DNA-Repair Defects and Olaparib in Metastatic Prostate Cancer

BACKGROUND: Prostate cancer is a heterogeneous disease, but current treatments are not based on molecular stratification. We hypothesized that metastatic, castration-resistant prostate cancers with DNA-repair defects would respond to poly(adenosine diphosphate [ADP]-ribose) polymerase (PARP) inhibition with olaparib.

METHODS: We conducted a phase 2 trial in which patients with metastatic, castration-resistant prostate cancer were treated with olaparib tablets at a dose of 400 mg twice a day. The primary end point was the response rate, defined either as an objective response according to Response Evaluation Criteria in Solid Tumors, version 1.1, or as a reduction of at least 50% in the prostate-specific antigen level or a confirmed reduction in the circulating tumor-cell count from 5 or more cells per 7.5 ml of blood to less than 5 cells per 7.5 ml. Targeted next-generation sequencing, exome and transcriptome analysis, and digital polymerase-chain-reaction testing were performed on samples from mandated tumor biopsies.

RESULTS: Overall, 50 patients were enrolled; all had received prior treatment with docetaxel, 49 (98%) had received abiraterone or enzalutamide, and 29 (58%) had received cabazitaxel. Sixteen of 49 patients who could be evaluated had a response (33%; 95% confidence interval, 20 to 48), with 12 patients receiving the study treatment for more than 6 months. Next-generation sequencing identified homozygous deletions, deleterious mutations, or both in DNA-repair genes--including BRCA1/2, ATM, Fanconi's anemia genes, and CHEK2--in 16 of 49 patients who could be evaluated (33%). Of these 16 patients, 14 (88%) had a response to olaparib, including all 7 patients with BRCA2 loss (4 with biallelic somatic loss, and 3 with germline mutations) and 4 of 5 with ATM aberrations. The specificity of the biomarker suite was 94%. Anemia (in 10 of the 50 patients [20%]) and fatigue (in 6 [12%]) were the most common grade 3 or 4 adverse events, findings that are consistent with previous studies of olaparib.

CONCLUSIONS: Treatment with the PARP inhibitor olaparib in patients whose prostate cancers were no longer responding to standard treatments and who had defects in DNA-repair genes led to a high response rate. (Funded by Cancer Research UK and others; ClinicalTrials.gov number, NCT01682772; Cancer Research UK number, CRUK/11/029.).

Considerations for optimization of microRNA PCR assays for molecular diagnosis

The remarkable stability of microRNAs in biofluids underlies their potential as biomarkers, but their small size presents challenges for detection by RT-qPCR. The heterogeneity of microRNAs, with each one comprising a series of variants or 'isomiRs', adds additional complexity. Presented here are the key considerations for use of RT-qPCR to measure microRNAs and their isomiRs, with a focus on plasma. Modified nucleotides can be incorporated into primer sequences to enhance affinity and provide increased specificity and sensitivity for RT-qPCR assays. Approaches based upon polyA tailing and use of a common oligo(dT)-based reverse transcription oligonucleotide will detect most isomiRs. Conversely, stem-loop RT oligonucleotides and sequence specific probes can enable detection of specific isomiRs of interest. Next generation sequencing of all the products of a microRNA RT-PCR reaction is a promising new approach for both microRNA quantification and characterization.

Is it time for standards and a common data exchange format for digital image analysis?

Digital image analysis is at a crossroads. While the technology has made great strides over the past few decades, there is an urgent need for image analysis to inform the next wave of large scale tissue biomarker discovery studies in cancer. Drawing parallels from the growth of next generation sequencing, this presentation will consider the case for a common language or standard format for storing and communicating digital image analysis data. In this context, image analysis data comprises more than simply an image with markups and attached key-value pair metrics. The desire to objectively benchmark competing platforms or a push for data to be deposited to public repositories much like genomics data may drive the need for a standard that also encompasses granular, cell-by-cell data.

