, and manual validations revealed that this genome lacks (i) most of the enzymes dedicated to the amino acids biosyntheses, and (ii) most virulence factors observed in other fungi, e.g. the glyoxylate shunt pathway and specific peptidases involved in the degradation of the host cell membrane. The same analyses applied to the available genomic sequences from Pneumocystis carinii the species infecting rats and Pneumocystis murina the species infecting mice revealed the same deficiencies. The genome sequencing of T. deformans yielded a 13 Mb assembly, which encodes 5,735 genes. T. deformans possesses enzymes involved plant cell wall degradation, secondary metabolism, the glyoxylate cycle, detoxification, sterol biosynthesis, as well as the biosyntheses of plant hormones such as abscisic acid or indole-3-acetic acid. T. deformans also harbors gene subsets that have counterparts in plant saprophytes or pathogens, which is consistent with its alternate saprophytic and pathogenic lifestyles. Mating genes were also identified. The homothallism of this fungus suggests a mating-type switching mechanism. Comparative analyses indicated that 81% of P. jirovecii genes are shared with eight other Taphrinomycotina members, including T. deformans, P. carinii and P. murina. These genes are mostly involved in housekeeping activities. The genes specific to the Pneumocystis genus represent 8%, and are involved in RNA metabolism and signaling. The signaling is known to be crucial for interaction of Pneumocystis spp with their environment. Eleven percent are unique to P. jirovecii and encode mostly proteins of unknown function. These genes in conjunction with other ones (e.g. the major surface glycoproteins) might govern the interaction of P. jirovecii with its human host cells, and potentially be responsible of the host specificity. P. jirovecii exhibits a reduced genome in size with a low GC content, and most probably scavenges vital compounds such as amino acids and cholesterol from human lungs. Consistently, its genome encodes a large set of transporters (ca. 22% of its genes), which may play a pivotal role in the acquisition of these compounds. All these features are generally observed in obligate parasite of various kingdoms (bacteria, protozoa, fungi). Moreover, epidemiological studies failed to evidence a free-living form of the fungus and Pneumocystis spp were shown to co-evolved with their hosts. Given also the lack of virulence factors, our observations strongly suggest that P. jirovecii is an obligate parasite specialized in the colonization of human lungs, and which causes disease only in individuals with compromised immune system. The same conclusion is most likely true for all other Pneumocystis spp in their respective mammalian host. - Pneumocystis jirovecii est un champignon appartenant à ine branche basale des Ascomycotina, le sous-embranchement des Taphrinomycotina. C'est un parasite spécifique aux humains qui réside principalement dans les poumons, et qui peut causer des pneumonies sévères chez des individus ayant un système immunitaire déficient. En dépit de son importance clinique, de nombreux aspects de sa biologie demeurent,largement méconnus, au moins en partie à cause de l'absence d'un système de culture in vitro continu. Cette thèse traite de la reconstruction du génome et de la génomique comparative de P. jirovecii. Elle comporte trois parties: (i) le séquençage de novo du génome de P. jirovecii à partir d'un lavage broncho-alvéolaire provenant d'un seul patient, (ii) le séquençage de novo du génome d'un champignon pathogène de plante Taphrina deformans qui est phylogénétiquement proche de P. jirovecii, et (iii) la comparaison du génome de P. jirovecii à celui d'autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Un enrichissement en cellules de P. jirovecii par immuno-précipitation, une amplification aléatoire des molécules d'ADN, deux méthodes complémentaires de séquençage à haut débit, un tri in silico et un assemblage des séquences ont été utilisés pour reconstruire de novo le génome de P. jirovecii à partir du microbiote d'un seul échantillon clinique. Un pipeline spécifique ainsi que des simulations numériques ont été utilisés pour récupérer les séquences de P. jirovecii tout en éliminant les séquences contaminants et les chimères d'amplification ou d'assemblage. Cette stratégie a produit un assemblage de 8.1 Mb, qui contient 3898 gènes. Les recherches d'homologies, de cartographie des voies métaboliques et des validations manuelles ont révélé que ce génome est dépourvu (i) de la plupart des enzymes dédiées à la biosynthèse des acides aminés, et (ii) de la plupart des facteurs de virulence observés chez d'autres champignons, par exemple, le cycle du glyoxylate ainsi que des peptidases spécifiques impliquées dans la dégradation de la membrane de la cellule hôte. Les analyses appliquées aux données génomiques disponibles de Pneumocystis carinii, l'espèce infectant les rats, et de Pneumocystis murina, l'espèce infectant les souris, ont révélé les mêmes déficiences. Le séquençage du génome de T. deformans a généré un assemblage de 13.3 Mb qui contient 5735 gènes. T. deformans possède les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes, le métabolisme secondaire, le cycle du glyoxylate, la détoxification, la biosynthèse des stérols ainsi que la biosynthèse d'hormones de plantes telles que l'acide abscissique ou l'acide indole 3-acétique. T. deformans possède également des sous-ensembles de gènes présents exclusivement chez des saprophytes ou des pathogènes de plantes, ce qui est consistent avec son mode de vie alternatif saprophyte et pathogène. Des gènes impliqués dans la conjugaison ont été identifiés. L'homothallisme de ce champignon suggère mécanisme de permutation du type conjuguant. Les analyses comparatives ont démontré que 81% des gènes de P. jirovecii sont présent chez les autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Ces gènes sont essentiellement impliqués dans le métabolisme basai. Les gènes spécifiques au genre Pneumocystis représentent 8%, et sont impliqués dans le métabolisme de l'ARN et la signalisation. La signalisation est connue pour être cruciale pour l'interaction des espèces de Pneumocystis avec leur environnement. Les gènes propres à P. jirovecii représentent 11% et codent en majorité pour des protéines dont la fonction est inconnue. Ces gènes en conjonction avec d'autres (par exemple, les glycoprotéines de surface), pourraient être déterminants dans l'interaction de P. jirovecii avec les cellules de l'hôte humain, et être potentiellement responsable de la spécificité d'hôte. P. jirovecii possède un génome de taille réduite à faible pourcentage en GC et récupère très probablement des composés vitaux comme les acides aminés et le cholestérol à partir des poumons humains. De manière consistante, son génome code pour de nombreux transporteurs (22% de ses gènes), qui pourraient jouer un rôle essentiel dans l'acquisition de ces composés. Ces caractéristiques sont généralement observées chez les parasites obligatoires de plusieurs règnes (bactéries, protozoaires, champignons). De plus, les études épidémiologiques n'ont pas réussi à prouver l'existence d'ime forme vivant librement du champignon. Etant donné également l'absence de facteurs de virulence, nos observations suggèrent que P. jirovecii est un parasite obligatoire spécialisé dans la colonisation des poumons humains, ne causant une maladie que chez des individus ayant un système immunitaire compromis. La même conclusion est très probablement applicable à toutes les autres espèces de Pneumocystis dans leur hôte mammifère respectif.

