Cloning of actin genes from a genomic library of the newt, Notophthalmus viridescens

The regenerating urodele limb is a useful model system in which to study, in vivo, the controls of cell proliferation and differentiation. Techniques are available which enable one to experimentally manipulate mitogenic influences upon the blastema, as well the morphogenesis of the regenerating 11mb. Although classical regeneration studies have generated a wealth of knowledge concerning tissue interactions, little 1s known about the process at the level of gene expression. The aim of this project was to clone potentially developmentally regulated genes from a newt genomic library for use in future studies of gene expression during limb regeneration. We decided to clone the cytoskeletal actin gene for the following reasons: 1. its expression reflects the proliferative and differentiatlve states of cells in other systems 2. the high copy number of cytoplasmic actin pseudogenes in other vertebrates and the high degree of evolutionary sequence conservation among actin genes increased the chance of cloning one of the newt cytoplasmic actin genes. 3. Preliminary experiments indicated that a newt actin could probably be identified using an available chick ~-actln gene for a molecular probe. Two independent recombinant phage clones, containing actin homologous inserts, were isolated from a newt genomic library by hybridization with the chick actin probe. Restriction mapping identified actin homologous sequences within the newt DNA inserts which were subcloned into the plasmid pTZ19R. The recombinant plasmids were transformed into the Escherichia coli strain, DHsa. Detailed restriction maps were produced of the 5.7Kb and 3.1Kb newt DNA inserts in the plasmids, designated pTNAl and pTNA2. The short «1.3 Kb) length of the actin homologous sequence in pTNA2 indicated that it was possibly a reverse transcript pseudogene. Problems associated with molecular cloning of DNA sequences from N. viridescens are discussed with respect to the large genome size and abundant highly repetitive DNA sequences.

Isolation and characterization of genomic DNA sequences that enhance the stability of plasmid DNA in mammalian cells /

The ease of production and manipulation has made plasmid DNA a prime target for its use in gene transfer technologies such as gene therapy and DNA vaccines. The major drawback of plasmid however is its stability within mammalian cells. Plasmid DNA is usually lost by cellular mechanisms or as a result of mitosis by simple dilution. This study set out to search for mammalian genomic DNA sequences that would enhance the stability of plasmid DNA in mammalian cells.Creating a plasmid based genomic DNA library, we were able to screen the human genome by transfecting the library into Human Embryonic Kidney (HEK 293) Cells. Cells that contained plasmid DNA were selected, using G418 for 14 days. The resulting population was then screened for the presence of biologically active plasmid DNA using the process of transformation as a detector.A commercially available plasmid DNA isolation kit was modified to extract plasmid DNA from mammalian cells. The standardized protocol had a detection limit of -0.6 plasmids per cell in one million cells. This allowed for the detection of 45 plasmids that were maintained for 32 days in the HEK 293 cells. Sequencing of selected inserts revealed a significantly higher thymine content in comparison to the human genome. Sequences with high A/T content have been associated with Scaffold/Matrix Attachment Region (S/MAR) sequences in mammalian cells. Therefore, association with the nuclear matrix might be required for the stability of plasmids in mammalian cells.

