Depolarization of sperm membrane potential is a common feature of men with subfertility and is associated with low fertilization rate at IVF

STUDY QUESTION. Are significant abnormalities in outward (K+) conductance and resting membrane potential (Vm) present in the spermatozoa of patients undertaking IVF and ICSI and if so, what is their functional effect on fertilization success? SUMMARY ANSWER. Negligible outward conductance (≈5% of patients) or an enhanced inward conductance (≈4% of patients), both of which caused depolarization of Vm, were associated with a low rate of fertilization following IVF. WHAT IS KNOWN ALREADY. Sperm-specific potassium channel knockout mice are infertile with defects in sperm function, suggesting that these channels are essential for fertility. These observations suggest that malfunction of K+ channels in human spermatozoa might contribute significantly to the occurrence of subfertility in men. However, remarkably little is known of the nature of K+ channels in human spermatozoa or the incidence and functional consequences of K+ channel defects. STUDY DESIGN, SIZE AND DURATION. Spermatozoa were obtained from healthy volunteer research donors and subfertile IVF and ICSI patients attending a hospital assisted reproductive techniques clinic between May 2013 and December 2015. In total, 40 IVF patients, 41 ICSI patients and 26 normozoospermic donors took part in the study. PARTICIPANTS/MATERIALS, SETTING, METHODS. Samples were examined using electrophysiology (whole-cell patch clamping). Where abnormal electrophysiological characteristics were identified, spermatozoa were further examined for Ca2+ influx induced by progesterone and penetration into viscous media if sufficient sample was available. Full exome sequencing was performed to specifically evaluate potassium calcium-activated channel subfamily M α 1 (KCNMA1), potassium calcium-activated channel subfamily U member 1 (KCNU1) and leucine-rich repeat containing 52 (LRRC52) genes and others associated with K+ signalling. In IVF patients, comparison with fertilization rates was done to assess the functional significance of the electrophysiological abnormalities. MAIN RESULTS AND THE ROLE OF CHANCE. Patch clamp electrophysiology was used to assess outward (K+) conductance and resting membrane potential (Vm) and signalling/motility assays were used to assess functional characteristics of sperm from IVF and ICSI patient samples. The mean Vm and outward membrane conductance in sperm from IVF and ICSI patients were not significantly different from those of control (donor) sperm prepared under the same conditions, but variation between individuals was significantly greater (P< 0.02) with a large number of outliers (>25%). In particular, in ≈10% of patients (7/81), we observed either a negligible outward conductance (4 patients) or an enhanced inward current (3 patients), both of which caused depolarization of Vm. Analysis of clinical data from the IVF patients showed significant association of depolarized Vm (≥0 mV) with low fertilization rate (P= 0.012). Spermatozoa with electrophysiological abnormities (conductance and Vm) responded normally to progesterone with elevation of [Ca2+]i and penetration of viscous medium, indicating retention of cation channel of sperm (CatSper) channel function. LIMITATIONS, REASONS FOR CAUTION. For practical, technical, ethical and logistical reasons, we could not obtain sufficient additional semen samples from men with conductance abnormalities to establish the cause of the conductance defects. Full exome sequencing was only available in two men with conductance defects. WIDER IMPLICATIONS OF THE FINDINGS. These data add significantly to the understanding of the role of ion channels in human sperm function and its impact on male fertility. Impaired potassium channel conductance (Gm) and/or Vm regulation is both common and complex in human spermatozoa and importantly is associated with impaired fertilization capacity when the Vm of cells is completely depolarized.

Integrative Genomics Reveals a Role for GNA13 in Lymphomagenesis

Lymphomas comprise a diverse group of malignancies derived from immune cells. High throughput sequencing has recently emerged as a powerful and versatile method for analysis of the cancer genome and transcriptome. As these data continue to emerge, the crucial work lies in sorting through the wealth of information to hone in on the critical aspects that will give us a better understanding of biology and new insight for how to treat disease. Finding the important signals within these large data sets is one of the major challenges of next generation sequencing.

In this dissertation, I have developed several complementary strategies to describe the genetic underpinnings of lymphomas. I begin with developing a better method for RNA sequencing that enables strand-specific total RNA sequencing and alternative splicing profiling in the same analysis. I then combine this RNA sequencing technique with whole exome sequencing to better understand the global landscape of aberrations in these diseases. Finally, I use traditional cell and molecular biology techniques to define the consequences of major genetic alterations in lymphoma.

