Computational and statistical analysis of copy number variants in normal and cancer genomes

AbstractAlthough the genomes from any two human individuals are more than 99.99% identical at the sequence level, some structural variation can be observed. Differences between genomes include single nucleotide polymorphism (SNP), inversion and copy number changes (gain or loss of DNA). The latter can range from submicroscopic events (CNVs, at least 1kb in size) to complete chromosomal aneuploidies. Small copy number variations have often no (lethal) consequences to the cell, but a few were associated to disease susceptibility and phenotypic variations. Larger re-arrangements (i.e. complete chromosome gain) are frequently associated with more severe consequences on health such as genomic disorders and cancer. High-throughput technologies like DNA microarrays enable the detection of CNVs in a genome-wide fashion. Since the initial catalogue of CNVs in the human genome in 2006, there has been tremendous interest in CNVs both in the context of population and medical genetics. Understanding CNV patterns within and between human populations is essential to elucidate their possible contribution to disease. But genome analysis is a challenging task; the technology evolves rapidly creating needs for novel, efficient and robust analytical tools which need to be compared with existing ones. Also, while the link between CNV and disease has been established, the relative CNV contribution is not fully understood and the predisposition to disease from CNVs of the general population has not been yet investigated.During my PhD thesis, I worked on several aspects related to CNVs. As l will report in chapter 3, ! was interested in computational methods to detect CNVs from the general population. I had access to the CoLaus dataset, a population-based study with more than 6,000 participants from the Lausanne area. All these individuals were analysed on SNP arrays and extensive clinical information were available. My work explored existing CNV detection methods and I developed a variety of metrics to compare their performance. Since these methods were not producing entirely satisfactory results, I implemented my own method which outperformed two existing methods. I also devised strategies to combine CNVs from different individuals into CNV regions.I was also interested in the clinical impact of CNVs in common disease (chapter 4). Through an international collaboration led by the Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) and the Imperial College London I was involved as a main data analyst in the investigation of a rare deletion at chromosome 16p11 detected in obese patients. Specifically, we compared 8,456 obese patients and 11,856 individuals from the general population and we found that the deletion was accounting for 0.7% of the morbid obesity cases and was absent in healthy non- obese controls. This highlights the importance of rare variants with strong impact and provides new insights in the design of clinical studies to identify the missing heritability in common disease.Furthermore, I was interested in the detection of somatic copy number alterations (SCNA) and their consequences in cancer (chapter 5). This project was a collaboration initiated by the Ludwig Institute for Cancer Research and involved other groups from the Swiss Institute of Bioinformatics, the CHUV and Universities of Lausanne and Geneva. The focus of my work was to identify genes with altered expression levels within somatic copy number alterations (SCNA) in seven metastatic melanoma ceil lines, using CGH and SNP arrays, RNA-seq, and karyotyping. Very few SCNA genes were shared by even two melanoma samples making it difficult to draw any conclusions at the individual gene level. To overcome this limitation, I used a network-guided analysis to determine whether any pathways, defined by amplified or deleted genes, were common among the samples. Six of the melanoma samples were potentially altered in four pathways and five samples harboured copy-number and expression changes in components of six pathways. In total, this approach identified 28 pathways. Validation with two external, large melanoma datasets confirmed all but three of the detected pathways and demonstrated the utility of network-guided approaches for both large and small datasets analysis.RésuméBien que le génome de deux individus soit similaire à plus de 99.99%, des différences de structure peuvent être observées. Ces différences incluent les polymorphismes simples de nucléotides, les inversions et les changements en nombre de copies (gain ou perte d'ADN). Ces derniers varient de petits événements dits sous-microscopiques (moins de 1kb en taille), appelés CNVs (copy number variants) jusqu'à des événements plus large pouvant affecter des chromosomes entiers. Les petites variations sont généralement sans conséquence pour la cellule, toutefois certaines ont été impliquées dans la prédisposition à certaines maladies, et à des variations phénotypiques dans la population générale. Les réarrangements plus grands (par exemple, une copie additionnelle d'un chromosome appelée communément trisomie) ont des répercutions plus grave pour la santé, comme par exemple dans certains syndromes génomiques et dans le cancer. Les technologies à haut-débit telle les puces à ADN permettent la détection de CNVs à l'échelle du génome humain. La cartographie en 2006 des CNV du génome humain, a suscité un fort intérêt en génétique des populations et en génétique médicale. La détection de différences au sein et entre plusieurs populations est un élément clef pour élucider la contribution possible des CNVs dans les maladies. Toutefois l'analyse du génome reste une tâche difficile, la technologie évolue très rapidement créant de nouveaux besoins pour le développement d'outils, l'amélioration des précédents, et la comparaison des différentes méthodes. De plus, si le lien entre CNV et maladie a été établit, leur contribution précise n'est pas encore comprise. De même que les études sur la prédisposition aux maladies par des CNVs détectés dans la population générale n'ont pas encore été réalisées.Pendant mon doctorat, je me suis concentré sur trois axes principaux ayant attrait aux CNV. Dans le chapitre 3, je détaille mes travaux sur les méthodes d'analyses des puces à ADN. J'ai eu accès aux données du projet CoLaus, une étude de la population de Lausanne. Dans cette étude, le génome de plus de 6000 individus a été analysé avec des puces SNP et de nombreuses informations cliniques ont été récoltées. Pendant