A primer for use of genetic tools in selecting and testing the suitability of set-aside sites protected from deep-sea seafloor massive sulfide mining activities

Seafloor massive sulfide (SMS) mining will likely occur at hydrothermal systems in the near future. Alongside their mineral wealth, SMS deposits also have considerable biological value. Active SMS deposits host endemic hydrothermal vent communities, whilst inactive deposits support communities of deep water corals and other suspension feeders. Mining activities are expected to remove all large organisms and suitable habitat in the immediate area, making vent endemic organisms particularly at risk from habitat loss and localised extinction. As part of environmental management strategies designed to mitigate the effects of mining, areas of seabed need to be protected to preserve biodiversity that is lost at the mine site and to preserve communities that support connectivity among populations of vent animals in the surrounding region. These "set-aside" areas need to be biologically similar to the mine site and be suitably connected, mostly by transport of larvae, to neighbouring sites to ensure exchange of genetic material among remaining populations. Establishing suitable set-asides can be a formidable task for environmental managers, however the application of genetic approaches can aid set-aside identification, suitability assessment and monitoring. There are many genetic tools available, including analysis of mitochondrial DNA (mtDNA) sequences (e.g. COI or other suitable mtDNA genes) and appropriate nuclear DNA markers (e.g. microsatellites, single nucleotide polymorphisms), environmental DNA (eDNA) techniques and microbial metagenomics. When used in concert with traditional biological survey techniques, these tools can help to identify species, assess the genetic connectivity among populations and assess the diversity of communities. How these techniques can be applied to set-aside decision making is discussed and recommendations are made for the genetic characteristics of set-aside sites. A checklist for environmental regulators forms a guide to aid decision making on the suitability of set-aside design and assessment using genetic tools. This non-technical primer document represents the views of participants in the VentBase 2014 workshop.

Clams from Tagus estuary : microbiological, physiological and chemical responses to depuration, transpot and environmental stress

Tese de doutoramento, Biologia (Biologia Marinha e Aquacultuta), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Analyse des risques d'extinction des populations naturelles

A review of extinction risk analysis and viability methods is presented. The importance of environmental, demographic and genetic uncertainties, as well as the role of catastrophes are successively considered, and different approaches aiming at the integration of these risk factors in predictive population dynamic models are discussed.

Molecular variation at a candidate gene implicated in the regulation of fire ant social behavior

The fire ant Solenopsis invicta and its close relatives display an important social polymorphism involving differences in colony queen number. Colonies are headed by either a single reproductive queen (monogyne form) or multiple queens (polygyne form). This variation in social organization is associated with variation at the gene Gp-9, with monogyne colonies harboring only B-like allelic variants and polygyne colonies always containing b-like variants as well. We describe naturally occurring variation at Gp-9 in fire ants based on 185 full-length sequences, 136 of which were obtained from S. invicta collected over much of its native range. While there is little overall differentiation between most of the numerous alleles observed, a surprising amount is found in the coding regions of the gene, with such substitutions usually causing amino acid replacements. This elevated coding-region variation may result from a lack of negative selection acting to constrain amino acid replacements over much of the protein, different mutation rates or biases in coding and non-coding sequences, negative selection acting with greater strength on non-coding than coding regions, and/or positive selection acting on the protein. Formal selection analyses provide evidence that the latter force played an important role in the basal b-like lineages coincident with the emergence of polygyny. While our data set reveals considerable paraphyly and polyphyly of S. invicta sequences with respect to those of other fire ant species, the b-like alleles of the socially polymorphic species are monophyletic. An expanded analysis of colonies containing alleles of this clade confirmed the invariant link between their presence and expression of polygyny. Finally, our discovery of several unique alleles bearing various combinations of b-like and B-like codons allows us to conclude that no single b-like residue is completely predictive of polygyne behavior and, thus, potentially causally involved in its expression. Rather, all three typical b-like residues appear to be necessary.

Discordances between phylogenetic and morphological patterns in alpine leaf beetles attest to an intricate biogeographic history of lineages in postglacial Europe.