Through this analysis, I find recurrent silencing mutations in the G alpha binding protein GNA13 and associated focal adhesion proteins. I aim to describe how loss-of-function mutations in GNA13 can be oncogenic in the context of germinal center B cell biology. Using in vitro techniques including liquid chromatography-mass spectrometry and knockdown and overexpression of genes in B cell lymphoma cell lines, I determine protein binding partners and downstream effectors of GNA13. I also develop a transgenic mouse model to study the role of GNA13 in the germinal center in vivo to determine effects of GNA13 deletion on germinal center structure and cell migration.

Thus, I have developed complementary approaches that span the spectrum from discovery to context-dependent gene models that afford a better understanding of the biological function of aberrant events and ultimately result in a better understanding of disease.

Variability in phenotype induced by the podocin variant R229Q plus a single pathogenic mutation.

BACKGROUND: Mutations in podocin (NPHS2) are the most common cause of childhood onset autosomal recessive steroid-resistant nephrotic syndrome (SRNS). The disease is characterized by early-onset proteinuria, resistance to immunosuppressive therapy and rapid progression to end-stage renal disease. Compound heterozygous changes involving the podocin variant R229Q combined with another pathogenic mutation have been associated with a mild phenotype with disease onset often in adulthood. METHODS: We screened 19 families with early-onset SRNS for mutations in NPHS2 and WT1 and identified four disease-causing mutations (three in NPHS2 and one in WT1) prior to planned whole-exome sequencing. RESULTS: We describe two families with three individuals presenting in childhood who are compound heterozygous for R229Q and one other pathogenic NPHS2 mutation, either L327F or A297V. One child presented at age 4 years (A297V plus R229Q) and the other two at age 13 (L327F plus R229Q), one with steadily deteriorating renal function. CONCLUSIONS: These cases highlight the phenotypic variability associated with the NPHS2 R229Q variant plus pathogenic mutation. Individuals may present with early aggressive disease.

Rare and common variants in extracellular matrix gene Fibrillin 2 (FBN2) are associated with macular degeneration

Neurodegenerative diseases affecting the macula constitute a major cause of incurable vision loss and exhibit considerable clinical and genetic heterogeneity, from early-onset monogenic disease to multifactorial late-onset age-related macular degeneration (AMD). As part of our continued efforts to define genetic causes of macular degeneration, we performed whole exome sequencing in four individuals of a two-generation family with autosomal dominant maculopathy and identified a rare variant p.Glu1144Lys in Fibrillin 2 (FBN2), a glycoprotein of the elastin-rich extracellular matrix (ECM). Sanger sequencing validated the segregation of this variant in the complete pedigree, including two additional affected and one unaffected individual. Sequencing of 192 maculopathy patients revealed additional rare variants, predicted to disrupt FBN2 function. We then undertook additional studies to explore the relationship of FBN2 to macular disease. We show that FBN2 localizes to Bruch's membrane and its expression appears to be reduced in aging and AMD eyes, prompting us to examine its relationship with AMD. We detect suggestive association of a common FBN2 non-synonymous variant, rs154001 (p.Val965Ile) with AMD in 10,337 cases and 11,174 controls (OR=1.10; p-value=3.79×10(-5)). Thus, it appears that rare and common variants in a single gene - FBN2 - can contribute to Mendelian and complex forms of macular degeneration. Our studies provide genetic evidence for a key role of elastin microfibers and Bruch's membrane in maintaining blood-retina homeostasis and establish the importance of studying orphan diseases for understanding more common clinical phenotypes.