An integrated and comparative approach to genetic selection of the aquaculture species Dicentrarchus labrax

The European sea bass, Dicentrarchus labrax, is one of the most important marine species cultivated in Southern Europe and has not benefited from selective breeding. One of the major goals in the sea bass (D. labrax) aquaculture industry is to understand and control the complexity of growth associated traits. The aim of the methodology developed for the studies reported in the thesis was not only to establish genetic and genomic resources for sea bass, but to also develop a conceptual strategy to efficiently create knowledge in a research environment that can easily be transferred to the aquaculture industry. The strategy involved; i) establishing an annotated sea bass transcriptome and then using it to, ii) identify new genetic markers for target QTL regions so that, iii) new QTL analysis could be performed and marker based resolution of the DNA regions of interest increased, and then iv) to merge the linkage map and the physical map in order to map the QTL confidence intervals to the sea bass genome and identify genes underlying the targeted traits. Finally to test if genes in the QTL regions that are candidates for divergent growth phenotypes have modified patterns of transcription that reflects the modified whole organism physiology SuperSAGE-SOLiD4 gene expression was used with sea bass with high growth heterogeneity. The SuperSAGE contributed to significantly increase the transcriptome information for sea bass muscle, brain and liver and also led to the identification of putative candidate genes lying in the genomic region of growth related QTL. Lastly all differentially expressed transcripts in brain, liver and muscle of the European sea bass with divergent specific growth rates were mapped to gene pathways and networks and the regulatory pathways most affected identified and established the tissue specific changes underlying the divergent SGR. Owing to the importance of European sea bass to Mediterranean aquaculture and the developed genomics resources from the present thesis and from other studies it should be possible to implement genetic selection programs using marker assisted selection.

Analysis of RNA-seq data from the interaction of Coffea spp. - Colletotrichum kahawae

Tese de mestrado em Bioinformática e Biologia Computacional (Bioinformática), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014

Application of Machine Learning Techniques to Acute Myeloid Leukemia

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-03

Mapping Bias Overestimates Reference Allele Frequencies at the HLA Genes in the 1000 Genomes Project Phase I Data.

Next-generation sequencing (NGS) technologies have become the standard for data generation in studies of population genomics, as the 1000 Genomes Project (1000G). However, these techniques are known to be problematic when applied to highly polymorphic genomic regions, such as the human leukocyte antigen (HLA) genes. Because accurate genotype calls and allele frequency estimations are crucial to population genomics analyses, it is important to assess the reliability of NGS data. Here, we evaluate the reliability of genotype calls and allele frequency estimates of the single-nucleotide polymorphisms (SNPs) reported by 1000G (phase I) at five HLA genes (HLA-A, -B, -C, -DRB1, and -DQB1). We take advantage of the availability of HLA Sanger sequencing of 930 of the 1092 1000G samples and use this as a gold standard to benchmark the 1000G data. We document that 18.6% of SNP genotype calls in HLA genes are incorrect and that allele frequencies are estimated with an error greater than ±0.1 at approximately 25% of the SNPs in HLA genes. We found a bias toward overestimation of reference allele frequency for the 1000G data, indicating mapping bias is an important cause of error in frequency estimation in this dataset. We provide a list of sites that have poor allele frequency estimates and discuss the outcomes of including those sites in different kinds of analyses. Because the HLA region is the most polymorphic in the human genome, our results provide insights into the challenges of using of NGS data at other genomic regions of high diversity.

Targeting the undruggable: immunotherapy meets personalized oncology in the genomic era.