The evolution of inter-genomic variation in arbuscular mycorrhizal fungi

Contexte: Les champignons mycorhiziens à arbuscules (AMF) établissent des relations symbiotiques avec la plupart des plantes grâce à leurs réseaux d’hyphes qui s’associent avec les racines de leurs hôtes. De précédentes études ont révélé des niveaux de variation génétique extrêmes pour des loci spécifiques permettant de supposer que les AMF peuvent contenir des milliers de noyaux génétiquement divergents dans un même cytoplasme. Si aucun processus de reproduction sexuée n’a jusqu’ici été observé chez ces mycorhizes, on constate cependant que des niveaux élevés de variation génétique peuvent être maintenus à la fois par l’échange de noyaux entre hyphes et par des processus fréquents de recombinaison entre noyaux. Les AMF se propagent par l’intermédiaire de spores qui contiennent chacune un échantillon d’une population initiale de noyaux hétérogènes, directement hérités du mycélium parent. À notre connaissance les AMF sont les seuls organismes qui ne passent jamais par un stade mononucléaire, ce qui permet aux noyaux de diverger génétiquement dans un même cytoplasme. Ces aspects singuliers de la biologie des AMF rendent l’estimation de leur diversité génétique problématique. Ceci constitue un défi majeur pour les écologistes sur le terrain mais également pour les biologistes moléculaires dans leur laboratoire. Au-delà même des problématiques de diversité spécifique, l’amplitude du polymorphisme entre noyaux mycorhiziens est mal connue. Le travail proposé dans ce manuscrit de thèse explore donc les différents aspects de l’architecture génomique singulière des AMF. Résultats L’ampleur du polymorphisme intra-isolat a été déjà observée pour la grande sous-unité d’ARN ribosomal de l’isolat Glomus irregulare DAOM-197198 (précédemment identifié comme G. intraradices) et pour le gène de la polymerase1-like (PLS) de Glomus etunicatum isolat NPI. Dans un premier temps, nous avons pu confirmer ces résultats et nous avons également pu constater que ces variations étaient transcrites. Nous avons ensuite pu mettre en évidence la présence d’un goulot d’étranglement génétique au moment de la sporulation pour le locus PLS chez l’espèce G. etunicatum illustrant les importants effets d’échantillonnage qui se produisaient entre chaque génération de spore. Enfin, nous avons estimé la différentiation génétique des AMF en utilisant à la fois les réseaux de gènes appliqués aux données de séquençage haut-débit ainsi que cinq nouveaux marqueurs génomiques en copie unique. Ces analyses révèlent que la différenciation génomique est présente de manière systématique dans deux espèces (G. irregulare et G. diaphanum). Conclusions Les résultats de cette thèse fournissent des preuves supplémentaires en faveur du scénario d’une différenciation génomique entre noyaux au sein du même isolat mycorhizien. Ainsi, au moins trois membres du genre Glomus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum, apparaissent comme des organismes dont l’organisation des génomes ne peut pas être décrit d’après un modèle Mendélien strict, ce qui corrobore l’hypothèse que les noyaux mycorhiziens génétiquement différenciés forment un pangenome.

Genomic variation in recombination patterns : implications for disease and cancer

Durant la méiose, il se produit des échanges réciproques entre fragments de chromosomes homologues par recombinaison génétique. Les chromosomes parentaux ainsi modifiés donnent naissance à des gamètes uniques. En redistribuant les mutations génétiques pour générer de nouvelles combinaisons, ce processus est à l’origine de la diversité haplotypique dans la population. Dans cette thèse, je présente des résultats décrivant l’implication de la recombinaison méiotique dans les maladies chez l’humain. Premièrement, l'analyse statistique de données de génotypage de familles québécoises démontre une importante hétérogénéité individuelle et sexe-spécifique des taux de recombinaisons. Pour la première fois chez l’humain, nous avons observé que le taux de recombinaison maternel diminue avec l'âge de la mère, un phénomène potentiellement impliqué dans la régulation du taux d’aneuploïdie associé à l’âge maternel. Ensuite, grâce à l’analyse de données de séquençage d’exomes de patients atteints de leucémie et de ceux de leurs parents, nous avons découvert une localisation anormale des évènements de recombinaison chez les enfants leucémiques. Le gène PRDM9, principal déterminant de la localisation des recombinaisons chez l’humain, présente des formes alléliques rares dans ces familles. Finalement, en utilisant un large spectre de variants génétiques identifiés dans les transcriptomes d’individus Canadiens Français, nous avons étudié et comparé le fardeau génétique présent dans les régions génomiques à haut et à faible taux de recombinaison. Le fardeau génétique est substantiellement plus élevé dans les régions à faible taux de recombinaison et nous démontrons qu’au niveau individuel, ce fardeau varie selon la population humaine. Grâce à l’utilisation de données génomiques de pointe pour étudier la recombinaison dans des cohortes populationnelles et médicales, ce travail démontre de quelle façon la recombinaison peut affecter la santé des individus.