Pleistocene glacial and interglacial periods have moulded the evolutionary history of European cold-adapted organisms. The role of the different mountain massifs has, however, not been accurately investigated in the case of high-altitude insect species. Here, we focus on three closely related species of non-flying leaf beetles of the genus Oreina (Coleoptera, Chrysomelidae), which are often found in sympatry within the mountain ranges of Europe. After showing that the species concept as currently applied does not match barcoding results, we show, based on more than 700 sequences from one nuclear and three mitochondrial genes, the role of biogeography in shaping the phylogenetic hypothesis. Dating the phylogeny using an insect molecular clock, we show that the earliest lineages diverged more than 1 Mya and that the main shift in diversification rate occurred between 0.36 and 0.18 Mya. By using a probabilistic approach on the parsimony-based dispersal/vicariance framework (MP-DIVA) as well as a direct likelihood method of state change optimization, we show that the Alps acted as a cross-roads with multiple events of dispersal to and reinvasion from neighbouring mountains. However, the relative importance of vicariance vs. dispersal events on the process of rapid diversification remains difficult to evaluate because of a bias towards overestimation of vicariance in the DIVA algorithm. Parallels are drawn with recent studies of cold-adapted species, although our study reveals novel patterns in diversity and genetic links between European mountains, and highlights the importance of neglected regions, such as the Jura and the Balkanic range.

Ataxia telangiectasia mutated (ATM) inhibition transforms human mammary gland epithelial cells.

Carriers of mutations in the cell cycle checkpoint protein kinase ataxia telangiectasia mutated (ATM), which represent 1-2% of the general population, have an increased risk of breast cancer. However, experimental evidence that ATM deficiency contributes to human breast carcinogenesis is lacking. We report here that in MCF-10A and MCF-12A cells, which are well established normal human mammary gland epithelial cell models, partial or almost complete stable ATM silencing or pharmacological inhibition resulted in cellular transformation, genomic instability, and formation of dysplastic lesions in NOD/SCID mice. These effects did not require the activity of exogenous DNA-damaging agents and were preceded by an unsuspected and striking increase in cell proliferation also observed in primary human mammary gland epithelial cells. Increased proliferation correlated with a dramatic, transient, and proteasome-dependent reduction of p21(WAF1/CIP1) and p27(KIP1) protein levels, whereas little or no effect was observed on p21(WAF1/CIP1) or p27(KIP1) mRNAs. p21(WAF1/CIP1) silencing also increased MCF-10A cell proliferation, thus identifying p21(WAF1/CIP1) down-regulation as a mediator of the proliferative effect of ATM inhibition. Our findings provide the first experimental evidence that ATM is a human breast tumor suppressor. In addition, they mirror the sensitivity of ATM tumor suppressor function and unveil a new mechanism by which ATM might prevent human breast tumorigenesis, namely a direct inhibitory effect on the basal proliferation of normal mammary epithelial cells.

Genetic variants influencing circulating lipid levels and risk of coronary artery disease.

OBJECTIVE: Genetic studies might provide new insights into the biological mechanisms underlying lipid metabolism and risk of CAD. We therefore conducted a genome-wide association study to identify novel genetic determinants of low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C), high-density lipoprotein cholesterol (HDL-C), and triglycerides. METHODS AND RESULTS: We combined genome-wide association data from 8 studies, comprising up to 17 723 participants with information on circulating lipid concentrations. We did independent replication studies in up to 37 774 participants from 8 populations and also in a population of Indian Asian descent. We also assessed the association between single-nucleotide polymorphisms (SNPs) at lipid loci and risk of CAD in up to 9 633 cases and 38 684 controls. We identified 4 novel genetic loci that showed reproducible associations with lipids (probability values, 1.6×10(-8) to 3.1×10(-10)). These include a potentially functional SNP in the SLC39A8 gene for HDL-C, an SNP near the MYLIP/GMPR and PPP1R3B genes for LDL-C, and at the AFF1 gene for triglycerides. SNPs showing strong statistical association with 1 or more lipid traits at the CELSR2, APOB, APOE-C1-C4-C2 cluster, LPL, ZNF259-APOA5-A4-C3-A1 cluster and TRIB1 loci were also associated with CAD risk (probability values, 1.1×10(-3) to 1.2×10(-9)). CONCLUSIONS: We have identified 4 novel loci associated with circulating lipids. We also show that in addition to those that are largely associated with LDL-C, genetic loci mainly associated with circulating triglycerides and HDL-C are also associated with risk of CAD. These findings potentially provide new insights into the biological mechanisms underlying lipid metabolism and CAD risk.