mes travaux, j'ai utilisé et comparé plusieurs méthodes de détection des CNVs. Les résultats n'étant pas complètement satisfaisant, j'ai implémenté ma propre méthode qui donne de meilleures performances que deux des trois autres méthodes utilisées. Je me suis aussi intéressé aux stratégies pour combiner les CNVs de différents individus en régions.Je me suis aussi intéressé à l'impact clinique des CNVs dans le cas des maladies génétiques communes (chapitre 4). Ce projet fut possible grâce à une étroite collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) et l'Impérial College à Londres. Dans ce projet, j'ai été l'un des analystes principaux et j'ai travaillé sur l'impact clinique d'une délétion rare du chromosome 16p11 présente chez des patients atteints d'obésité. Dans cette collaboration multidisciplinaire, nous avons comparés 8'456 patients atteint d'obésité et 11 '856 individus de la population générale. Nous avons trouvés que la délétion était impliquée dans 0.7% des cas d'obésité morbide et était absente chez les contrôles sains (non-atteint d'obésité). Notre étude illustre l'importance des CNVs rares qui peuvent avoir un impact clinique très important. De plus, ceci permet d'envisager une alternative aux études d'associations pour améliorer notre compréhension de l'étiologie des maladies génétiques communes.Egalement, j'ai travaillé sur la détection d'altérations somatiques en nombres de copies (SCNA) et de leurs conséquences pour le cancer (chapitre 5). Ce projet fut une collaboration initiée par l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer et impliquant l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les Universités de Lausanne et Genève. Je me suis concentré sur l'identification de gènes affectés par des SCNAs et avec une sur- ou sous-expression dans des lignées cellulaires dérivées de mélanomes métastatiques. Les données utilisées ont été générées par des puces ADN (CGH et SNP) et du séquençage à haut débit du transcriptome. Mes recherches ont montrées que peu de gènes sont récurrents entre les mélanomes, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats. Pour contourner ces limitations, j'ai utilisé une analyse de réseaux pour définir si des réseaux de signalisations enrichis en gènes amplifiés ou perdus, étaient communs aux différents échantillons. En fait, parmi les 28 réseaux détectés, quatre réseaux sont potentiellement dérégulés chez six mélanomes, et six réseaux supplémentaires sont affectés chez cinq mélanomes. La validation de ces résultats avec deux larges jeux de données publiques, a confirmée tous ces réseaux sauf trois. Ceci démontre l'utilité de cette approche pour l'analyse de petits et de larges jeux de données.Résumé grand publicL'avènement de la biologie moléculaire, en particulier ces dix dernières années, a révolutionné la recherche en génétique médicale. Grâce à la disponibilité du génome humain de référence dès 2001, de nouvelles technologies telles que les puces à ADN sont apparues et ont permis d'étudier le génome dans son ensemble avec une résolution dite sous-microscopique jusque-là impossible par les techniques traditionnelles de cytogénétique. Un des exemples les plus importants est l'étude des variations structurales du génome, en particulier l'étude du nombre de copies des gènes. Il était établi dès 1959 avec l'identification de la trisomie 21 par le professeur Jérôme Lejeune que le gain d'un chromosome supplémentaire était à l'origine de syndrome génétique avec des répercussions graves pour la santé du patient. Ces observations ont également été réalisées en oncologie sur les cellules cancéreuses qui accumulent fréquemment des aberrations en nombre de copies (telles que la perte ou le gain d'un ou plusieurs chromosomes). Dès 2004, plusieurs groupes de recherches ont répertorié des changements en nombre de copies dans des individus provenant de la population générale (c'est-à-dire sans symptômes cliniques visibles). En 2006, le Dr. Richard Redon a établi la première carte de variation en nombre de copies dans la population générale. Ces découvertes ont démontrées que les variations dans le génome était fréquentes et que la plupart d'entre elles étaient bénignes, c'est-à-dire sans conséquence clinique pour la santé de l'individu. Ceci a suscité un très grand intérêt pour comprendre les variations naturelles entre individus mais aussi pour mieux appréhender la prédisposition génétique à certaines maladies.Lors de ma thèse, j'ai développé de nouveaux outils informatiques pour l'analyse de puces à ADN dans le but de cartographier ces variations à l'échelle génomique. J'ai utilisé ces outils pour établir les variations dans la population suisse et je me suis consacré par la suite à l'étude de facteurs pouvant expliquer la prédisposition aux maladies telles que l'obésité. Cette étude en collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois a permis l'identification d'une délétion sur le chromosome 16 expliquant 0.7% des cas d'obésité morbide. Cette étude a plusieurs répercussions. Tout d'abord elle permet d'effectuer le diagnostique chez les enfants à naître afin de déterminer leur prédisposition à l'obésité. Ensuite ce locus implique une vingtaine de gènes. Ceci permet de formuler de nouvelles hypothèses de travail et d'orienter la recherche afin d'améliorer notre compréhension de la maladie et l'espoir de découvrir un nouveau traitement Enfin notre étude fournit une alternative aux études d'association génétique qui n'ont eu jusqu'à présent qu'un succès mitigé.Dans la dernière partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'analyse des aberrations en nombre de copies dans le cancer. Mon choix s'est porté sur l'étude de mélanomes, impliqués dans le cancer de la peau. Le mélanome est une tumeur très agressive, elle est responsable de 80% des décès des cancers de la peau et est souvent résistante aux traitements utilisés en oncologie (chimiothérapie, radiothérapie). Dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer, l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les universités de Lausanne et Genève, nous avons séquencés l'exome (les gènes) et le transcriptome (l'expression des gènes) de sept mélanomes métastatiques, effectués des analyses du nombre de copies par des puces à ADN et des caryotypes. Mes travaux ont permis le développement de nouvelles méthodes d'analyses adaptées au cancer, d'établir la liste des réseaux de signalisation cellulaire affectés de façon récurrente chez le mélanome et d'identifier deux cibles thérapeutiques potentielles jusqu'alors ignorées dans les cancers de la peau.