An siRNA-based functional genomics screen for the identification of regulators of ciliogenesis and ciliopathy genes

Defects in primary cilium biogenesis underlie the ciliopathies, a growing group of genetic disorders. We describe a whole-genome siRNA-based reverse genetics screen for defects in biogenesis and/or maintenance of the primary cilium, obtaining a global resource. We identify 112 candidate ciliogenesis and ciliopathy genes, including 44 components of the ubiquitin-proteasome system, 12 G-protein-coupled receptors, and 3 pre-mRNA processing factors (PRPF6, PRPF8 and PRPF31) mutated in autosomal dominant retinitis pigmentosa. The PRPFs localize to the connecting cilium, and PRPF8- and PRPF31-mutated cells have ciliary defects. Combining the screen with exome sequencing data identified recessive mutations in PIBF1, also known as CEP90, and C21orf2, also known as LRRC76, as causes of the ciliopathies Joubert and Jeune syndromes. Biochemical approaches place C21orf2 within key ciliopathy-associated protein modules, offering an explanation for the skeletal and retinal involvement observed in individuals with C21orf2 variants. Our global, unbiased approaches provide insights into ciliogenesis complexity and identify roles for unanticipated pathways in human genetic disease.

The mitochondrial and autosomal mutation landscapes of prostate cancer

BACKGROUND: Prostate cancer (PCa) is the most common cancer in men. PCa is strongly age associated; low death rates in surveillance cohorts call into question the widespread use of surgery, which leads to overtreatment and a reduction in quality of life. There is a great need to increase the understanding of tumor characteristics in the context of disease progression.

OBJECTIVE: To perform the first multigenome investigation of PCa through analysis of both autosomal and mitochondrial DNA, and to integrate exome sequencing data, and RNA sequencing and copy-number alteration (CNA) data to investigate how various different tumor characteristics, commonly analyzed separately, are interconnected.

DESIGN, SETTING, AND PARTICIPANTS: Exome sequencing was applied to 64 tumor samples from 55 PCa patients with varying stage and grade. Integrated analysis was performed on a core set of 50 tumors from which exome sequencing, CNA, and RNA sequencing data were available.

OUTCOME MEASUREMENTS AND STATISTICAL ANALYSIS: Genes, mutated at a significantly higher rate relative to a genomic background, were identified. In addition, mitochondrial and autosomal mutation rates were correlated to CNAs and proliferation, assessed as a cell cycle gene expression signature.

RESULTS AND LIMITATIONS: Genes not previously reported to be significantly mutated in PCa, such as cell division cycle 27 homolog (Saccharomyces cerevisiae) (CDC27), myeloid/lymphoid or mixed-lineage leukemia 3 (MLL3), lysine (K)-specific demethylase 6A (KDM6A), and kinesin family member 5A (KIF5A) were identified. The mutation rate in the mitochondrial genome was 55 times higher than that of the autosomes. Multilevel analysis demonstrated a tight correlation between high reactive-oxygen exposure, chromosomal damage, high proliferation, and in parallel, a transition from multiclonal indolent primary PCa to monoclonal aggressive disease. As we only performed targeted sequence analysis; copy-number neutral rearrangements recently described for PCa were not accounted for.

CONCLUSIONS: The mitochondrial genome displays an elevated mutation rate compared to the autosomal chromosomes. By integrated analysis, we demonstrated that different tumor characteristics are interconnected, providing an increased understanding of PCa etiology.

Host factors and genetic susceptibility to infections due to intracellular bacteria and fastidious organisms.

While genetic polymorphisms play a paramount role in tuberculosis (TB), less is known about their contribution to the severity of diseases caused by other intracellular bacteria and fastidious microorganisms. We searched electronic databases for observational studies reporting on host factors and genetic predisposition to infections caused by intracellular fastidious bacteria published up to 30 May 2014. The contribution of genetic polymorphisms was documented for TB. This includes genetic defects in the mononuclear phagocyte/T helper cell type 1 (Th1) pathway contributing to disseminated TB disease in children and genome-wide linkage analysis (GWAS) in reactivated pulmonary TB in adults. Similarly, experimental studies supported the role of host genetic factors in the clinical presentation of illnesses resulting from other fastidious intracellular bacteria. These include IL-6 -174G/C or low mannose-binding (MBL) polymorphisms, which are incriminated in chronic pulmonary conditions triggered by C. pneumoniae, type 2-like cytokine secretion polymorphisms, which are correlated with various clinical patterns of M. pneumoniae infections, and genetic variation in the NOD2 gene, which is an indicator of tubal pathology resulting from Chamydia trachomatis infections. Monocyte/macrophage migration and T lymphocyte recruitment defects are corroborated to ineffective granuloma formation observed among patients with chronic Q fever. Similar genetic polymorphisms have also been suggested for infections caused by T. whipplei although not confirmed yet. In conclusion, this review supports the paramount role of genetic factors in clinical presentations and severity of infections caused by intracellular fastidious bacteria. Genetic predisposition should be further explored through such as exome sequencing.

