La felicitat es troba en les coses petites

Fruir dels petits detalls ajuda a ser feliç. En el nostre ADN hi ha unes minúscules peces, els microARN, que amb l'estrès s'alteren i ens condueixen a una infelicitat quotidiana crònica

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

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

Schizophrénie Étude de corrélation entre des paramètres psychopathologiques et des données génétiques

La schizophrénie est une maladie chronique qui touche 1% de la population mondiale. Elle¦comporte des facteurs de risque génétiques et environnementaux. Leur interaction pendant le¦développement du cerveau mène aux déficits de la synchronisation neuronale et aux¦dommages cellulaires qui prédisposent l'individu à développer, à l'âge adulte, la¦schizophrénie (Kim Do et al.). Kim Do et al (2009) ont découvert qu'une anomalie génétique¦de la synthèse du glutathion (GSH) est responsable de la dérégulation redox qui mène au¦stress oxydatif qui, à son tour, est impliqué dans la pathogénèse de la schizophrénie pendant le¦développement du cerveau. Le GSH protège les cellules contre les radicaux libres produits par¦le stress oxydatif. En effet, les radicaux libres provoquent la peroxydation des lipides,¦l'oxydation des protéines et des lésions au niveau de l'ADN, et par conséquent, des¦dommages cellulaires.¦Le GSH est produit par l'enzyme clé GCL (glutamate-cystéine ligase). Le GCL est composé¦de deux sous-unités: GCL-M (sous-unité modulatrice) et GCL-C (sous-unité catalytique). Des¦polymorphismes des gènes de GCL-M et GCL-C ont été trouvé associés avec la¦maladie (Tosic et al., 2006 ; Gysin et al., 2007). Dans cette étude, on se focalisera sur le TNR¦GAG (répétitions de tri-nucléotides) du GCL-C. En effet, GCL-C possède sur son codon¦START des variances avec 7, 8 ou 9 répétitions GAG générant ainsi six génotypes différents:¦7/7, 7/8, 7/9, 8/8, 8/9 et 9/9. Dans deux cohortes, les génotypes 8/7, 8/8, 8/9 et 9/9, appelés¦génotype à haute risque (HR), se trouvent en plus grand nombre chez les patients tandis que¦les génotypes 7/7 et 7/9 (génotypes à bas risque (BR)) sont plus nombreux chez les sujets¦témoins (Gysin et al., 2007). En plus, les analyses des cultures de fibroblastes montrent que¦chez les génotypes HR, en comparaison avec ceux à BR, l'expression de protéine de GCL-C,¦l'activité enzymatique de GCL et le taux de GSH sont nettement plus bas.¦Cette étude se base sur le DIGS (diagnostic interview for genetic studies), un entretien semistructuré¦qui récolte des données psychopathologiques. Grâce à cet outil, nous pouvons¦comparer les données des sujets avec les génotypes HR versus BR. Plus précisément, on va se¦focaliser sur le chapitre des psychoses du DIGS chez les schizophrènes, en se posant la¦question suivante: « Est-ce qu'il y a une différence des phénotypes entre BR et HR ? » .¦La méthode de travail va se focaliser sur : (a) revue de la littérature, (b) l'analyse et la¦compréhension du DIGS et (c) l'analyse, l'interprétation et la synthèse des résultats¦statistiques du chapitre « psychose » du DIGS.¦Les résultats nous indiquent une différence significative entre les deux groupes pour les¦symptômes suivants : (a) les idées délirantes de persécution, (b) la durée de l'émoussement¦affectif et des affects inappropriés et (c) les croyances inhabituelles ou pensées magiques¦pendant la phase prodromique.¦Étant donné que cette étude se base sur un échantillon assez restreint, il faudrait la consolider¦avec un plus grands nombre de cas et il serait intéressant de le reproduire dans une autre¦cohorte. En conclusion, le travail peut ouvrir de nouvelles perspectives, surtout pour les¦symptômes mal traités ou pas traités par les traitements actuels.

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.