Insect oral secretions suppress wound-induced responses in Arabidopsis.

The induction of plant defences and their subsequent suppression by insects is thought to be an important factor in the evolutionary arms race between plants and herbivores. Although insect oral secretions (OS) contain elicitors that trigger plant immunity, little is known about the suppressors of plant defences. The Arabidopsis thaliana transcriptome was analysed in response to wounding and OS treatment. The expression of several wound-inducible genes was suppressed after the application of OS from two lepidopteran herbivores, Pieris brassicae and Spodoptera littoralis. This inhibition was correlated with enhanced S. littoralis larval growth, pointing to an effective role of insect OS in suppressing plant defences. Two genes, an ERF/AP2 transcription factor and a proteinase inhibitor, were then studied in more detail. OS-induced suppression lasted for at least 48 h, was independent of the jasmonate or salicylate pathways, and was not due to known elicitors. Interestingly, insect OS attenuated leaf water loss, suggesting that insects have evolved mechanisms to interfere with the induction of water-stress-related defences.

Host genetics and HIV-1: the final phase?

This is a crucial transition time for human genetics in general, and for HIV host genetics in particular. After years of equivocal results from candidate gene analyses, several genome-wide association studies have been published that looked at plasma viral load or disease progression. Results from other studies that used various large-scale approaches (siRNA screens, transcriptome or proteome analysis, comparative genomics) have also shed new light on retroviral pathogenesis. However, most of the inter-individual variability in response to HIV-1 infection remains to be explained: genome resequencing and systems biology approaches are now required to progress toward a better understanding of the complex interactions between HIV-1 and its human host.

Comparative transcriptomics of extreme phenotypes of human HIV-1 infection and SIV infection in sooty mangabey and rhesus macaque.

High levels of HIV-1 replication during the chronic phase of infection usually correlate with rapid progression to severe immunodeficiency. However, a minority of highly viremic individuals remains asymptomatic and maintains high CD4+ T cell counts. This tolerant profile is poorly understood and reminiscent of the widely studied nonprogressive disease model of SIV infection in natural hosts. Here, we identify transcriptome differences between rapid progressors (RPs) and viremic nonprogressors (VNPs) and highlight several genes relevant for the understanding of HIV-1-induced immunosuppression. RPs were characterized by a specific transcriptome profile of CD4+ and CD8+ T cells similar to that observed in pathogenic SIV-infected rhesus macaques. In contrast, VNPs exhibited lower expression of interferon-stimulated genes and shared a common gene regulation profile with nonpathogenic SIV-infected sooty mangabeys. A short list of genes associated with VNP, including CASP1, CD38, LAG3, TNFSF13B, SOCS1, and EEF1D, showed significant correlation with time to disease progression when evaluated in an independent set of CD4+ T cell expression data. This work characterizes 2 minimally studied clinical patterns of progression to AIDS, whose analysis may inform our understanding of HIV pathogenesis.