Genomic architecture of sickle cell disease clinical variation in children from West Africa : a case-control study design

Contexte : L’anémie falciforme ou drépanocytose est un problème de santé important, particulièrement pour les patients d’origine africaine. La variation phénotypique de l’anémie falciforme est problématique pour le suivi et le traitement des patients. L’architecture génomique responsable de cette variabilité est peu connue. Principe : Mieux saisir la contribution génétique de la variation clinique de cette maladie facilitera l’identification des patients à risque de développer des phénotypes sévères, ainsi que l’adaptation des soins. Objectifs : L’objectif général de cette thèse est de combler les lacunes relatives aux connaissances sur l’épidémiologie génomique de l’anémie falciforme à l’aide d’une cohorte issue au Bénin. Les objectifs spécifiques sont les suivants : 1) caractériser les profils d’expressions génomiques associés à la sévérité de l’anémie falciforme ; 2) identifier des biomarqueurs de la sévérité de l’anémie falciforme ; 3) identifier la régulation génétique des variations transcriptionelles ; 4) identifier des interactions statistiques entre le génotype et le niveau de sévérité associé à l’expression ; 5) identifier des cibles de médicaments pour améliorer l’état des patients atteints d’anémie falciforme. Méthode : Une étude cas-témoins de 250 patients et 61 frères et soeurs non-atteints a été menée au Centre de Prise en charge Médical Intégré du Nourrisson et de la Femme Enceinte atteints de Drépanocytose, au Bénin entre février et décembre 2010. Résultats : Notre analyse a montré que des profils d’expressions sont associés avec la sévérité de l’anémie falciforme. Ces profils sont enrichis de génes des voies biologiques qui contribuent à la progression de la maladie : l’activation plaquettaire, les lymphocytes B, le stress, l’inflammation et la prolifération cellulaire. Des biomarqueurs transcriptionnels ont permis de distinguer les patients ayant des niveaux de sévérité clinique différents. La régulation génétique de la variation de l’expression des gènes a été démontrée et des interactions ont été identifiées. Sur la base de ces résultats génétiques, des cibles de médicaments sont proposées. Conclusion: Ce travail de thèse permet de mieux comprendre l’impact de la génomique sur la sévérité de l’anémie falciforme et ouvre des perspectives de développement de traitements ciblés pour améliorer les soins offerts aux patients.

Identification of Genomic Variants Associated with Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) in French-Canadian Population

La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale dont la pathogenèse reste obscure. Cette maladie affecte 2-4% des adolescents de 10-18 ans parmi les garçons et les filles. Il est à noter que les filles sont plus sévèrement affectées et ce en plus grand nombre que les garçons. Les études de jumeaux ont montré que les facteurs génétiques jouent un rôle important dans la scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA). Depuis 2010, les études d'association pan génomiques ont été multipliées dans les recherches, visant à trouver des gènes candidats impliqués dans la SIA à travers des examens des polymorphismes nucléotidiques (SNPs). Un test génétique nommé "ScoliScore" a été publié pour essayer de prédire la progression de courbure dans la population caucasienne. Cependant, l'association n'a pas été reproduite dans une grande étude japonaise, soulignant l'importance d'une étude de réplication dans une population caucasienne indépendante. Dans ce contexte, mon projet de maîtrise a permis de génotyper plus de 1,4 millions de SNPs dans une cohorte canadienne-française dans le but: 1) de valider l'association de ScoliScoreTM; et 2) d’identifier les variants génomiques associées à la SIA dans la population québécoise. Notre étude a montré qu’aucun des variants constituant le test ScoliScoreTM n’était associé à la SIA. Ceci suggère que l'absence d'association dans une cohorte japonaise n'est pas due à l'appartenance ethnique. Aussi, nous avons identifié des variants génomiques associés significativement à l’initiation et/ou la progression de SIA dans la population québécoise, suggérant des gènes candidats impliqués dans la pathogenèse de SIA.