A minimal i-motif stabilized by minor groove G:T:G:T tetrads

The repetitive DNA sequences found at telomeres and centromeres play a crucial role in the structure and function of eukaryotic chromosomes. This role may be related to the tendency observed in many repetitive DNAs to adopt non-canonical structures. Although there is an increasing recognition of the importance of DNA quadruplexes in chromosome biology, the co-existence of different quadruplex-forming elements in the same DNA structure is still a matter of debate. Here we report the structural study of the oligonucleotide d(TCGTTTCGT) and its cyclic analog d. Both sequences form dimeric quadruplex structures consisting of a minimal i-motif capped, at both ends, by a slipped minor groove-aligned G:T:G:T tetrad. These mini i-motifs, which do not exhibit the characteristic CD spectra of other i-motif structures, can be observed at neutral pH, although they are more stable under acidic conditions. This finding is particularly relevant since these oligonucleotide sequences do not contain contiguous cytosines. Importantly, these structures resemble the loop moiety adopted by an 11-nucleotide fragment of the conserved centromeric protein B (CENP-B) box motif, which is the binding site for the CENP-B.

Asymmetric stochastic switching driven by intrinsic molecular noise

Low-copy-number molecules are involved in many functions in cells. The intrinsic fluctuations of these numbers can enable stochastic switching between multiple steady states, inducing phenotypic variability. Herein we present a theoretical and computational study based on Master Equations and Fokker-Planck and Langevin descriptions of stochastic switching for a genetic circuit of autoactivation. We show that in this circuit the intrinsic fluctuations arising from low-copy numbers, which are inherently state-dependent, drive asymmetric switching. These theoretical results are consistent with experimental data that have been reported for the bistable system of the gallactose signaling network in yeast. Our study unravels that intrinsic fluctuations, while not required to describe bistability, are fundamental to understand stochastic switching and the dynamical relative stability of multiple states.

A minimal i-motif stabilized by minor groove G:T:G:T tetrads

The repetitive DNA sequences found at telomeres and centromeres play a crucial role in the structure and function of eukaryotic chromosomes. This role may be related to the tendency observed in many repetitive DNAs to adopt non-canonical structures. Although there is an increasing recognition of the importance of DNA quadruplexes in chromosome biology, the co-existence of different quadruplex-forming elements in the same DNA structure is still a matter of debate. Here we report the structural study of the oligonucleotide d(TCGTTTCGT) and its cyclic analog d. Both sequences form dimeric quadruplex structures consisting of a minimal i-motif capped, at both ends, by a slipped minor groove-aligned G:T:G:T tetrad. These mini i-motifs, which do not exhibit the characteristic CD spectra of other i-motif structures, can be observed at neutral pH, although they are more stable under acidic conditions. This finding is particularly relevant since these oligonucleotide sequences do not contain contiguous cytosines. Importantly, these structures resemble the loop moiety adopted by an 11-nucleotide fragment of the conserved centromeric protein B (CENP-B) box motif, which is the binding site for the CENP-B.