Living with an imperfect cell wall: compensation of femAB inactivation in Staphylococcus aureus.

BACKGROUND: Synthesis of the Staphylococcus aureus peptidoglycan pentaglycine interpeptide bridge is catalyzed by the nonribosomal peptidyl transferases FemX, FemA and FemB. Inactivation of the femAB operon reduces the interpeptide to a monoglycine, leading to a poorly crosslinked peptidoglycan. femAB mutants show a reduced growth rate and are hypersusceptible to virtually all antibiotics, including methicillin, making FemAB a potential target to restore beta-lactam susceptibility in methicillin-resistant S. aureus (MRSA). Cis-complementation with wild type femAB only restores synthesis of the pentaglycine interpeptide and methicillin resistance, but the growth rate remains low. This study characterizes the adaptations that ensured survival of the cells after femAB inactivation. RESULTS: In addition to slow growth, the cis-complemented femAB mutant showed temperature sensitivity and a higher methicillin resistance than the wild type. Transcriptional profiling paired with reporter metabolite analysis revealed multiple changes in the global transcriptome. A number of transporters for sugars, glycerol, and glycine betaine, some of which could serve as osmoprotectants, were upregulated. Striking differences were found in the transcription of several genes involved in nitrogen metabolism and the arginine-deiminase pathway, an alternative for ATP production. In addition, microarray data indicated enhanced expression of virulence factors that correlated with premature expression of the global regulators sae, sarA, and agr. CONCLUSION: Survival under conditions preventing normal cell wall formation triggered complex adaptations that incurred a fitness cost, showing the remarkable flexibility of S. aureus to circumvent cell wall damage. Potential FemAB inhibitors would have to be used in combination with other antibiotics to prevent selection of resistant survivors.

Revisiting sodium and water reabsorption with functional genomics tools.

PURPOSE OF REVIEW: The kidney plays an essential role in maintaining sodium and water balance, thereby controlling the volume and osmolarity of the extracellular body fluids, the blood volume and the blood pressure. The final adjustment of sodium and water reabsorption in the kidney takes place in cells of the distal part of the nephron in which a set of apical and basolateral transporters participate in vectorial sodium and water transport from the tubular lumen to the interstitium and, finally, to the general circulation. According to a current model, the activity and/or cell-surface expression of these transporters is/are under the control of a gene network composed of the hormonally regulated, as well as constitutively expressed, genes. It is proposed that this gene network may include new candidate genes for salt- and water-losing syndromes and for salt-sensitive hypertension. A new generation of functional genomics techniques have recently been applied to the characterization of this gene network. The purpose of this review is to summarize these studies and to discuss the potential of the different techniques for characterization of the renal transcriptome. RECENT FINDINGS: Recently, DNA microarrays and serial analysis of gene expression have been applied to characterize the kidney transcriptome in different in-vivo and in-vitro models. In these studies, a set of new interesting genes potentially involved in the regulation of sodium and water reabsorption by the kidney have been identified and are currently under detailed investigation. SUMMARY: Characterization of the kidney transcriptome is greatly expanding our knowledge of the gene networks involved in multiple kidney functions, including the maintenance of sodium and water homeostasis.

Genome-wide RNA polymerase II profiles and RNA accumulation reveal kinetics of transcription and associated epigenetic changes during diurnal cycles.

Interactions of cell-autonomous circadian oscillators with diurnal cycles govern the temporal compartmentalization of cell physiology in mammals. To understand the transcriptional and epigenetic basis of diurnal rhythms in mouse liver genome-wide, we generated temporal DNA occupancy profiles by RNA polymerase II (Pol II) as well as profiles of the histone modifications H3K4me3 and H3K36me3. We used these data to quantify the relationships of phases and amplitudes between different marks. We found that rhythmic Pol II recruitment at promoters rather than rhythmic transition from paused to productive elongation underlies diurnal gene transcription, a conclusion further supported by modeling. Moreover, Pol II occupancy preceded mRNA accumulation by 3 hours, consistent with mRNA half-lives. Both methylation marks showed that the epigenetic landscape is highly dynamic and globally remodeled during the 24-hour cycle. While promoters of transcribed genes had tri-methylated H3K4 even at their trough activity times, tri-methylation levels reached their peak, on average, 1 hour after Pol II. Meanwhile, rhythms in tri-methylation of H3K36 lagged transcription by 3 hours. Finally, modeling profiles of Pol II occupancy and mRNA accumulation identified three classes of genes: one showing rhythmicity both in transcriptional and mRNA accumulation, a second class with rhythmic transcription but flat mRNA levels, and a third with constant transcription but rhythmic mRNAs. The latter class emphasizes widespread temporally gated posttranscriptional regulation in the mouse liver.

Stronger transferability but lower variability in transcriptomic- than in anonymous microsatellites: evidence from Hylid frogs.