Development of a Fully Automated Image Analysis Method for High Density cDNA and array CGH Microarray Based Genomic Studies

In this thesis, different techniques for image analysis of high density microarrays have been investigated. Most of the existing image analysis techniques require prior knowledge of image specific parameters and direct user intervention for microarray image quantification. The objective of this research work was to develop of a fully automated image analysis method capable of accurately quantifying the intensity information from high density microarrays images. The method should be robust against noise and contaminations that commonly occur in different stages of microarray development.

Enlarging a training set for genomic selction by imputation of un-genotyped animals in populations of varying genetic architecture

Background: The most common application of imputation is to infer genotypes of a high-density panel of markers on animals that are genotyped for a low-density panel. However, the increase in accuracy of genomic predictions resulting from an increase in the number of markers tends to reach a plateau beyond a certain density. Another application of imputation is to increase the size of the training set with un-genotyped animals. This strategy can be particularly successful when a set of closely related individuals are genotyped. ----- Methods: Imputation on completely un-genotyped dams was performed using known genotypes from the sire of each dam, one offspring and the offspring’s sire. Two methods were applied based on either allele or haplotype frequencies to infer genotypes at ambiguous loci. Results of these methods and of two available software packages were compared. Quality of imputation under different population structures was assessed. The impact of using imputed dams to enlarge training sets on the accuracy of genomic predictions was evaluated for different populations, heritabilities and sizes of training sets. ----- Results: Imputation accuracy ranged from 0.52 to 0.93 depending on the population structure and the method used. The method that used allele frequencies performed better than the method based on haplotype frequencies. Accuracy of imputation was higher for populations with higher levels of linkage disequilibrium and with larger proportions of markers with more extreme allele frequencies. Inclusion of imputed dams in the training set increased the accuracy of genomic predictions. Gains in accuracy ranged from close to zero to 37.14%, depending on the simulated scenario. Generally, the larger the accuracy already obtained with the genotyped training set, the lower the increase in accuracy achieved by adding imputed dams. ----- Conclusions: Whenever a reference population resembling the family configuration considered here is available, imputation can be used to achieve an extra increase in accuracy of genomic predictions by enlarging the training set with completely un-genotyped dams. This strategy was shown to be particularly useful for populations with lower levels of linkage disequilibrium, for genomic selection on traits with low heritability, and for species or breeds for which the size of the reference population is limited.

Genomic architecture of adaptive color pattern divergence and convergence in Heliconius butterflies

Identifying the genetic changes driving adaptive variation in natural populations is key to understanding the origins of biodiversity. The mosaic of mimetic wing patterns in Heliconius butterflies makes an excellent system for exploring adaptive variation using next-generation sequencing. In this study, we use a combination of techniques to annotate the genomic interval modulating red color pattern variation, identify a narrow region responsible for adaptive divergence and convergence in Heliconius wing color patterns, and explore the evolutionary history of these adaptive alleles. We use whole genome resequencing from four hybrid zones between divergent color pattern races of Heliconius erato and two hybrid zones of the co-mimic Heliconius melpomene to examine genetic variation across 2.2 Mb of a partial reference sequence. In the intergenic region near optix, the gene previously shown to be responsible for the complex red pattern variation in Heliconius, population genetic analyses identify a shared 65-kb region of divergence that includes several sites perfectly associated with phenotype within each species. This region likely contains multiple cis-regulatory elements that control discrete expression domains of optix. The parallel signatures of genetic differentiation in H. erato and H. melpomene support a shared genetic architecture between the two distantly related co-mimics; however, phylogenetic analysis suggests mimetic patterns in each species evolved independently. Using a combination of next-generation sequencing analyses, we have refined our understanding of the genetic architecture of wing pattern variation in Heliconius and gained important insights into the evolution of novel adaptive phenotypes in natural populations.