Étude sur le rôle des mutations de novo dans l’étiologie génétique de la schizophrénie

La schizophrénie est une maladie psychiatrique grave qui affecte approximativement 1 % de la population. Il est clairement établi que la maladie possède une composante génétique très importante, mais jusqu’à présent, les études ont été limitées au niveau de l’identification de facteurs génétiques spécifiquement liés à la maladie. Avec l’avènement des nouvelles avancées technologiques dans le domaine du séquençage de l’ADN, il est maintenant possible d’effectuer des études sur un type de variation génétique jusqu’à présent laissé pour compte : les mutations de novo, c.-à-d. les nouvelles mutations non transmises de manière mendélienne par les parents. Ces mutations peuvent avoir deux origines distinctes : une origine germinale au niveau des gamètes chez les parents ou une origine somatique, donc au niveau embryonnaire directement chez l’individu. L’objectif général de la présente recherche est de mieux caractériser les mutations de novo dans la schizophrénie. Comme le rôle de ces variations est peu connu, il sera également nécessaire de les étudier dans un contexte global au niveau de la population humaine. La première partie du projet consiste en une analyse exhaustive des mutations de novo dans la partie codante (exome) de patients atteints de schizophrénie. Nous avons pu constater que non seulement le taux de mutations était plus élevé qu’attendu, mais nous avons également été en mesure de relever un nombre anormalement élevé de mutations non-sens, ce qui suggère un profil pathogénique. Ainsi, nous avons pu fortement suggérer que les mutations de novo sont des actrices importantes dans le mécanisme génétique de la schizophrénie. La deuxième partie du projet porte directement sur les gènes identifiés lors de la première partie. Nous avons séquencé ces gènes dans une plus grande cohorte de cas et de contrôles afin d’établir le profil des variations rares pour ces gènes. Nous avons ainsi conclu que l’ensemble des gènes identifiés par les études de mutations de novo possède un profil pathogénique, ce qui permet d’établir que la plupart de ces gènes ont un rôle réel dans la maladie et ne sont pas des artéfacts expérimentaux. De plus, nous avons pu établir une association directe avec quelques gènes qui montrent un profil aberrant de variations rares. La troisième partie du projet se concentre sur l’effet de l’âge paternel sur le taux de mutations de novo. En effet, pour la schizophrénie, il est démontré que l’âge du père est un facteur de risque important. Ainsi, nous avons tenté de caractériser l’effet de l’âge du père chez des patients en santé. Nous avons observé une grande corrélation entre l’âge du père et le taux de mutations germinales et nous avons ainsi pu répertorier certaines zones avec un grand nombre de mutations de novo, ce qui suggère l’existence de zone chaude pour les mutations. Nos résultats ont été parmi les premiers impliquant directement les mutations de novo dans le mécanisme génétique de la schizophrénie. Ils permettent de jeter un nouveau regard sur les réseaux biologiques à l’origine de la schizophrénie en mettant sous les projecteurs un type de variations génétiques longtemps laissé pour compte.

Études de nouvelles maladies neurogénétiques chez les Canadiens français.