Frequency-dependent selection at the amylase locus in Drosophila melanogaster

A. strain of Drosophila melanog-aster deficient in null amylase activity (Amylase ) was isolated from a wild null population of flies. The survivorship of Amylase homozygous flies is very low when the principal dietary carbohydrate source is starch. However, the survivorship of the null Amylase genotype is comparable to the wild type when the dietary starch is replaced by glucose. In addition, the null viability of the amylase-producing and Amylase strains is comparable v and very lm<] f on a medium with no carbohydrates . Furthermore, amylase-producing genotypes were shovm to excrete enzymatically active amylase protein into the food medium. The excreted amylase causes the external breakdown of dietary starch to sugar. These results led to the following null prediction: the viability of the A.mvlase genotype (fed on a starch rich diet) might increase in the presence of individuals which were amylase-producing. It was shown experimentally that such an increase in viability did in fact occur and that this increase v\Tas proportional to the number of mnylase..::producing fli.es present. These results provide a unique example of a non-"competi ti ve inter-genotype interaction, and one where the underlying physio~ logical and biochemical mechanism has been fully understood.

HUMAN GENOME VARIATIONS AND EVOLUTION WITH A FOCUS ON THE ANALYSIS OF TRANSPOSABLE ELEMENTS

Genome sequence varies in numerous ways among individuals although the gross architecture is fixed for all humans. Retrotransposons create one of the most abundant structural variants in the human genome and are divided in many families, with certain members in some families, e.g., L1, Alu, SVA, and HERV-K, remaining active for transposition. Along with other types of genomic variants, retrotransponson-derived variants contribute to the whole spectrum of genome variants in humans. With the advancement of sequencing techniques, many human genomes are being sequenced at the individual level, fueling the comparative research on these variants among individuals. In this thesis, the evolution and functional impact of structural variations is examined primarily focusing on retrotransposons in the context of human evolution. The thesis comprises of three different studies on the topics that are presented in three data chapters. First, the recent evolution of all human specific AluYb members, representing the second most active subfamily of Alus, was tracked to identify their source/master copy using a novel approach. All human-specific AluYb elements from the reference genome were extracted, aligned with one another to construct clusters of similar copies and each cluster was analyzed to generate the evolutionary relationship between the members of the cluster. The approach resulted in identification of one major driver copy of all human specific Yb8 and the source copy of the Yb9 lineage. Three new subfamilies within the AluYb family – Yb8a1, Yb10 and Yb11 were also identified, with Yb11 being the youngest and most polymorphic. Second, an attempt to construct a relation between transposable elements (TEs) and tandem repeats (TRs) was made at a genome-wide scale for the first time. Upon sequence comparison, positional cross-checking and other relevant analyses, it was observed that over 20% of all TRs are derived from TEs. This result established the first connection between these two types of repetitive elements, and extends our appreciation for the impact of TEs on genomes. Furthermore, only 6% of these TE-derived TRs follow the already postulated initiation and expansion mechanisms, suggesting that the others are likely to follow a yet-unidentified mechanism. Third, by taking a combination of multiple computational approaches involving all types of genetic variations published so far including transposable elements, the first whole genome sequence of the most recent common ancestor of all modern human populations that diverged into different populations around 125,000-100,000 years ago was constructed. The study shows that the current reference genome sequence is 8.89 million base pairs larger than our common ancestor’s genome, contributed by a whole spectrum of genetic mechanisms. The use of this ancestral reference genome to facilitate the analysis of personal genomes was demonstrated using an example genome and more insightful recent evolutionary analyses involving the Neanderthal genome. The three data chapters presented in this thesis conclude that the tandem repeats and transposable elements are not two entirely distinctly isolated elements as over 20% TRs are actually derived from TEs. Certain subfamilies of TEs themselves are still evolving with the generation of newer subfamilies. The evolutionary analyses of all TEs along with other genomic variants helped to construct the genome sequence of the most recent common ancestor to all modern human populations which provides a better alternative to human reference genome and can be a useful resource for the study of personal genomics, population genetics, human and primate evolution.