Owing to recent advances in genomic technologies, personalized oncology is poised to fundamentally alter cancer therapy. In this paradigm, the mutational and transcriptional profiles of tumors are assessed, and personalized treatments are designed based on the specific molecular abnormalities relevant to each patient's cancer. To date, such approaches have yielded impressive clinical responses in some patients. However, a major limitation of this strategy has also been revealed: the vast majority of tumor mutations are not targetable by current pharmacological approaches. Immunotherapy offers a promising alternative to exploit tumor mutations as targets for clinical intervention. Mutated proteins can give rise to novel antigens (called neoantigens) that are recognized with high specificity by patient T cells. Indeed, neoantigen-specific T cells have been shown to underlie clinical responses to many standard treatments and immunotherapeutic interventions. Moreover, studies in mouse models targeting neoantigens, and early results from clinical trials, have established proof of concept for personalized immunotherapies targeting next-generation sequencing identified neoantigens. Here, we review basic immunological principles related to T-cell recognition of neoantigens, and we examine recent studies that use genomic data to design personalized immunotherapies. We discuss the opportunities and challenges that lie ahead on the road to improving patient outcomes by incorporating immunotherapy into the paradigm of personalized oncology.

New Contig Creation Algorithm for the de novo DNA Assembly Problem

DNA assembly is among the most fundamental and difficult problems in bioinformatics. Near optimal assembly solutions are available for bacterial and small genomes, however assembling large and complex genomes especially the human genome using Next-Generation-Sequencing (NGS) technologies is shown to be very difficult because of the highly repetitive and complex nature of the human genome, short read lengths, uneven data coverage and tools that are not specifically built for human genomes. Moreover, many algorithms are not even scalable to human genome datasets containing hundreds of millions of short reads. The DNA assembly problem is usually divided into several subproblems including DNA data error detection and correction, contig creation, scaffolding and contigs orientation; each can be seen as a distinct research area. This thesis specifically focuses on creating contigs from the short reads and combining them with outputs from other tools in order to obtain better results. Three different assemblers including SOAPdenovo [Li09], Velvet [ZB08] and Meraculous [CHS+11] are selected for comparative purposes in this thesis. Obtained results show that this thesis’ work produces comparable results to other assemblers and combining our contigs to outputs from other tools, produces the best results outperforming all other investigated assemblers.

The Development, Validation and Implementation of a Broad-Based ADME Genotyping Assay into Research and Clinical Trials

Afin d’adresser la variabilité interindividuelle observée dans la réponse pharmacocinétique à de nombreux médicaments, nous avons créé un panel de génotypage personnalisée en utilisant des méthodes de conception et d’élaboration d’essais uniques. Celles-ci ont pour but premier de capturer les variations génétiques présentent dans les gènes clés impliqués dans les processus d'absorption, de distribution, de métabolisme et d’excrétion (ADME) de nombreux agents thérapeutiques. Bien que ces gènes et voies de signalement sont impliqués dans plusieurs mécanismes pharmacocinétiques qui sont bien connues, il y a eu jusqu’à présent peu d'efforts envers l’évaluation simultanée d’un grand nombre de ces gènes moyennant un seul outil expérimental. La recherche pharmacogénomique peut être réalisée en utilisant deux approches: 1) les marqueurs fonctionnels peuvent être utilisés pour présélectionner ou stratifier les populations de patients en se basant sur des états métaboliques connus; 2) les marqueurs Tag peuvent être utilisés pour découvrir de nouvelles corrélations génotype-phénotype. Présentement, il existe un besoin pour un outil de recherche qui englobe un grand nombre de gènes ADME et variantes et dont le contenu est applicable à ces deux modèles d'étude. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un panel d’essais de génotypage de 3,000 marqueurs génétiques ADME qui peuvent satisfaire ce besoin. Dans le cadre de ce projet, les gènes et marqueurs associés avec la famille ADME ont été sélectionnés en collaboration avec plusieurs groupes du milieu universitaire et de l'industrie pharmaceutique. Pendant trois phases de développement de cet essai de génotypage, le taux de conversion pour 3,000 marqueurs a été amélioré de 83% à 97,4% grâce à l'incorporation de nouvelles stratégies ayant pour but de surmonter les zones d'interférence génomiques comprenant entre autres les régions homologues et les polymorphismes sous-jacent les régions d’intérêt. La précision du panel de génotypage a été validée par l’évaluation de plus de 200 échantillons pour lesquelles les génotypes sont connus pour lesquels nous avons obtenu une concordance > 98%. De plus, une comparaison croisée entre nos données provenant de cet essai et des données obtenues par différentes plateformes technologiques déjà disponibles sur le marché a révélé une concordance globale de > 99,5%. L'efficacité de notre stratégie de conception ont été démontrées par l'utilisation réussie de cet essai dans le cadre de plusieurs projets de recherche où plus de 1,000 échantillons ont été testés. Nous avons entre autre évalué avec succès 150 échantillons hépatiques qui ont été largement caractérisés pour plusieurs phénotypes. Dans ces échantillons, nous avons pu valider 13 gènes ADME avec cis-eQTL précédemment rapportés et de découvrir et de 13 autres gènes ADME avec cis eQTLs qui n'avaient pas été observés en utilisant des méthodes standard. Enfin, à l'appui de ce travail, un outil logiciel a été développé, Opitimus Primer, pour aider pour aider au développement du test. Le logiciel a également été utilisé pour aider à l'enrichissement de cibles génomiques pour d'expériences séquençage. Le contenu ainsi que la conception, l’optimisation et la validation de notre panel le distingue largement de l’ensemble des essais commerciaux couramment disponibles sur le marché qui comprennent soit des marqueurs fonctionnels pour seulement un petit nombre de gènes, ou alors n’offre pas une couverture adéquate pour les gènes connus d’ADME. Nous pouvons ainsi conclure que l’essai que nous avons développé est et continuera certainement d’être un outil d’une grande utilité pour les futures études et essais cliniques dans le domaine de la pharmacocinétique, qui bénéficieraient de l'évaluation d'une longue liste complète de gènes d’ADME.