Depuis déjà plusieurs décennies, nous sommes en mesure d'identifier les mutations responsable de diverses maladies mendéliennes. La découverte des gènes responsables de ces maladies permet non seulement un meilleur diagnostic clinique pour ces familles, mais aussi de mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques de ces maladies ainsi que mieux définir la fonction normale des gènes causales. Ultimement, ces découvertes mènent à l'identification de cibles thérapeutiques pour le traitement de ces maladies. Les progrès technologiques sont depuis toujours un facteur très important dans la découverte de ces gènes mutés. De l'approche traditionnelle de clonage positionnel en passant par la première séquence du génome humain et maintenant les technologies de séquençage à grande échelle, de plus en plus de maladies ont maintenant une entité génétique. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous avons utilisé tant les approches traditionnelles (leucodystrophies) que les nouvelles technologies de séquençage (polyneuropathie douloureuse) qui ont mené à l'identification du gène causal pour plusieurs de nos familles. L'efficacité de ces deux approches n'est plus à démontrer, chacune d'entre elles possèdent des avantages et des inconvénients. Dans le cadre de ces projets, nous avons utilisé la population canadienne-française connue pour ces effets fondateurs et la présence, encore aujourd'hui, de grandes familles. Les différents projets ont permis d'établir certains avantages et inconvénients quant à l'utilisation de ces techniques et de la population canadienne-française. Dans le cadre d'un phénotype assez homogène et bien défini comme celui du projet leucodystrophie, l'approche traditionnel par gène candidat nous a permis d'identifier le gène causal, POLR3B, sans trop de difficulté. Par contre, pour les autres projets où nous sommes en présence d'une hétérogénéité clinique et génétique une approche non-biaisée utilisant le séquençage exomique a obtenu un plus grand succès. La présence de grandes familles est un grand avantage dans les deux approches. Dans le projet polyneuropathie douloureuse, une grande famille originaire du Saguenay-Lac-St-Jean nous a permis d'identifier le gène NAGLU comme responsable suite à l'exclusion des autres variants candidats par analyse de ségrégation. Comme NAGLU était déjà associé à un phénotype qui diffère sur plusieurs points à celui de notre famille, une approche traditionnelle n'aurait pas été en mesure d'identifier NAGLU comme le gène causal. Dans l'analyse de nos données de séquençage exomique, nous avons observé que plusieurs variants rares, absents des bases de données, étaient partagés entre les différents individus Canadiens français. Ceci est probablement dû à la démographie génétique particulière observée chez les Canadiens français. En conclusion, les technologies de séquençage à grande échelle sont avantageuses dans l'étude de maladies hétérogènes au niveau clinique et génétique. Ces technologies sont en voie de modifier l'approche d'identification de gènes en permettant une analyse de génétique inversée, c'est-à-dire de la génétique vers la clinique.

Prevention of Cardiometabolic Disease in Familial Hypercholesterolemia

L’hypercholestérolémie familiale (FH) est un désordre lipidique associé aux maladies cardiovasculaires les plus fréquentes. La FH est causée par des mutations dans les gènes LDLR, APOB et PCSK9. Toutefois, chez 20% des patients souffrant de FH, aucune mutation dans ces gènes n'a été détectée et ceci suggère que d’autres gènes seraient à l’origine de la FH. Actuellement, le seul traitement de la FH est une thérapie aux statines. En général les statines sont bien tolérées, cependant, une monothérapie ne permet pas d’atteindre des niveaux thérapeutiques acceptables et dans bien des cas, une thérapie combinée devient nécessaire. De plus, l’intolérance aux statines est présente dans environ 12% des patients. Dans les trois dernières décennies, la survie des patients avec la FH a augmentée de façon notoire mais on observe aussi l’apparition d’une calcification vasculaire sévère chez certains d’entre eux. Il est donc primordial de développer des nouvelles approches thérapeutiques afin de prévenir ces complications tardives. Dans cette thèse doctorat, nous présentons l’étude d’une famille avec un phénotype de FH sévère non causé par des mutations dans les gènes LDLR, APOB et PCSK9. Par des études biochimiques et par séquençage d’ADN utilisant les technologies de nouvelle génération (NextGenSeq), nous avons découvert une mutation dans le gène de l’APOE (Leu167del). Ceci nous permet de proposer le gène codant pour l’APOE comme le 4e locus responsable de la FH (FH4). Par la suite, nous avons effectué deux études de cohortes chez les patients atteints de FH. Premièrement, dans l’étude JUPITER, nous avons démontré que la rosuvastatin augmente les niveaux sanguins de la protéine PCSK9 et ceci limiterait l’efficacité du traitement aux statines. Nous avons aussi étudié l’influence du mutant naturel R46L (perte de fonction de la PCSK9) dans la réponse aux statines. Deuxièmement, nous avons examiné les effets de la perte de fonction de la PCSK9 sur le profil cardiométabolique au sein d’une population pédiatrique. Nous avons déterminé que le génotype de l’APOE est déterminant dans ce profil cardiométabolique. Enfin, nous avons étudié la calcification vasculaire chez les patients atteints de FH. Cette calcification vasculaire progresse de façon indépendante des niveaux de cholestérol sérique et n’est pas associée aux anomalies de l’homéostasie du calcium. En utilisant des modèles murins, nous avons démontré que les souris Ldlr-/- et Tg(Pcsk9) développent des calcifications vasculaires semblables à celles observées chez l’homme. De plus, nous avons confirmé l’implication de la voie de signalisation LRP5/Wnt dans la pathophysiologie de la calcification artérielle. Avec une étude interventionnelle, nous avons trouvé que l’inhibition de l’interleukine 1β (IL-1β) diminue fortement l’apparition de calcifications vasculaire dans notre modèle murin. En conclusion, nos études ont permis l’identification d’un nouveau gène impliqué dans la FH, ont démontré aussi que les statines augmentent les niveaux sériques de PCSK9 et que la perte de fonction de la PCSK9 altère le profil cardiométabolique. Enfin, nous avons établi que la calcification vasculaire représente une complication tardive chez les patients atteints de FH et que, dans notre modèle murin, la calcification vasculaire peut être retardée par l’inhibition d’IL-1β. Ces découvertes peuvent avoir d’importantes répercussions cliniques chez l’humain.