Classes Alléliques d’Haplotypes et Sélection Positive dans le Génome Humain

L'identification de régions génomiques cibles de la sélection naturelle positive permet de mieux comprendre notre passé évolutif et de trouver des variants génétiques fonctionnels importants. Puisque la fréquence des allèles sélectionnés augmente dans la population, la sélection laisse des traces sur les séquences d'ADN et ces empreintes sont détectées lorsque la variabilité génétique d'une région est différente de celle attendue sous neutralité sélective. On propose une nouvelle approche pour analyser les données de polymorphismes : le calcul des classes alléliques d’haplotypes (HAC), permettant d'évaluer la diversité globale des haplotypes en étudiant leur composition allélique. L'idée de l'approche est de déterminer si un site est sous sélection positive récente en comparant les distributions des HAC obtenues pour les deux allèles de ce site. Grâce à l'utilisation de données simulées, nous avons étudié ces distributions sous neutralité et sous sélection en testant l'effet de différents paramètres populationnels. Pour tester notre approche empiriquement, nous avons analysé la variation génétique au niveau du gène de lactase dans les trois populations inclues dans le projet HapMap.

Le peuplement fondateur de la région de Lotbinière et ses conséquences démogénétiques

Un effet fondateur survient lorsqu’un petit nombre d’immigrants forment une nouvelle population et qu’ainsi les descendants ont une majorité de gènes provenant de ces quelques ancêtres. L’effet fondateur québécois, qui résulte de l’établissement de quelques milliers d’immigrants français aux XVIIe et XVIIIe siècles, est bien documenté. Mais des effets fondateurs régionaux ont aussi été identifiés. Ce mémoire de maîtrise vise à déterminer si un effet fondateur régional est à l’oeuvre dans la région de Lotbinière (Chaudière-Appalaches), dont le peuplement initial remonte à la fin du XVIIe siècle. Le fichier BALSAC et le Registre de la population du Québec ancien ont permis de constituer deux groupes de descendants, 715 individus mariés à la fin du XVIIIe siècle, et 60 autres mariés à la fin du XXe siècle. Par généalogies ascendantes et descendantes, les fondateurs immigrants et régionaux de la région ont par la suite été identifiés. Les résultats indiquent que l’effet fondateur régional avait encore une forte empreinte chez le groupe de descendants du XVIIIe siècle, mais que l’impact s’atténue en ce qui concerne les descendants contemporains. L’homogénéité démontrée par les coefficients d’apparentement et l’indice de contribution génétique uniforme, le petit nombre de fondateurs régionaux et le fait que 65 % des gènes contemporains étaient déjà introduits en 1800 sont des signes qui pointent vers un effet fondateur régional. Par contre, le nonisolement de la région, la proportion modérée de gènes contemporains introduits par les premiers fondateurs régionaux et les niveaux de consanguinité semblables aux autres régions du centre du Québec, incitent à nuancer cette conclusion. En fait, il y a possiblement deux Lotbinière : le Lotbinière ancien, sur la rive et le Lotbinière nouveau, dans les terres; chacun ayant son pool génique et son historique de peuplement propre.

Phylogéographie comparée d’un système multitrophique : les parasitoïdes du genre Horismenus spp. ont-ils échappé au processus de domestication du haricot au Mexique?

Cette étude vise à comparer l’histoire évolutive des parasitoïdes du genre Horismenus (Hymenoptera: Eulophidae) à celle de leurs hôtes bruches (Coleoptera: Bruchidae) et plante hôte (Phaseolus vulgaris L.) cultivée dans le contexte d’agriculture traditionnelle, au sein de son centre de domestication Mésoaméricain. Nous avons analysé la structure génétique de 23 populations de quatre espèces de parasitoïdes au Mexique, en utilisant un fragment du gène mitochondrial COI afin de les comparer aux structures précédemment publiées des hôtes bruches et du haricot commun. Nous avons prédit que les structures génétiques des populations d’hôtes (bruches et plante) et de parasitoïdes seraient similaires puisque également influencées par la migration entremise par l’humain (HMM) étant donnée que les parasitoïdes se développent telles que les bruches à l’intérieur des haricots. Compte tenu des stratégies de manipulation reproductive utilisées par l’alpha-protéobactérie endosymbionte Wolbachia spp. pour assurer sa transmission, la structure génétique des populations de parasitoïdes inférée à partir du génome mitochondrial devrait être altérée conséquemment à la transmission conjointe des mitochondries et des bactéries lors de la propagation de l’infection dans les populations de parasitoïdes. Les populations du parasitoïde H. missouriensis sont infectées par Wolbachia spp. Tel que prédit, ces populations ne sont pas différenciées (FST = 0,06), ce qui nous empêche d’inférer sur une histoire évolutive parallèle. Contrairement aux bruches, Acanthoscelides obtectus et A. ovelatus, la HMM n'est pas un processus contemporain qui influence la structure génétique des populations du parasitoïde H. depressus, étant donné la forte différenciation (FST = 0,34) qui existe entre ses populations. La structure génétique observée chez H. depressus est similaire à celle de sa plante hôte (i.e. dispersion aléatoire historique à partir d'un pool génique ancestral très diversifié) et est probablement le résultat d’un flux génique important en provenance des populations de parasitoïdes associées aux haricots spontanées à proximité des champs cultivés. L’étude de l’histoire évolutive intégrant plusieurs niveaux trophiques s’est avérée fructueuse dans la détection des différentes réponses évolutives entre les membres du module trophique face aux interactions humaines et parasitaires, et montre la pertinence d’analyser les systèmes écologiques dans leur ensemble.