A comparative study of T-cell receptor V beta usage in non-obese diabetic (NOD) and I-E transgenic NOD mice.

The non-obese diabetic (NOD) mouse is a model for the study of insulin-dependent diabetes mellitus (IDDM). Recently transgenic NOD mice have been derived (NOD-E) that express the major histocompatibility complex (MHC) class II I-E molecule. NOD-E do not become diabetic and show negligible pancreatic insulitis. The possibility pertained that NOD-E mice are protected from disease by a process of T-cell deletion or anergy. This paper describes our attempts to discover whether this was so, by comparing NOD and NOD-E mouse T-cell receptor V beta usage. Splenocytes and lymph node cells were therefore tested for their ability to proliferate in response to monoclonal anti-V beta antibodies. We were unable to show any consistent differences between NOD and NOD-E responses to the panel of antibodies used. Previously proposed V beta were shown to be unlikely candidates for deletion or anergy. T cells present at low frequency (V beta 5+) in both NOD and NOD-E mice were shown to be as capable of expansion in response to antigenic stimulation as were more frequently expressed V beta. Our data therefore do not support deletion or anergy as mechanisms which could account for the observed disease protection in NOD-E mice.

Comparative Study of Chemoembolization, Loadable Beads: In vitro Drug Release and Physical Properties of DC Bead and Hepasphere, Loaded with Doxorubicin and Irinotecan

Purpose To characterize in vitro the loadability, physical properties, and release of irinotecan and doxorubicin from two commercially available embolization microspheres. Materials and Methods DC Bead (500-700 μm) and Hepasphere (400-600 μm) microspheres were loaded with either doxorubicin or irinotecan solutions. Drug amount was quantified with spectrophotometry, bead elasticity was measured under compression, and bead size and loading homogeneity were assessed with microscopy image analysis. Drug release was measured over 1-week periods in saline by using a pharmacopeia flow-through method. Results Almost complete drug loading was obtained for both microsphere types and drugs. Doxorubicin-loaded DC Beads maintained their spherical shape throughout the release. In contrast, Hepaspheres showed less homogeneous doxorubicin loading and, after release, some fractured microspheres. Incomplete doxorubicin release was observed in saline over 1 week (27% ± 2 for DC beads and 18% ± 7 for Hepaspheres; P = .013). About 75% of this amount was released within 2.2 hours for both beads. For irinotecan, complete release was obtained for both types of beads, in a sustained manner over 2-3 hours for DC Beads, and in a significantly faster manner as a 7-minute burst for Hepaspheres. Conclusions The two drug-eluting microspheres could be efficiently loaded with both drugs. Incomplete doxorubicin release was attributed to strong drug-bead ionic interactions. Weaker interactions were observed with irinotecan, which led to faster drug release.