La dynamique chromatinienne induite par le pic de LH dans les cellules de granulosa chez la souris

La régulation transcriptionnelle des gènes est un processus indispensable sans lequel la diversité phénotypique des cellules ainsi que l’adaptation à leur environnement serait inexistant. L’identification des éléments de régulation dans le génome est d’une importance capitale afin de comprendre les mécanismes gouvernant l’expression des gènes spécifiques à un type cellulaire donné. Ainsi, suite au pic de LH, le follicule ovarien entre dans un programme intensif de différentiation cellulaire, orchestré par des modifications majeures du profile transcriptionnel des cellules de granulosa, déclenchant ultimement l’ovulation et la lutéinisation, processus indispensables à la fertilité femelle. L’hypothèse supportée par cette étude stipule qu’une réorganisation de la structure chromatinienne survient aux régions régulatrices d’une panoplie de gènes dans les heures suivant le pic de LH et qu’en isolant et identifiant ces régions, il serait possible de retrouver des éléments essentiels aux processus d’ovulation et de lutéinisation. Ainsi, en utilisant un protocole standard de superovulation chez la souris, les éléments de régulation se modifiant 4h suivant l’administration de hCG ont été isolés et identifiés dans les cellules de granulosa en utilisant la méthode FAIRE (Formaldehyde-Assisted Isolation of Regulatory Elements) combinée à un séquençage haut débit. Cette étude a démontré que suite au stimulus ovulatoire, les cellules de granulosa subissent une reprogrammation majeure des éléments de régulation, qui est corrélée avec une modification drastique de leurs fonctions biologiques. De plus, cette étude a mis en évidence une association majoritaire des éléments de régulation à des régions intergéniques distales et à des introns, indiquant que ces régions ont une importance capitale dans la régulation transcriptionnelle dans les cellules de granulosa. Cette étude a également permis d’identifier une panoplie de régulateurs transcriptionnels reconnus pour être essentiels à la fonction ovarienne, ainsi que leur sites de liaison dans le génome, démontrant que la méthode FAIRE est une méthode assez puissante pour permettre la prédiction d’événements moléculaires précis ayant un sens physiologique réel.