Caractérisation génétique d’une forme d’ataxie tardive.

Les ataxies forment un groupe de maladies neurodégénératives qui sont caractérisées par un manque de coordination des mouvements volontaires. Mes travaux ont porté sur une forme d'ataxie à début tardif (LOCA), après l’âge de 50 ans. Les principales caractéristiques cliniques sont: atrophie cérébelleuse à l’IRM (88%), dysarthrie (81%), atrophie du lobe frontal (50%) et nystagmus (52%). La ségrégation dans les familles de cette ataxie est en faveur d’une transmission récessive. Afin d'identifier le gène responsable de LOCA, nous avons recruté 38 patients affectés d'une forme tardive d'ataxie, issus du SLSJ, des Cantons de l’Est ou d’autres régions du Québec. Un premier criblage du génome a été effectué avec des marqueurs microsatellites sur une famille clé. Une analyse de liaison paramétrique nous a suggéré une liaison au chromosome 13 (4.4Mb). Une recherche d’un haplotype partagé entre 17 familles LOCA a diminué la taille de l'intervalle candidat à 1.6Mb, mais l’haplotype s’est avéré fréquent dans la population canadienne-française. Un second criblage du génome avec des marqueurs SNP nous a permis d’évaluer par cartographie d’homozygotie la possibilité qu’une mutation fondatrice partagée dans des sous-groupes de malades. Plusieurs stratégies d'analyse ont été effectuées, entre autre par regroupement régional. Aucun loci candidats ne fut identifié avec confiance. Nous avons donc combiné les données de génotypage avec le séquençage exomique afin d'identifier le gène responsable. L'analyse de six individus atteints nous a permis d'obtenir une liste de variants rare contenant quatre gènes potentiels. Cette analyse doit se poursuivre pour identifier le gène responsable de LOCA.

Genetic determinants of clinical heterogeneity in sickle cell disease

L’anémie falciforme est une maladie monogénique causée par une mutation dans le locus de la β-globine. Malgré le fait que l’anémie falciforme soit une maladie monogénique, cette maladie présente une grande hétérogénéité clinique. On présume que des facteurs environnementaux et génétiques contribuent à cette hétérogénéité. Il a été observé qu’un haut taux d’hémoglobine fœtale (HbF) diminuait la sévérité et la mortalité des patients atteints de l’anémie falciforme. Le but de mon projet était d’identifier des variations génétiques modifiant la sévérité clinique de l’anémie falciforme. Dans un premier temps, nous avons effectué la cartographie-fine de trois régions précédemment associées avec le taux d’hémoglobine fœtale. Nous avons ensuite effectué des études d’association pan-génomiques avec deux complications cliniques de l’anémie falciforme ainsi qu’avec le taux d’hémoglobine fœtale. Hormis les régions déjà identifiées comme étant associées au taux d’hémoglobine fœtale, aucun locus n’a atteint le niveau significatif de la puce de génotypage. Pour identifier des groupes de gènes modérément associés au taux d’hémoglobine fœtale qui seraient impliqués dans de mêmes voies biologiques, nous avons effectué une étude des processus biologiques. Finalement, nous avons effectué l’analyse de 19 exomes de patients Jamaïcains ayant des complications cliniques mineures de l’anémie falciforme. Compte tenu de la taille des cohortes de réplication disponibles, nous n’avons pas les moyens de valider statistiquement les variations identifiées par notre étude. Cependant, nos résultats fournissent de bons gènes candidats pour des études fonctionnelles et pour les réplications futures. Nos résultats suggèrent aussi que le β-hydroxybutyrate en concentration endogène pourraient influencer le taux d’hémoglobine fœtale. De plus, nous montrons que la cartographie-fine des régions associées par des études pan-génomiques peut identifier des signaux d’association additionnels et augmenter la variation héritable expliquée par cette région.