Effets des usages différenciés de l'activité physique sur des enfants en classe enfantine : étude pluridisciplinaire et comparative

La thèse traite de projets de classes enfantines avec de l'activité physique, projets pilotes ayant entre autres le but d'évaluer les effets d'un apport d'activité physique auprès d'enfants de 4 à 6 ans. Le projet de recherche saisit l'opportunité de pouvoir observer les effets de l'AP sur de jeunes enfants (n=86, classes AP=40, classes contrôles=46) et ceci par trois regards distincts : une quantification de l'activité physique, l'influence de cette dernière sur certaines composantes cognitives (créativité, intelligence et concentration) des jeunes enfants et, enfin, l'influence de l'activité physique au niveau psychosocial (microsystèmes familial et scolaire). La méthodologie mélange des méthodes qualitatives (entretiens, observations) et quantitatives (accéléromètres (GT1M), tests de créativité (Krampen, 1996), d'intelligence (Cattell, Weiss & Osterland, 1997), de concentration (Krampen, 2007)). Les principaux résultats démontrent que ce type de projet permet d'augmenter l'AP durant le temps scolaire et les résultats sont plus contrastés en extrascolaire. Un temps supérieur consacré à l'AP ne démontre aucune diminution des capacités cognitives dans cette tranche d'âge-là. L'analyse du microsystème familial nous informe sur le fait que les parents qui ont placé leurs enfants dans ce type de classes sont eux-mêmes plus actifs que la moyenne de la population suisse (Lamprecht, Fischer, & Stamm, 2008a). Enfin, un apport d'AP ne permet pas d'augmenter le nombre de feedbacks tournés vers l'autonomie et le style contrôlant est même renforcé. Nos résultats sont discutés sur la base des études de Kriemler et al. (2010) qui démontrent toute la difficulté d'une intervention scolaire pour modifier les comportements familiaux en extrascolaire. La fonction exécutive (Tomporowski et al., 2008) offre un regard neurophysiologique éclairant les effets de l'AP sur les différentes capacités étudiées. Enfin, il semble que la pression générée par la mise en place de projets liés à un apport d'AP en école enfantine va dans le sens d'une augmentation d'un style contrôlant (Tessier, 2006). Ce choix d'approcher les observations selon plusieurs angles d'étude est audacieux car il se situe en situation écologique mais il représente en même temps le seul moyen d'observer les effets en tenant davantage compte de la complexité des conduites des interactions entre différents facteurs. - The aim of the study is to evaluate the effect of physical activity (PA) in kindergartens with children aged from 4 to 6 years old. The project seizes the opportunity to observe the effects of PA on young children (n=86, classes AP=40, control classes=46) with three different axes: a quantification of PA, the influence of PA on cognitive functions (creativity, intelligence and concentration), and the influence on the family and the climate in the class. The methodology is based on a mix of qualitative (interviews, observations) and quantitative (accelerometer (GT1M), creativity test (Krampen, 1996), intelligence test (Cattell, Weiss & Osterland, 1997), concentration test (Krampen, 2007)) methods. The main results show that PA during the schooltime increased and the results outside of the school present more contrasts. More time spent for PA doesn't influence negatively the evolution of the cognitive functions at this age. The parents, who have interest for this kind of kindergartens for their children move significantly more than the Swiss population (Lamprecht, et al., 2008a). More PA during the lessons doesn't increase the feedbacks given with autonomy and more control is even observed. The results show the difficulty of changing the behaviors of a family linked to PA outside of the school (Kriemler et al., 2010). The discussion of the results of the cognitive functions is based on the executive function, which seems to be linked to PA (Tomporowski et al., 2008). Finally, it seems that the pressure occurred by those projects with PA tend to foster a climate with more control (Tessier, 2006). The choice of structuring the thesis with three different axes represents a risk because it is established in ecological conditions, but it also allows to observe the effects of PA taking into consideration the interactions between the different factors.