Biochemical characterization of FANCD2 and FANCM in the Fanconi Anaemia pathway

Abstract : The maintenance of genome stability is a challenge for all living organisms. DNA is regularly subjected to chemical alterations by both endogenous and exogenous DNA damaging agents. If left unrepaired, these lesions will create mutations or lead to chromosomal instability. DNA crosslinking agents probably bring about the most toxic lesions. By linking covalently the two strands of DNA, crosslinking agents will impede essential cellular processes such as replication and transcription. Cells from Fanconi anaemia patients are extremely sensitive to these agents. Fanconi anaemia (FA) is a rare chromosomal instability disorder that leads to developmental defects, pancytopenia and cancer susceptibility. FA is a genetically heterogeneous disease with thirteen complementation groups identified. Proteins encoded by the FA genes work together in the FA pathway. Eight of these proteins form the FA core complex (FANC-A, B, C,E, F, G, L and -M), whose integrity is required to monoubiquitinate FANCD2 and FANCI in response to DNA damage. The hypersensitivity of FA cells to crosslinking agents, which perturb the progression of replication forks, has led to the hypothesis that FA proteins play a crucial role in the response to replication stress. However, at the molecular level, the functions of the FA pathway remain largely unknown. Our efforts were first focused on the characterization of FANCD2, "the key effector of the FA pathway". Using different substrates, we found that in vitro, purified hFANCD2 preferentially binds single strand DNA and double strand DNA extremities. Concomitantly, FANCM was identified as a new component of the FA core complex. Moreover FANCM was shown to have specific branch migration activities and probably a role as a "landing platform" on DNA for the other components of the core complex. By using FANCM mutants carrying deletions within the internal domain, we investigated the role of FANCM as a DNA anchor protein for the core complex. We observed that indeed, a specific part of the internal domain of FANCM interacts with components of the core complex. Finally, in collaboration with Weidong Wang's lab we characterized two new components of the FA pathway: FAAP10 and FAAP16. As a heterodimer these two proteins show affinity for dsDNA, and anneal complementary oligonucleotides in vitro. Moreover these proteins can associate with FANCM via a part of its internal domain. We find that FANCM, FAAP 10 and FAAP 16 can co-exist on the branch point of replication and recombination intermediates, and that FAAP10 and FAAP16 stimulate replication fork reversal by FANCM. These results suggest that FANCM may function as a landing platform for the core complex. After loading on DNA, the core complex can activate FANCD2 through monoubiquitination leading to its recruitment to the site of damage. Since ssDNA and double strand breaks are intermediates that are generated as a consequence of collapsed replication forks, FANCD2 by binding to ds DNA ends and ssDNA could protect such structures from the recombination repair machinery and prevent unscheduled recombination events. Alternatively, FANCD2 could avoid nucleases from gaining access to collapsed forks, preserving the DNA in state that can be used as a starting point for resumption of DNA synthesis. The overall comprehension of the FA pathway is far from been complete. Our results unravel new aspects of Fanconi Anaemia, which hopefully in the near future will address keys questions leading to a better understanding of the fascinating Fanconi Anaemia. Résumé : Le maintien de l'intégrité du génome est fondamentale chez tous les organismes vivants. L'ADN est constamment altéré par des composés aussi bien endogènes qu'exogènes. Si ces altérations ne sont pas réparées, elles peuvent conduire à l'apparition de mutations, ainsi qu'à une instabilité génomique accrue. Les lésions les plus sévères qui peuvent survenir sur l'ADN, sont les pontages inter caténaires. Des agents pontants en liant de façon covalente les deux brins d'ADN, vont empêcher le déroulement normal de processus cellulaires essentiels tels que la réplication ou la transcription. La compréhension des mécanismes permettant à la cellule de tolérer et réparer ces lésions est primordiale, notamment dans le cas des patients atteints de l'anémie de Fanconi qui présentent une très grande sensibilité à ces composés pontants. L'anémie de Fanconi est une maladie génétique rare appartenant à un groupe de pathologies associées à une grande instabilité chromosomique. Les patients atteints de l'anémie de Fanconi présentent des malformations du squelette, une pancytopénie et une forte propension à la survenue de cancer. L'anémie de Fanconi est génétiquement très hétérogène. À ce jour, 13 gènes codant pour 13 protéines FANC différentes ont été identifiés. Huit de ces protéines fonctionnent ensemble au sein d'un complexe (nommé le complexe FANC) ayant pour but de monoubiquitiner FANCD2 et FANCI en réponse à la formation de lésions sur l'ADN. L'extrême sensibilité des cellules de patients atteints de l'anémie de Fanconi à ces agents pontant l'ADN suggère l'implication des protéines FANC dans la réponse cellulaire suite à une stress réplicatif. Cependant, le rôle moléculaire exact de ces protéines demeure encore inconnu. Après purification, nous avons observé que FANCD2 était capable de lier l'ADN simple brin, ainsi que les extrémités d'ADN in vitro. Dans le même temps, FANCM fut identifié comme appartenant au complexe FANC. FANCM est décrit comme une translocase capable de promouvoir le déplacement de point de jonction dans des structures d'ADN spécifiques in vitro. De plus, en se liant à l'ADN, FANCM peut agir comme une plateforme pour les autres protéines FANC, leur permettant ainsi d'être adressées à l'ADN. En créant des protéines FANCM recombinantes ayant des délétions dans le domaine interne, nous avons pu observer que certaines protéines du complexe FANC se fixent à des sites spécifiques sur le domaine interne de FANCM. Enfin, au travers d'une collaboration, nous avons été amenés à caractériser deux nouvelles protéines appartenant au complexe FANC : FAAP 10 et FAAP16. Elles s'associent à FANCM par l'intermédiaire du domaine interne, et forment ainsi un hétérotrimére. La présence de FAAP10 et FAAP16 n'affecte pas la liaison de FANCM à l'ADN, mais semble potentialiser son activité de régression in vitro. FANCM semble donc fonctionner comme une plateforme pour les autres composants du complexe FANC. Ces derniers, une fois liés à l'ADN permettent la monoubiquitination de FANCD2 et son recrutement au site lésé de l'ADN. FANCD2 en se liant de façon préférentielle à l'ADN simple brin et aux extrémités d'ADN qui sont générés lors de l'arrêt et du démantèlement d'une fourche de réplication, pourrait protéger ces même fourches de réplication arrêtées, d'évènements de recombinaison aléatoires. Nos résultats apportent de nouveaux éléments concernant les mécanismes moléculaires de l'anémie de Fanconi. Enfin, l'étude de l'anémie de Fanconi permet aussi de mieux comprendre les mécanismes mis en place par la cellule pour tolérer des lésions survenant lors de la réplication.