Sélection et polymorphisme chez des grenouilles mimétiques du Pérou (Dendrobatidae)

La diversification des signaux aposématiques dans un cadre de mimétisme müllérien est un phénomène intrigant. Alors que la théorie relative à l'aposématisme et au mimétisme suggère l'évolution vers un signal aposématique unique, d'impressionnantes variations peuvent être observées entre les populations, et cela à petite échelle spatiale. Il a été supposé que la variation spatiale des pressions de sélection engendrées par différents prédateurs puisse être à l'origine de ce phénomène. Afin de tester cette hypothèse, nous avons étudié la transition entre deux systèmes géographiques caractérisés par des patrons aposématiques distincts chez des grenouilles mimétiques et toxiques du nord du Pérou (Dendrobatidae) en combinant les outils de génétique des populations aux outils écologiques. Dans chacun de ces systèmes, Ranitomeya imitator vit en sympatrie avec R. ventrimaculata ou R. variabilis. Il s'agit du principal exemple empirique suggérant que dans un cadre de mimétisme müllérien, il n'y a pas convergence des signaux aposématiques des deux espèces, mais plutôt convergence unidirectionnelle où R. imitator, étant polymorphe, imite des espèces monomorphes avec lesquelles elle est sympatrique. Premièrement, les résultats réfutent les prémisses qui suggèrent que R. imitator converge vers le signal aposématique d’une autre espèce. La haute similarité génétique entre les espèces modèles suggère qu'elles ont divergé plus récemment que les populations de R. imitator ou qu'elles sont encore connectées par du flux génique. Ces résultats indiquent que ces espèces ont été identifiées à tort comme des espèces différentes. De fait, l'identification de l'espèce imitatrice basée sur la variabilité phénotypique est invalidée dans ce système puisque R. imitator et R. variabilis/ventrimaculata démontrent la même variabilité. Deuxièmement, nos résultats démontrent que la prédation varie spatialement, autant en intensité qu'en direction, créant ainsi un paysage hétérogène de pressions de sélection. Ainsi, de fortes pressions de prédation stabilisatrice permettent le maintien de l'organisation géographique de différents signaux aposématiques et expliquent l'uniformité de ces signaux ainsi que les relations mimétiques. Par contre, le relâchement temporaire des pressions de prédation permet l'apparition de nouveaux phénotypes aposématiques via les processus évolutifs neutres, conduisant à un haut polymorphisme au niveau de ces populations. L'interaction de ces modes sélectifs nous a permis de démontrer pour la première fois comment la théorie évolutive de Wright (shifting balance theory) permet la diversification adaptative dans un système naturel. Pour conclure, cette étude a permis de mettre en évidence à quel point les systèmes de mimétisme müllérien peuvent être dynamiques. L'alternance spatiale entre les processus évolutifs neutres et la sélection naturelle permet l'émergence de nouveaux phénotypes aposématiques à une échelle locale, ainsi que l'apparition d'une organisation géographique des signaux d'avertissement et des relations de mimétisme müllérien.

Structure génétique de populations montréalaises de salamandres cendrées (Plethodon cinereus) et de salamandres à points bleus (Ambystoma laterale)

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.