A Comparative Study of Transvaginal Tape, Transobturator Tape Outside-in, and Transvaginal Tape-obturator Inside-out Surgical Procedures in the Treatment of Stress Urinary Incontinence

The aim of this work was to use the Urinary Distress Inventory (UDI-6) and Incontinence Impact Quality of Life (IIQ-7) questionnaires to compare 3 surgical techniques for stress urinary incontinence: the transvaginal tape (TVT) (105 women), the transobturator tape outside-in (TOT) (43 women), and the transvaginal tape-obturator inside-out (TVT-O) (54 women). There were no significant differences in frequent urination, urine leakage related to the feeling of urgency, urine leakage related to physical activity, or small amounts of urine leakage. TVT-operated women had a lower percentage of micturition difficulties compared with TOT women. TVT-O-operated women described slight discomfort in the genital area compared with the TVT technique, but this difference was not significant when compared with the TOT technique. When utilizing the UDI-6 and IIQ-7 scoring modifications before and after surgery, no difference among these 3 techniques is apparent.

Spirituality and religion in outpatients with schizophrenia: A multi-site comparative study of Switzerland, Canada, and the United States

Objective: To assess the importance of spirituality and religious coping among outpatients with a DSM-IV diagnosis of schizophrenia or schizoaffective disorder living in three countries. Method: A total of 276 outpatients (92 from Geneva, Switzerland, 121 from Trois-Rivières, Canada, and 63 from Durham, North Carolina), aged 18-65, were administered a semi-structured interview on the role of spirituality and religiousness in their lives and to cope with their illness. Results: Religion is important for outpatients in each of the three country sites, and religious involvement is higher than in the general population. Religion was helpful (i.e., provided a positive sense of self and positive coping with the illness) among 87% of the participants and harmful (a source of despair and suffering) among 13%. Helpful religion was associated with better social, clinical and psychological status. The opposite was observed for the harmful aspects of religion. In addition, religion sometimes conflicted with psychiatric treatment. Conclusions: These results indicate that outpatients with schizophrenia or schizoaffective disorder often use spirituality and religion to cope with their illness, basically positively, yet sometimes negatively. These results underscore the importance of clinicians taking into account the spiritual and religious lives of patients with schizophrenia.

Entretiens phénoménologiques et entretiens focalisés sur l'activité : analyse comparative, similitudes et variations.

Cet article présente une analyse comparative des résultats de deux formes d'entretiens : en 2005, des entretiens phénoménologiques, en 2006 des entretiens centrés sur l'activité. Deux problématiques sont abordées : la perception de la santé au travail et les pratiques de contraception. Nous présentons les premiers résultats de cette analyse comparative : ils montrent que l'adaptation des entretiens centrés sur l'activité au domaine de la santé présente un grand intérêt au niveau des apports de contenus. Le retour du sujet sur le discours concernant son activité concrète facilite la réflexivité et conduit à des transformations personnelles. Des difficultés concernant la position du chercheur et l'adéquation de la technique à la Psychologie de la Santé sont discutées. Cette première exploration ne détermine pas encore ce qui est dû à la différence des techniques. Nos travaux comparatifs vont se poursuivre en vue d'explorer des alternatives méthodologiques applicables en Psychologie de la Santé.

Lymphatic vascular morphogenesis in development, physiology, and disease.

The lymphatic vasculature constitutes a highly specialized part of the vascular system that is essential for the maintenance of interstitial fluid balance, uptake of dietary fat, and immune response. Recently, there has been an increased awareness of the importance of lymphatic vessels in many common pathological conditions, such as tumor cell dissemination and chronic inflammation. Studies of embryonic development and genetically engineered animal models coupled with the discovery of mutations underlying human lymphedema syndromes have contributed to our understanding of mechanisms regulating normal and pathological lymphatic morphogenesis. It is now crucial to use this knowledge for the development of novel therapies for human diseases.

Analysis of susceptibility to human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) by comparative genetics