Identification des dermatophytes causant des teignes de la peau glabre (Tinea glabra) et du cuir chevelu (Tinea capitis) par PCR

Contexte: Le nombre de teignes du cuir chevelu et de la peau glabre étant en nette augmentation, l'identification du pathogène qui est indispensable pour un traitement ciblé, a, par conséquence, un grand intérêt pour la santé publique. Dans divers cas, un animal de compagnie peut être identifié en tant que source du pathogène. La fréquence de cultures restant stériles est particulièrement élevée en cas de prétraitement antifongique. Objectif: Le but de ce travail est de mettre au point une méthode rapide d'identification du dermatophyte pathogène in situ par PCR/séquençage dans les cas de teignes du cuir chevelu et/ou de la peau glabre. Matériel et méthodes : De l'ADN a été extrait de squames (N=5) et cheveux (N=21) dont l'examen direct démontrait une infection fongique (N=26) ou se révèlait négatif (N=1). Ensuite, une première PCR du segment 28s de l'ADN ribosomale fongique a été effectuée, suivie par une PCR nichée intérieure à ce segment. L'amplicon a été séquencé et le champignon est identifié par alignement. Résultats : Seule la PCR enchainée a permis d'obtenir une quantité suffisante d'amplicon pour permettre le séquençage. Dans 4 cas sur 5 de tinea pedis, 10 sur 12 de tinea glabra, respectivement 4 sur 4 de tinea capitis, dans lesquels un dermato- phyte a été identifié en culture, le même dermatophyte a été identifié par PCR/séquençage. Une fois sur 27 prélèvements, un autre dermatophyte a été identifié par PCR/séquençage. Ce résultat pourrait être dû à une fausse identification du champignon en culture. Dans un cas de tinea pedis et un cas de tinea corporis, la culture est restée stérile, mais un dermatophyte a pu être identifié par PCR et séquençage. Conclusions : La méthode décrite est à la fois rapide (24 h au lieu de deux semaines pour la culture), sensible et très spécifique. Elle est particulièrement utile dans les cas de teigne du cuir chevelu, dans lesquels le traitement est différent selon l'espèce de dermatophyte et où il s'agit d'un traitement systémique lourd, souvent chez l'enfant.

Substrate-selective repair and restart of replication forks by DNA translocases

Stalled replication forks are sources of genetic instability. Multiple fork-remodeling enzymes are recruited to stalled forks, but how they work to promote fork restart is poorly understood. By combining ensemble biochemical assays and single-molecule studies with magnetic tweezers, we show that SMARCAL1 branch migration and DNA-annealing activities are directed by the single-stranded DNA-binding protein RPA to selectively regress stalled replication forks caused by blockage to the leading-strand polymerase and to restore normal replication forks with a lagging-strand gap. We unveil the molecular mechanisms by which RPA enforces SMARCAL1 substrate preference. E. coli RecG acts similarly to SMARCAL1 in the presence of E. coli SSB, whereas the highly related human protein ZRANB3 has different substrate preferences. Our findings identify the important substrates of SMARCAL1 in fork repair, suggest that RecG and SMARCAL1 are functional orthologs, and provide a comprehensive model of fork repair by these DNA translocases.

Holographic optical tweezers combined with back-focal-plane displacement detection

A major problem with holographic optical tweezers (HOTs) is their incompatibility with laser-based position detection methods, such as back-focal-plane interferometry (BFPI). The alternatives generally used with HOTs, like high-speed video tracking, do not offer the same spatial and temporal bandwidths. This has limited the use of this technique in precise quantitative experiments. In this paper, we present an optical trap design that combines digital holography and back-focal-plane displacement detection. We show that, with a particularly simple setup, it is possible to generate a set of multiple holographic traps and an additional static non-holographic trap with orthogonal polarizations and that they can be, therefore, easily separated for measuring positions and forces with the high positional and temporal resolutions of laser-based detection. We prove that measurements from both polarizations contain less than 1% crosstalk and that traps in our setup are harmonic within the typical range. We further tested the instrument in a DNA stretching experiment and we discuss an interesting property of this configuration: the small drift of the differential signal between traps.