Études génétiques de familles récessives d’ataxies et de paraplégies spastiques

Au cours des dernières années, la génétique a subi une progression phénoménale suite au développement de nouvelles technologies de séquençage. En effet, le séquençage de l’exome entier chez des familles a permis l’identification de nouveaux gènes impliqués pour plusieurs maladies. La neurologie a d’ailleurs bénéficié de ces avancées et plusieurs gènes ont été mis en évidence comme causatifs pour différents désordres neurologiques. Dans ce travail il sera question de deux désordres du mouvement pour lequel nous avons utilisés des technologies de séquençage traditionnelles, en l’occurrence le séquençage par Sanger, ainsi que de nouvelles technologies pour le séquençage de l’exome entier afin d’identifier de nouveaux gènes causatifs. Le premier désordre du mouvement qui sera décrit est l’ataxie, où ne seront abordées que les ataxies de cause génétiques, à transmission récessive. Le premier chapitre relatera les nouvelles mutations qui ont été trouvées chez des canadiens-français souffrant de l’ataxie de Beauce. Il sera aussi question de nouvelles mutations retrouvées dans deux autres populations, confirmant l’implication du gène SYNE1 dans les cas d’ataxie cérébelleuse à travers le monde. Le second chapitre fera la démonstration qu’il est souhaitable d’utiliser le séquençage de l’exome entier dans le but de poser un diagnostic clinique. En effet, il a été possible de trouver la cause génétique d’une famille comportant deux membres atteints d’atrophie congénitale du cervelet, où le symptôme prédominant est l’ataxie. Le séquençage de l’exome a permis la mise en évidence de mutations dans le gène PMM2, déjà connues pour cause le syndrome des glycoprotéines déficientes en hydrates de carbone. Dans un second temps, il sera question d’un autre désordre du mouvement la paraplégie spastique familiale (PSF). Le chapitre 3 relatera les mutations trouvées dans le gène CYP7B1 dans notre cohorte de patients PSF.