Identification des bases génétiques des myopathies à multi-minicores avec ou sans cardiomyopathie

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Pierre et Marie Curie, Paris 6(UPMC, Paris, France).

Mutations impliquées dans la progression du cancer épithélial de l'ovaire

Le cancer épithélial de l’ovaire (CEO) est le cancer gynécologique le plus létal. Plus de 70% des patientes diagnostiquées avec une tumeur de stade avancé rechutent suite aux traitements chimiothérapeutiques de première ligne, la survie à cinq ans étant ainsi très faible. Afin de mieux comprendre l’évolution de la maladie, nous avons recherché de nouveaux gènes, responsables de l’initiation et de la progression du CEO. Précédemment, des lignées cellulaires ont été dérivées à partir de la tumeur primaire et récurrente et/ou d’ascites de trois patientes. Le séquençage de l’ARN de ces lignées par la technologie de séquençage de nouvelle génération (TSNG) nous a permis d’identifier des mutations ponctuelles qui pourraient nous indiquer des gènes dérégulés dans le CEO. La TSNG est un bon outil qui permet d’identifier et de cribler à grande échelle des mutations. Nous avons sélectionné PLEC1, SCRIB, NCOR2, SEMA6C, IKBKB, GLCE et ITGAE comme gènes candidats présentant des mutations dans nos lignées et ayant une relation fonctionnelle avérée avec le cancer. Étant donné que la TSNG est une technique à taux de fiabilité limité, nous avons validé ces mutations par séquençage Sanger. Ensuite, nous avons étudié l’effet de ces mutations sur la structure protéique et l’expression de PLEC1, de SCRIB et de SEMA6C. Seules certaines mutations dans les gènes PLEC1, SCRIB et SEMA6C ont pu être confirmées. PLEC1 et SCRIB sont deux protéines d’échafaudage dont la mutation, rapportée dans plusieurs cancers, pourrait induire des changements de leurs conformations et affecter leurs interactions et leurs fonctions. Les conséquences de ces mutations sur la tumorigenèse de l’ovaire devront être étudiées.

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.

Caractérisation moléculaire d’un récent modèle d’étude de la leucémie myéloïde aigüe à caryotype normal :la lignée cellulaire CG-SH

La leucémie myéloïde aigüe (LMA) est la forme de leucémie la plus fréquente chez l’adulte au Canada. Bien que de nombreux réarrangements chromosomiques récurrents aient été identifiés chez les patients LMA, près de la moitié des cas présentent un caryotype normal (LMA-CN). L’étude de la LMA-CN in vitro est rendue difficile par le fait que la survie des cellules primaires de patients est défectueuse sur le long terme et que les lignées cellulaires leucémiques ont un caryotype hautement anormal. En 2009, Munker et son équipe ont établi une nouvelle lignée cellulaire, CG-SH, ayant la particularité d’avoir un caryotype normal. L’objectif principal de ce projet d’étude est de caractériser plus en détail ce nouveau modèle d’étude. Nous avons identifié l’ensemble des variants génétiques présents dans CG-SH grâce au séquençage du génome entier. Les variants susceptibles de participer à la leucémogénèse ont été isolés, tels que des insertions détectées dans EZH2 et GATA2, et de nombreux variants faux-sens détectés dans des gènes pertinents pour la LMA. Nous avons montré que les cellules CG-SH sont sensibles à l’effet prolifératif d’une combinaison de cytokines, qui agissent sur le comportement des cellules en modifiant l’expression des gènes associés à la régulation de la prolifération, de l’apoptose et de la différentiation. De plus, les cytokines diminuent le taux de nécrose des cellules en culture sur le court terme. La présente étude a permis d’approfondir notre connaissance sur les caractéristiques moléculaires de la lignée cellulaire CG-SH, un nouveau modèle d’étude in vitro de la LMA-CN.