A simple way to quickly optimize microsatellites in nonmodel organisms is to reuse loci available in closely related taxa; however, this approach can be limited by the stochastic and low cross-amplification success experienced in some groups (e.g. amphibians). An efficient alternative is to develop loci from transcriptome sequences. Transcriptomic microsatellites have been found to vary in their levels of cross-species amplification and variability, but this has to date never been tested in amphibians. Here, we compare the patterns of cross-amplification and levels of polymorphism of 18 published anonymous microsatellites isolated from genomic DNA vs. 17 loci derived from a transcriptome, across nine species of tree frogs (Hyla arborea and Hyla cinerea group). We established a clear negative relationship between divergence time and amplification success, which was much steeper for anonymous than transcriptomic markers, with half-lives (time at which 50% of the markers still amplify) of 1.1 and 37 My, respectively. Transcriptomic markers are significantly less polymorphic than anonymous loci, but remain variable across diverged taxa. We conclude that the exploitation of amphibian transcriptomes for developing microsatellites seems an optimal approach for multispecies surveys (e.g. analyses of hybrid zones, comparative linkage mapping), whereas anonymous microsatellites may be more informative for fine-scale analyses of intraspecific variation. Moreover, our results confirm the pattern that microsatellite cross-amplification is greatly variable among amphibians and should be assessed independently within target lineages. Finally, we provide a bank of microsatellites for Palaearctic tree frogs (so far only available for H. arborea), which will be useful for conservation and evolutionary studies in this radiation.

Down-regulation of interferon signature in systemic lupus erythematosus patients by active immunization with interferon α-kinoid.

OBJECTIVE: We developed interferon-α-kinoid (IFN-K), a drug composed of inactivated IFNα coupled to a carrier protein, keyhole limpet hemocyanin. In human IFNα-transgenic mice, IFN-K induces polyclonal antibodies that neutralize all 13 subtypes of human IFNα. We also previously demonstrated that IFN-K slows disease progression in a mouse model of systemic lupus erythematosus (SLE). This study was undertaken to examine the safety, immunogenicity, and biologic effects of active immunization with IFN-K in patients with SLE. METHODS: We performed a randomized, double-blind, placebo-controlled, phase I/II dose-escalation study comparing 3 or 4 doses of 30 μg, 60 μg, 120 μg, or 240 μg of IFN-K or placebo in 28 women with mild to moderate SLE. RESULTS: IFN-K was well tolerated. Two SLE flares were reported as serious adverse events, one in the placebo group and the other in a patient who concomitantly stopped corticosteroids 2 days after the first IFN-K dose, due to mild fever not related to infection. Transcriptome analysis was used to separate patients at baseline into IFN signature-positive and -negative groups, based on the spontaneous expression of IFN-induced genes. IFN-K induced anti-IFNα antibodies in all immunized patients. Notably, significantly higher anti-IFNα titers were found in signature-positive patients than in signature-negative patients. In IFN signature-positive patients, IFN-K significantly reduced the expression of IFN-induced genes. The decrease in IFN score correlated with the anti-IFNα antibody titer. Serum complement C3 levels were significantly increased in patients with high anti-IFNα antibody titers. CONCLUSION: These results show that IFN-K is well tolerated, immunogenic, and significantly improves disease biomarkers in SLE patients, indicating that further studies of its clinical efficacy are warranted.

Antagonistic functions of LMNA isoforms in energy expenditure and lifespan.

Alternative RNA processing of LMNA pre-mRNA produces three main protein isoforms, that is, lamin A, progerin, and lamin C. De novo mutations that favor the expression of progerin over lamin A lead to Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS), providing support for the involvement of LMNA processing in pathological aging. Lamin C expression is mutually exclusive with the splicing of lamin A and progerin isoforms and occurs by alternative polyadenylation. Here, we investigate the function of lamin C in aging and metabolism using mice that express only this isoform. Intriguingly, these mice live longer, have decreased energy metabolism, increased weight gain, and reduced respiration. In contrast, progerin-expressing mice show increased energy metabolism and are lipodystrophic. Increased mitochondrial biogenesis is found in adipose tissue from HGPS-like mice, whereas lamin C-only mice have fewer mitochondria. Consistently, transcriptome analyses of adipose tissues from HGPS and lamin C-only mice reveal inversely correlated expression of key regulators of energy expenditure, including Pgc1a and Sfrp5. Our results demonstrate that LMNA encodes functionally distinct isoforms that have opposing effects on energy metabolism and lifespan in mammals.