Summary [résumé français voir ci-dessous] From the beginning of the 20th century the world population has been confronted with the human immune deficiency virus 1 (HIV-1). This virus has the particularity to mutate fast, and could thus evade and adapt to the human host. Our closest evolutionary related organisms, the non-human primates, are less susceptible to HIV-1. In a broader sense, primates are differentially susceptible to various retrovirus. Species specificity may be due to genetic differences among primates. In the present study we applied evolutionary and comparative genetic techniques to characterize the evolutionary pattern of host cellular determinants of HIV-1 pathogenesis. The study of the evolution of genes coding for proteins participating to the restriction or pathogenesis of HIV-1 may help understanding the genetic basis of modern human susceptibility to infection. To perform comparative genetics analysis, we constituted a collection of primate DNA and RNA to allow generation of de novo sequence of gene orthologs. More recently, release to the public domain of two new primate complete genomes (bornean orang-utan and common marmoset) in addition of the three previously available genomes (human, chimpanzee and Rhesus monkey) help scaling up the evolutionary and comparative genome analysis. Sequence analysis used phylogenetic and statistical methods for detecting molecular adaptation. We identified different selective pressures acting on host proteins involved in HIV-1 pathogenesis. Proteins with HIV-1 restriction properties in non-human primates were under strong positive selection, in particular in regions of interaction with viral proteins. These regions carried key residues for the antiviral activity. Proteins of the innate immunity presented an evolutionary pattern of conservation (purifying selection) but with signals of relaxed constrain if we compared them to the average profile of purifying selection of the primate genomes. Large scale analysis resulted in patterns of evolutionary pressures according to molecular function, biological process and cellular distribution. The data generated by various analyses served to guide the ancestral reconstruction of TRIM5a a potent antiviral host factor. The resurrected TRIM5a from the common ancestor of Old world monkeys was effective against HIV-1 and the recent resurrected hominoid variants were more effective against other retrovirus. Thus, as the result of trade-offs in the ability to restrict different retrovirus, human might have been exposed to HIV-1 at a time when TRIM5a lacked the appropriate specific restriction activity. The application of evolutionary and comparative genetic tools should be considered for the systematical assessment of host proteins relevant in viral pathogenesis, and to guide biological and functional studies. Résumé La population mondiale est confrontée depuis le début du vingtième siècle au virus de l'immunodéficience humaine 1 (VIH-1). Ce virus a un taux de mutation particulièrement élevé, il peut donc s'évader et s'adapter très efficacement à son hôte. Les organismes évolutivement le plus proches de l'homme les primates nonhumains sont moins susceptibles au VIH-1. De façon générale, les primates répondent différemment aux rétrovirus. Cette spécificité entre espèces doit résider dans les différences génétiques entre primates. Dans cette étude nous avons appliqué des techniques d'évolution et de génétique comparative pour caractériser le modèle évolutif des déterminants cellulaires impliqués dans la pathogenèse du VIH- 1. L'étude de l'évolution des gènes, codant pour des protéines impliquées dans la restriction ou la pathogenèse du VIH-1, aidera à la compréhension des bases génétiques ayant récemment rendu l'homme susceptible. Pour les analyses de génétique comparative, nous avons constitué une collection d'ADN et d'ARN de primates dans le but d'obtenir des nouvelles séquences de gènes orthologues. Récemment deux nouveaux génomes complets ont été publiés (l'orang-outan du Bornéo et Marmoset commun) en plus des trois génomes déjà disponibles (humain, chimpanzé, macaque rhésus). Ceci a permis d'améliorer considérablement l'étendue de l'analyse. Pour détecter l'adaptation moléculaire nous avons analysé les séquences à l'aide de méthodes phylogénétiques et statistiques. Nous avons identifié différentes pressions de sélection agissant sur les protéines impliquées dans la pathogenèse du VIH-1. Des protéines avec des propriétés de restriction du VIH-1 dans les primates non-humains présentent un taux particulièrement haut de remplacement d'acides aminés (sélection positive). En particulier dans les régions d'interaction avec les protéines virales. Ces régions incluent des acides aminés clé pour l'activité de restriction. Les protéines appartenant à l'immunité inné présentent un modèle d'évolution de conservation (sélection purifiante) mais avec des traces de "relaxation" comparé au profil général de sélection purifiante du génome des primates. Une analyse à grande échelle a permis de classifier les modèles de pression évolutive selon leur fonction moléculaire, processus biologique et distribution cellulaire. Les données générées par les différentes analyses ont permis la reconstruction ancestrale de TRIM5a, un puissant facteur antiretroviral. Le TRIM5a ressuscité, correspondant à l'ancêtre commun entre les grands singes et les groupe des catarrhiniens, est efficace contre le VIH-1 moderne. Les TRIM5a ressuscités plus récents, correspondant aux ancêtres des grands singes, sont plus efficaces contre d'autres rétrovirus. Ainsi, trouver un compromis dans la capacité de restreindre différents rétrovirus, l'homme aurait été exposé au VIH-1 à une période où TRIM5a manquait d'activité de restriction spécifique contre celui-ci. L'application de techniques d'évolution et de génétique comparative devraient être considérées pour l'évaluation systématique de protéines impliquées dans la pathogenèse virale, ainsi que pour guider des études biologiques et fonctionnelles