Elastic properties and secondary structure formation of single-stranded DNA at monovalent and divalent salt conditions

Single-stranded DNA (ssDNA) plays a major role in several biological processes. It is therefore of fundamental interest to understand how the elastic response and the formation of secondary structures are modulated by the interplay between base pairing and electrostatic interactions. Here we measure force-extension curves (FECs) of ssDNA molecules in optical tweezers set up over two orders of magnitude of monovalent and divalent salt conditions, and obtain its elastic parameters by fitting the FECs to semiflexible models of polymers. For both monovalent and divalent salts, we find that the electrostatic contribution to the persistence length is proportional to the Debye screening length, varying as the inverse of the square root of cation concentration. The intrinsic persistence length is equal to 0.7 nm for both types of salts, and the effectivity of divalent cations in screening electrostatic interactions appears to be 100-fold as compared with monovalent salt, in line with what has been recently reported for single-stranded RNA. Finally, we propose an analysis of the FECs using a model that accounts for the effective thickness of the filament at low salt condition and a simple phenomenological description that quantifies the formation of non-specific secondary structure at low forces.

Design of new tools to improve the efficacy of DNA-damaging drugs used in cancer therapy

Résumé Les tumeurs sont diverses et hétérogènes, mais toutes partagent la capacité de proliférer sans contrôle. Une prolifération dérégulée de cellules couplée à une insensibilité à une réponse apoptotique constitue une condition minimale pour que l'évolution d'une tumeur se produise. Un des traitements les plus utilisés pour traité le cancer à l'heure actuelle sont les chimiothérapies, qui sont fréquemment des composés chimiques qui induisent des dommages dans l'ADN. Les agents anticancéreux sont efficaces seulement quand les cellules tumorales sont plus aisément tuées que le tissu normal environnant. L'efficacité de ces agents est en partie déterminée par leur capacité à induire l'apoptose. Nous avons récemment démontré que la protéine RasGAP est un substrat non conventionnel des caspases parce elle peut induire à la fois des signaux anti et pro-apoptotiques, selon l'ampleur de son clivage par les caspases. A un faible niveau d'activité des caspases, RasGAP est clivé, générant deux fragments (le fragment N et le fragment C). Le fragment N semble être un inhibiteur général de l'apoptose en aval de l'activation des caspases. À des niveaux plus élevés d'activité des caspases, la capacité du fragment N de contrecarrer l'apoptose est supprimée quand il est clivé à nouveau par les caspases. Ce dernier clivage produit deux nouveaux fragments, N 1 et N2, qui contrairement au fragment N sensibilisent efficacement des cellules cancéreuses envers des agents chimiothérapeutiques. Dans cette étude nous avons prouvé qu'un peptide, appelé par la suite TAT-RasGAP317-326, qui est dérivé du fragment N2 de RasGAP et est rendu perméable aux cellules, sensibilise spécifiquement des cellules cancéreuses à trois génotoxines différentes utilisées couramment dans des traitements anticancéreux, et cela dans des modèles in vitro et in vivo. Il est important de noté que ce peptide semble ne pas avoir d'effet sur des cellules non cancéreuses. Nous avons également commencé à caractériser les mécanismes moléculaires expliquant les fonctions de sensibilisation de TAT-RasGAP317-326. Nous avons démontré que le facteur de transcription p53 et une protéine sous son activité transcriptionelle, nommée Puma, sont indispensables pour l'activité de TAT-RasGAP317-326. Nous avons également prouvé que TAT-RasGAP317-326 exige la présence d'une protéine appelée G3BP1, une protéine se liant a RasGAP, pour potentialisé les effets d'agents anticancéreux. Les données obtenues dans cette étude montrent qu'il pourrait être possible d'augmenter l'efficacité des chimiothérapies à l'aide d'un composé capable d'augmenter la sensibilité des tumeurs aux génotoxines et ainsi pourrait permettre de traiter de manière plus efficace des patients sous traitement chimiothérapeutiques. Summary Tumors are diverse and heterogeneous, but all share the ability to proliferate without control. Deregulated cell proliferation coupled with suppressed apoptotic sensitivity constitutes a minimal requirement upon which tumor evolution occurs. One of the most commonly used treatments is chemotherapy, which frequently uses chemical compounds that induce DNA damages. Anticancer agents are effective only when tumors cells are more readily killed than the surrounding normal tissue. The efficacy of these agents is partly determined by their ability to induce apoptosis. We have recently demonstrated that the protein RasGAP is an unconventional caspase substrate because it can induce both anti- and pro-apoptotic signals, depending on the extent of its cleavage by caspases. At low levels of caspase activity, RasGAP is cleaved, generating an N-terminal fragment (fragment N) and a C-terminal fragment (fragment C). Fragment N appears to be a general Mocker of apoptosis downstream of caspase activation. At higher levels of caspase activity, the ability of fragment N to counteract apoptosis is suppressed when it is further cleaved. This latter cleavage event generates two fragments, N1 and N2, which in contrast to fragment N potently sensitizes cancer cells toward DNA-damaging agents induced apoptosis. In the present study we show that a cell permeable peptide derived from the N2 fragment of RasGAP, thereafter called TAT-RasGAP317-326, specifically sensitizes cancer cells to three different genotoxins commonly used in chemotherapy in vitro and in vivo models. Importantly this peptide seems not to have any effect on non cancer cells. We have also started to characterize the molecular mechanisms underlying the sensitizing functions of TAT-RasGAP317-326. We have demonstrated that the p53 transcription factor and a protein under its transcriptional activity, called Puma, are required for the activity of TATRasGAP317-326. We have also showed that TAT-RasGAP317-326 requires the presence of a protein called G3BP1, which have been shown to interact with RasGAP, to increase the effect of the DNA-damaging drug cisplatin. The data obtained in this study showed that it is possible to increase the efficacy of current used chemotherapies with a compound able to increase the efficacy of genotoxins which could be beneficial for patients subjected to chemotherapy.