Combined transcriptomic and proteomic studies reveal non-canonical signaling functions in the jasmonate pathway

Abstract Lipid derived signals mediate many stress and defense responses in multicellular eukaryotes. Among these are the jasmonates, potently active signaling compounds in plants. Jasmonic acid (JA) and 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) are the two best known members of the large jasmonate family. This thesis further investigates their roles as signals using genomic and proteomic approaches. The study is based on a simple genetic model involving two key genes. The first is ALLENE OXIDE SYNTHASE (AOS), encoding the most important enzyme in generating jasmonates. The second is CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1), a gene involved in all currently documented canonical signaling responses. We asked the simple question: do null mutations in AOS and COI1 have analogous effects on the transcriptome ? We found that they do not. If most COI1-dependent genes were also AOS-dependent, the expression of a zinc-finger protein was AOS-dependent but was unaffected by the coi1-1 mutation. We thus supposed that a jasmonate member, most probably OPDA, can alter gene expression partially independently of COI1. Conversely, the expression of at least three genes, one of these is a protein kinase, was shown to be COI1-dependent but did not require a functional AOS protein. We conclude that a non-jasmonate signal might alter gene expression through COIL Proteomic comparison of coi1-1 and aos plants confirmed these observations and highlighted probable protein degradation processes controlled by jasmonates and COI1 in the wounded leaf. This thesis revealed new functions for COI1 and for AOS-generated oxylipins in the jasmonate signaling pathway. Résumé Les signaux dérivés d'acides gras sont des médiateurs de réponses aux stress et de la défense des eucaryotes multicellulaires. Parmi eux, les jasmonates sont de puissants composés de sig¬nalisation chez les plantes. L'acide jasmonique (JA) et l'acide 12-oxo-phytodienoïc (OPDA) sont les deux membres les mieux caractérisés de la grande famille des jasmonates. Cette thèse étudie plus profondément leurs rôles de signalisation en utilisant des approches génomique et protéomique. Cette étude est basée sur un modèle génétique simple n'impliquant que deux gènes. Le premier est PALLENE OXYDE SYNTHASE (AOS) qui encode l'enzyme la plus importante pour la fabrication des jasmonates. Le deuxième est CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1) qui est impliqué dans la totalité des réponses aux jasmonates connues à ce jour. Nous avons posé la question suivante : est-ce que les mutations nulles dans les gènes AOS et COI1 ont des effets analogues sur le transcriptome ? Nous avons trouvé que ce n'était pas le cas. Si la majorité des gènes dépendants de COI1 sont également dépendants d'AOS, l'expression d'un gène codant pour une protéine formée de doigts de zinc n'est pas affectée par la mutation de COI1 tout en étant dépendante d'AOS. Nous avons donc supposé qu'un membre de la famille des jasmonates, probablement OPDA, pouvait modifier l'expression de certains gènes indépendamment de COI1. Inversement, nous avons montré que, tout en étant dépendante de COI1, l'expression d'au moins trois gènes, dont un codant pour une protéine kinase, n'était pas affectée par l'absence d'une protéine AOS fonctionnelle. Nous en avons conclu qu'un signal autre qu'un jasmonate devait modifier l'expression de certains gènes à travers COI1. La comparaison par protéomique de plantes aos et coi1-1 a confirmé ces observations et a mis en évidence un probable processus de dégradation de protéines contrôlé par les jasmonates et COU_ Cette thèse a mis en avant de nouvelles fonctions pour COI1 et pour des oxylipines générées par AOS dans le cadre de la signalisation par les jasmonates.

Génération d'une souris dépourvue du gène VIT32 de manière conditionnelle: étude du phénotype rénal chez les souris dépourvues de RGS2