Bacterial evolution by genomic island transfer occurs via DNA transformation in planta

Our understanding of the evolution of microbial pathogens has been advanced by the discovery of "islands" of DNA that differ from core genomes and contain determinants of virulence [1, 2]. The acquisition of genomic islands (GIs) by horizontal gene transfer (HGT) is thought to have played a major role in microbial evolution. There are, however, few practical demonstrations of the acquisition of genes that control virulence, and, significantly, all have been achieved outside the animal or plant host. Loss of a GI from the bean pathogen Pseudomonas syringae pv. phaseolicola (Pph) is driven by exposure to the stress imposed by the plant's resistance response [3]. Here, we show that the complete episomal island, which carries pathogenicity genes including the effector avrPphB, transfers between strains of Pph by transformation in planta and inserts at a specific att site in the genome of the recipient. Our results show that the evolution of bacterial pathogens by HGT may be achieved via transformation, the simplest mechanism of DNA exchange. This process is activated by exposure to plant defenses, when the pathogen is in greatest need of acquiring new genetic traits to alleviate the antimicrobial stress imposed by plant innate immunity [4].

Genomic and genetic analyses of diversity and plant interactions of Pseudomonas fluorescens

Background: Pseudomonas fluorescens are common soil bacteria that can improve plant health through nutrient cycling, pathogen antagonism and induction of plant defenses. The genome sequences of strains SBW25 and Pf0-1 were determined and compared to each other and with P. fluorescens Pf-5. A functional genomic in vivo expression technology (IVET) screen provided insight into genes used by P. fluorescens in its natural environment and an improved understanding of the ecological significance of diversity within this species. Results: Comparisons of three P. fluorescens genomes (SBW25, Pf0-1, Pf-5) revealed considerable divergence: 61% of genes are shared, the majority located near the replication origin. Phylogenetic and average amino acid identity analyses showed a low overall relationship. A functional screen of SBW25 defined 125 plant-induced genes including a range of functions specific to the plant environment. Orthologues of 83 of these exist in Pf0-1 and Pf-5, with 73 shared by both strains. The P. fluorescens genomes carry numerous complex repetitive DNA sequences, some resembling Miniature Inverted-repeat Transposable Elements (MITEs). In SBW25, repeat density and distribution revealed 'repeat deserts' lacking repeats, covering approximately 40% of the genome. Conclusions: P. fluorescens genomes are highly diverse. Strain-specific regions around the replication terminus suggest genome compartmentalization. The genomic heterogeneity among the three strains is reminiscent of a species complex rather than a single species. That 42% of plant-inducible genes were not shared by all strains reinforces this conclusion and shows that ecological success requires specialized and core functions. The diversity also indicates the significant size of genetic information within the Pseudomonas pan genome.

Plant chemistry and aphid parasitoids (Hymenoptera : Braconidae): Imprinting and memory

Emerging parasitoids of aphids encounter secondary plant chemistry from cues left by the mother parasitoid at oviposition and from the plant-feeding of the host aphid. In practice, however, it is secondary plant cheinistry oil the Surface of the aphid mummy which influences parasitoid olfactory behaviour. Offspring of Aphidius colemani reared oil Myzus persicae on artificial diet did no distinguish between the odours of bean and cabbage, but showed a clear preference for cabbage odour if sinigrin had been painted oil the back of the mummy. Similarly Aphidius rhopalosiphi reared on Metopolophium dirhodum on wheat preferred the odour of wheat plants grown near tomato plants to odour of wheat alone if the wheat plants oil which they had been reared had been exposed to the volatiles of nearby tomato plants. Aphidius rhopalosiphi reared on M dirhodum, and removed from the mummy before emergence, showed a preference for the odour of a different wheat cultivar if they had contacted a mummy from that cultivar, and similar results were obtained with A. colemani naturally emerged from M. persicae mummies. Aphidius colemani emerged from mummies oil one crucifer were allowed to contact in sequence (for 45 min each) mummies from two different crucifers. The mumber of attacks made in 10 min oil M. persicae was always significantly higher when aphids were feeding oil the same plant as the origin of the last MUMMY offered, or oil the second plant if aphids feeding on the third plant were not included. Chilling emerged A. colemani for 24 h at 5 degrees C appeared to erase the imprint of secondary plant chemistry, and they no longer showed host plant odour preferences in the olfactometer. When the parasitoids were chilled after three Successive mummy experiences, memory of the last experience appeared at least temporarily erased and preference was then shown for the chemistry of the second experience.