The genomic distribution of intraspecific and interspecific sequence divergence of human segmental duplications relative to human/chimpanzee chromosomal rearrangements

Background: It has been suggested that chromosomal rearrangements harbor the molecular footprint of the biological phenomena which they induce, in the form, for instance, of changes in the sequence divergence rates of linked genes. So far, all the studies of these potential associations have focused on the relationship between structural changes and the rates of evolution of single-copy DNA and have tried to exclude segmental duplications (SDs). This is paradoxical, since SDs are one of the primary forces driving the evolution of structure and function in our genomes and have been linked not only with novel genes acquiring new functions, but also with overall higher DNA sequence divergence and major chromosomal rearrangements.Results: Here we take the opposite view and focus on SDs. We analyze several of the features of SDs, including the rates of intraspecific divergence between paralogous copies of human SDs and of interspecific divergence between human SDs and chimpanzee DNA. We study how divergence measures relate to chromosomal rearrangements, while considering other factors that affect evolutionary rates in single copy DNA. Conclusion: We find that interspecific SD divergence behaves similarly to divergence of single-copy DNA. In contrast, old and recent paralogous copies of SDs do present different patterns of intraspecific divergence. Also, we show that some relatively recent SDs accumulate in regions that carry inversions in sister lineages.

Molecular dating of caprines using ancient DNA sequences of Myotragus balearicus, an extinct endemic Balearic mammal

Background: Myotragus balearicus was an endemic bovid from the Balearic Islands (Western Mediterranean) that became extinct around 6,000-4,000 years ago. The Myotragus evolutionary lineage became isolated in the islands most probably at the end of the Messinian crisis, when the desiccation of the Mediterranean ended, in a geological date established at 5.35 Mya. Thus, the sequences of Myotragus could be very valuable for calibrating the mammalian mitochondrial DNA clock and, in particular, the tree of the Caprinae subfamily, to which Myotragus belongs. Results: We have retrieved the complete mitochondrial cytochrome b gene (1,143 base pairs), plus fragments of the mitochondrial 12S gene and the nuclear 28S rDNA multi-copy gene from a well preserved Myotragus subfossil bone. The best resolved phylogenetic trees, obtained with the cytochrome b gene, placed Myotragus in a position basal to the Ovis group. Using the calibration provided by the isolation of Balearic Islands, we calculated that the initial radiation of caprines can be dated at 6.2 ± 0.4 Mya. In addition, alpine and southern chamois, considered until recently the same species, split around 1.6 ± 0.3 Mya, indicating that the two chamois species have been separated much longer than previously thought. Conclusion: Since there are almost no extant endemic mammals in Mediterranean islands, the sequence of the extinct Balearic endemic Myotragus has been crucial for allowing us to use the Messinian crisis calibration point for dating the caprines phylogenetic tree.