Résumé Dans le rein, la vasopressine possède un rôle essentiel dans la régulation fine du transport d'eau et participe au contrôle de la réabsorption du sodium. Cette action est conduite par l'activation du récepteur à la vasopressine V2R situé dans l'anse de Henle, dans le tubule connecteur et dans le canal collecteur du néphron des rongeurs et conduit à la formation d'AMPc entraînant un mécanisme d'action caractérisé par deux phases distinctes. Le premier effet de la vasopressine est non génomique et a lieu rapidement après l'activation du récepteur, la deuxième phase est plus tardive et possède la caractéristique de moduler la transcription d'un réseau de gènes. Parmi ces gènes, plusieurs sont directement impliqués dans le transport d'eau et de sodium, comme l'Aqp2 et 3, ENaC et la Na,K-ATPase. L'identification des effets de la voie de signalisation de la vasopressine représente un point crucial pour la compréhension des mécanismes moléculaires de la réabsorption de l'eau et du sodium dans le néphron. L'analyse en série de l'expression de gènes (SAGE) réalisée en 2001 dans notre laboratoire a permis de caractériser le transcriptome dépendant de la vasopressine dans la lignée cellulaire mpkCCDc14,a dérivée du canal collecteur cortical (CCD) de souris. Deux des transcrits induits par la vasopressine (VIT) ont fait l'objet des études de ce travail de thèse. Le premier est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) qui code pour une protéine ne possédant aucune homologie avec des domaines protéiques dont la fonction est connue. Dans le système d'expression de l'ovocyte de Xenopus laevis, VIT32 induit la maturation des ovocytes et diminue le courant sensible à l'amiloride de manière dépendante de la voie des MAPK. Dans les mpkCCDc14, l'inhibition de la voie des MAPK diminue le courant sodique en diminuant l'activité de la Na,K-ATPase, mais sans modifier le courant d'ENaC. Ainsi la voie de signalisation des MAPK peut avoir des cibles différentes suivant le système dans lequel elle est étudiée. C'est pourquoi nous avons décidé de poursuivre l'étude de VIT32 dans un contexte physiologique en créant une souris dépourvue du gène codant pour VIT32 de manière conditionnelle (conditional knockout). La première partie de cette thèse a donc consisté à générer cette souris. Le deuxième transcrit induit par la vasopressine qui a été étudié dans cette thèse est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, il a été montré que RGS2 inhibe des voies de signalisation dépendantes de récepteurs couplés à des protéines Gq et Gs. Dans notre étude, nous avons montré que dans le néphron de rein de souris, RGS2 est colocalisé avec V2R. In vivo, la vasopressine sécrétée lors d'une restriction en eau imposée à des souris augmente l'expression de RGS2. De plus, l'accumulation d'AMPc engendrée par l'action de la vasopressine sur les canaux collecteurs est significativement plus grande chez les souris dépourvues de RGS2 (rgs2 -/-). Cette induction de la signalisation de la vasopressine est corrélée à une augmentation de la réabsorption d'eau chez les souris rgs2 -/-. Ainsi RGS2 serait impliqué dans le rétrocontrôle négatif de la voie de signalisation de la vasopressine. Abstract In the kidney, vasopressin plays a key role in the control of water balance and participates in salt reabsorption. These actions are induced by the activation of V2 vasopressin receptor (V2R) located in the loop of Henle, in the connecting tubule and in the collecting duct leading to an increase in intracellular cAMP levels. The V2R-mediated vasopressin action elicits a rapid, non-genomic effect, during which water and salt reabsorption is rapidly increased and a late or genomic effect characterised by the long-term regulation of water and salt reabsorption through the transcriptional activation of a gene network that includes Aqp2, Aqp3, ENaC and Na,K-ATPase. Serial analysis of gene expression (SAGE) performed in 2001 in our laboratory characterised the vasopressin induced transcripts (VIT) in the mpkCCDc14 cell line. Two of them are studied in this thesis. The first one is VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) that encodes a protein that has no homology with any protein domain of known function. In the Xenopus laevis oocyte, VIT32 induces oocyte maturation and downregulates the ENaC amiloride sensitive current via the activation of the MAPK pathway. In mpkCCDc14 cell line, the MAPK pathway inhibition leads to a decrease of Na,K-ATPase activity without affecting ENaC current. Therefore, the MAPK pathway can act on different targets depending on the cellular context. Thus, we decided to investigate the function of VIT32 in its physiological environment by performing a conditional knockout mouse of VIT32. The first part of this thesis consisted in generating this mouse. The second studied vasopressin induced transcript is RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, RGS2 has been shown to inhibit Gq and Gs protein-coupled receptor pathway. In our study we show that RGS2 is co-localized with V2R in the mouse nephron. In vivo, vasopressin secreted during water restriction up-regulates RGS2 expression. Moreover, vasopressin-dependant accumulation of CAMP is significantly increased in the cortical collecting duct of RGS2 knockout mice. This increase is correlated with an increase in water reabsorption. RGS2 could be involved in the negative feedback regulation of V2R signalling. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 60% d'eau répartie à l'intérieur et à l'extérieur des cellules de notre organisme. Les cellules, unités fondamentales du vivant, puisent l'oxygène et les nutriments indispensables à leur fonctionnement dans le liquide extracellulaire. La composition du milieu doit être constante, car les variations peuvent perturber considérablement et parfois fatalement la fonction des cellules. Ainsi les organismes pluricellulaires ont développé des mécanismes permettant de contrôler la constance du milieu extracellulaire afin de maintenir l'état d'équilibre nommé homéostasie. Le rein joue un rôle majeur dans cette homéostasie grâce à sa capacité de réabsorber l'eau et les solutés en fonction des besoins de l'organisme. Cette fonction du rein est régulée par différentes hormones comme la vasopressine, qui permet de contrôler la réabsorption fine de l'eau et des solutés. Dans leurs membranes, les cellules possèdent des récepteurs leur permettant de répondre aux signaux extracellulaires comme le sont entre autres les hormones. Ainsi les cellules sensibles à la vasopressine possèdent un récepteur nommé V2R qui permet d'intégrer les signaux de la vasopressine en déclenchant tout une cascade d'événements conduisant à une modification de l'expression de certaines protéines impliquées directement ou non dans la réabsorption de l'eau et des solutés. Une étude précédente élaborée au sein de notre laboratoire a permis de répertorier les protéines dont l'expression est augmentée par de la vasopressine. Deux de ces protéines ont fait l'objet des études de cette thèse. La première protéine induite par la vasopressine est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32). Cette protéine est entre autres impliquée dans la réabsorption du sodium, mais la fonction précise de VIT32 dans ce transport n'a pas pu être déterminée. Une des approches possibles pour l'étude de la fonction d'une protéine est de supprimer son expression chez la souris et d'étudier les conséquences de son absence. Ces souris sont appelées des souris knockout, puisque la protéine en question ne peut plus agir. La première partie de cette thèse a donc consisté à générer une souris dépourvue du gène de VIT32. La deuxième protéine étudiée est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). Cette protéine inhibe certaines voies de signalisation activées par différentes hormones. Dans cette partie du travail de thèse, nous avons pu mettre en évidence que RGS2 agit comme un inhibiteur de la voie de signalisation de la vasopressine. En modifiant cette signalisation, RGS2 serait donc un médiateur du contrôle de la réabsorption d'eau dans les cellules du rein sensibles à la vasopressine.