Exploration génomique de la déficience intellectuelle

La déficience intellectuelle (DI) définit un groupe de conditions génétiquement hétérogènes caractérisées par l’apparition de troubles cognitifs précoces chez l’enfant. Elle affecte 1-3% de la population dans les pays industrialisés. La prévalence de la DI est beaucoup plus élevée ailleurs dans le monde, en raison de facteurs sociodémographiques comme le manque de ressources dans le système de santé, la pauvreté et la consanguinité. Des facteurs non-génétiques sont mis en cause dans l’étiologie de la DI ; on estime qu’environ 25% des cas de DI sont d’origine génétique. Traditionnellement, les bases moléculaires de la DI ont été investiguées par des analyses cytogénétiques, les approches de cartographie génétique et le séquençage de gènes candidats ; ces techniques de génétiques classiques sont encore mises à rude épreuve dans l’analyse de maladies complexes comme la DI. La DI liée à l’X a été particulièrement étudiée, avec plus d’une centaine de gènes identifiés uniquement sur le chromosome X. Des mutations hétérozygotes composites sont mises en évidence dans la DI autosomique, dans le contexte d’unions non-consanguines. L’occurrence de ce type de mutations est rare, chez des individus non-apparentés, de sorte que les mutations dominantes de novo sont plus courantes. Des mutations homozygotes sont attendues dans les populations consanguines ou marquées par un effet fondateur. En fait, les bases moléculaires de la DI autosomique ont été presqu’exclusivement étudiées dans le contexte de populations avec des forts taux de consanguinité. L’origine de la DI demeure encore inconnue dans environ 60 % des cas diagnostiqués. En l’absence de facteurs environnementaux associés à la DI chez ces individus, il est possible d’envisager que des facteurs génétiques non identifiés entrent en jeu dans ces cas de DI inexpliqués. Dans ce projet de recherche, nous voulions explorer l’origine génétique de la DI, dans vingt familles, où une transmission de la maladie selon un mode autosomique récessif est suspectée. Nous avons mis de l’avant les techniques de séquençage de nouvelle génération, afin de mettre en évidence les déterminants génétiques de la DI, à l’échelle du génome humain. En fait, nous avons priorisé la capture et le séquençage de l’exome; soient la totalité des régions codantes du génome humain et leurs sites d’épissage flanquants. Dans nos analyses, nous avons ciblé les variants qui ne sont pas rapportés trop fréquemment dans différentes bases de données d’individus contrôles, ces mutations rares cadrent mieux avec une condition comme la DI. Nous avons porté une attention particulière aux mutations autosomiques récessives (homozygotes et hétérozygotes composites) ; nous avons confirmé que ces mutations ségréguent avec une transmission récessive dans la famille à l’étude. Nous avons identifié des mutations dans des gènes pouvant être à l’origine de la DI, dans certaines des familles analysées ; nous avons validé biologiquement l'impact fonctionnel des mutations dans ces gènes candidats, afin de confirmer leur implication dans la pathophysiologie de la DI. Nous avons élucidé les bases moléculaires de la DI dans huit des familles analysées. Nous avons identifié le second cas de patients avec syndrome de cassure chromosomique de Varsovie, caractérisé par des dysfonctions de l’ARN hélicase DDX11. Nous avons montré qu’une perte de l’activité de TBC1D7, une des sous-unités régulatrice du complexe TSC1-TSC2, est à l’origine de la pathologie dans une famille avec DI et mégalencéphalie. Nous avons mis en évidence des mutations pathogéniques dans le gène ASNS, codant pour l’Asparagine synthétase, chez des patients présentant une microcéphalie congénitale et une forme progressive d’encéphalopathie. Nous avons montré que des dysfonctions dans la protéine mitochondriale MAGMAS sont mises en cause dans une condition caractérisée par un retard prononcé dans le développement associé à une forme sévère de dysplasie squelettique. Nous avons identifié une mutation tronquant dans SPTBN2, codant pour la protéine spinocerebellar ataxia 5, dans une famille avec DI et ataxie cérébelleuse. Nous avons également mis en évidence une mutation dans PIGN, un gène impliqué dans la voie de biosynthèse des ancres de glycosylphosphatidylinositol , pouvant être à l’origine de la maladie chez des individus avec épilepsie et hypotonie. Par ailleurs, nous avons identifié une mutation - perte de fonction dans CLPB, codant pour une protéine chaperonne mitochondriale, dans une famille avec encéphalopathie néonatale, hyperekplexie et acidurie 3-méthylglutaconique. Le potentiel diagnostic des techniques de séquençage de nouvelle génération est indéniable ; ces technologies vont révolutionner l’univers de la génétique moléculaire, en permettant d’explorer les bases génétiques des maladies complexes comme la DI.

Vers une prise en charge améliorée des patients avec glycogénose : nouvelles approches diagnostique et thérapeutique

Les glycogénoses sont des maladies touchant la synthèse ou la dégradation du glycogène. Un diagnostic précoce et une diète optimale, incluant la prévention des hypoglycémies, sont d’une importante cruciale pour le devenir des patients. Les présents travaux visaient la confirmation génétique de glycogénose chez des patients inuits du Nunavik ainsi que l’évaluation de l’impact sur le sommeil et la qualité de vie d’une nouvelle thérapie nutritionnelle, GlycosadeTM, dans une cohorte de patients montréalaise. Par séquençage d’exome, nous avons identifié la mutation causale de glycogénose au Nunavik, permettant un diagnostic précoce et un dépistage des membres de la famille. Nous avons aussi introduit une fécule de maïs à action prolongée et évalué prospectivement le sommeil et la qualité de vie des patients avec glycogénose avant et après ce traitement. Nous avons mis en évidence des troubles de sommeil chez les patients et avons discuté du GlycosadeTM comme d’une option thérapeutique prometteuse.