Research resource: the dynamic transcriptional profile of sertoli cells during the progression of spermatogenesis.

Sertoli cells (SCs), the only somatic cells within seminiferous tubules, associate intimately with developing germ cells. They not only provide physical and nutritional support but also secrete factors essential to the complex developmental processes of germ cell proliferation and differentiation. The SC transcriptome must therefore adapt rapidly during the different stages of spermatogenesis. We report comprehensive genome-wide expression profiles of pure populations of SCs isolated at 5 distinct stages of the first wave of mouse spermatogenesis, using RNA sequencing technology. We were able to reconstruct about 13 901 high-confidence, nonredundant coding and noncoding transcripts, characterized by complex alternative splicing patterns with more than 45% comprising novel isoforms of known genes. Interestingly, roughly one-fifth (2939) of these genes exhibited a dynamic expression profile reflecting the evolving role of SCs during the progression of spermatogenesis, with stage-specific expression of genes involved in biological processes such as cell cycle regulation, metabolism and energy production, retinoic acid synthesis, and blood-testis barrier biogenesis. Finally, regulatory network analysis identified the transcription factors endothelial PAS domain-containing protein 1 (EPAS1/Hif2α), aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (ARNT/Hif1β), and signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1) as potential master regulators driving the SC transcriptional program. Our results highlight the plastic transcriptional landscape of SCs during the progression of spermatogenesis and provide valuable resources to better understand SC function and spermatogenesis and its related disorders, such as male infertility.

Bioinformatics and HIV Latency.

Despite effective treatment, HIV is not completely eliminated from the infected organism because of the existence of viral reservoirs. A major reservoir consists of infected resting CD4+ T cells, mostly of memory type, that persist over time due to the stable proviral insertion and a long cellular lifespan. Resting cells do not produce viral particles and are protected from viral-induced cytotoxicity or immune killing. However, these latently infected cells can be reactivated by stochastic events or by external stimuli. The present review focuses on novel genome-wide technologies applied to the study of integration, transcriptome, and proteome characteristics and their recent contribution to the understanding of HIV latency.

A Potential Contributory Role for Ciliary Dysfunction in the 16p11.2 600 kb BP4-BP5 Pathology.

The 16p11.2 600 kb copy-number variants (CNVs) are associated with mirror phenotypes on BMI, head circumference, and brain volume and represent frequent genetic lesions in autism spectrum disorders (ASDs) and schizophrenia. Here we interrogated the transcriptome of individuals carrying reciprocal 16p11.2 CNVs. Transcript perturbations correlated with clinical endophenotypes and were enriched for genes associated with ASDs, abnormalities of head size, and ciliopathies. Ciliary gene expression was also perturbed in orthologous mouse models, raising the possibility that ciliary dysfunction contributes to 16p11.2 pathologies. In support of this hypothesis, we found structural ciliary defects in the CA1 hippocampal region of 16p11.2 duplication mice. Moreover, by using an established zebrafish model, we show genetic interaction between KCTD13, a key driver of the mirrored neuroanatomical phenotypes of the 16p11.2 CNV, and ciliopathy-associated genes. Overexpression of BBS7 rescues head size and neuroanatomical defects of kctd13 morphants, whereas suppression or overexpression of CEP290 rescues phenotypes induced by KCTD13 under- or overexpression, respectively. Our data suggest that dysregulation of ciliopathy genes contributes to the clinical phenotypes of these CNVs.