Highly parallel genetic approaches in Mendelian and complex diseases

The recent advance in high-throughput sequencing and genotyping protocols allows rapid investigation of Mendelian and complex diseases on a scale not previously been possible. In my thesis research I took advantage of these modern techniques to study retinitis pigmentosa (RP), a rare inherited disease characterized by progressive loss of photoreceptors and leading to blindness; and hypertension, a common condition affecting 30% of the adult population. Firstly, I compared the performance of different next generation sequencing (NGS) platforms in the sequencing of the RP-linked gene PRPF31. The gene contained a mutation in an intronic repetitive element, which presented difficulties for both classic sequencing methods and NGS. We showed that all NGS platforms are powerful tools to identify rare and common DNA variants, also in case of more complex sequences. Moreover, we evaluated the features of different NGS platforms that are important in re-sequencing projects. The main focus of my thesis was then to investigate the involvement of pre-mRNA splicing factors in autosomal dominant RP (adRP). I screened 5 candidate genes in a large cohort of patients by using long-range PCR as enrichment step, followed by NGS. We tested two different approaches: in one, all target PCRs from all patients were pooled and sequenced as a single DNA library; in the other, PCRs from each patient were separated within the pool by DNA barcodes. The first solution was more cost-effective, while the second one allowed obtaining faster and more accurate results, but overall they both proved to be effective strategies for gene screenings in many samples. We could in fact identify novel missense mutations in the SNRNP200 gene, encoding an essential RNA helicase for splicing catalysis. Interestingly, one of these mutations showed incomplete penetrance in one family with adRP. Thus, we started to study the possible molecular causes underlying phenotypic differences between asymptomatic and affected members of this family. For the study of hypertension, I joined a European consortium to perform genome-wide association studies (GWAS). Thanks to the use of very informative genotyping arrays and of phenotipically well-characterized cohorts, we could identify a novel susceptibility locus for hypertension in the promoter region of the endothelial nitric oxide synthase gene (NOS3). Moreover, we have proven the direct causality of the associated SNP using three different methods: 1) targeted resequencing, 2) luciferase assay, and 3) population study. - Le récent progrès dans le Séquençage à haut Débit et les protocoles de génotypage a permis une plus vaste et rapide étude des maladies mendéliennes et multifactorielles à une échelle encore jamais atteinte. Durant ma thèse de recherche, j'ai utilisé ces nouvelles techniques de séquençage afin d'étudier la retinite pigmentale (RP), une maladie héréditaire rare caractérisée par une perte progressive des photorécepteurs de l'oeil qui entraine la cécité; et l'hypertension, une maladie commune touchant 30% de la population adulte. Tout d'abord, j'ai effectué une comparaison des performances de différentes plateformes de séquençage NGS (Next Generation Sequencing) lors du séquençage de PRPF31, un gène lié à RP. Ce gène contenait une mutation dans un élément répétable intronique, qui présentait des difficultés de séquençage avec la méthode classique et les NGS. Nous avons montré que les plateformes de NGS analysées sont des outils très puissants pour identifier des variations de l'ADN rares ou communes et aussi dans le cas de séquences complexes. De plus, nous avons exploré les caractéristiques des différentes plateformes NGS qui sont importantes dans les projets de re-séquençage. L'objectif principal de ma thèse a été ensuite d'examiner l'effet des facteurs d'épissage de pre-ARNm dans une forme autosomale dominante de RP (adRP). Un screening de 5 gènes candidats issus d'une large cohorte de patients a été effectué en utilisant la long-range PCR comme étape d'enrichissement, suivie par séquençage avec NGS. Nous avons testé deux approches différentes : dans la première, toutes les cibles PCRs de tous les patients ont été regroupées et séquencées comme une bibliothèque d'ADN unique; dans la seconde, les PCRs de chaque patient ont été séparées par code barres d'ADN. La première solution a été la plus économique, tandis que la seconde a permis d'obtenir des résultats plus rapides et précis. Dans l'ensemble, ces deux stratégies se sont démontrées efficaces pour le screening de gènes issus de divers échantillons. Nous avons pu identifier des nouvelles mutations faux-sens dans le gène SNRNP200, une hélicase ayant une fonction essentielle dans l'épissage. Il est intéressant de noter qu'une des ces mutations montre une pénétrance incomplète dans une famille atteinte d'adRP. Ainsi, nous avons commencé une étude sur les causes moléculaires entrainant des différences phénotypiques entre membres affectés et asymptomatiques de cette famille. Lors de l'étude de l'hypertension, j'ai rejoint un consortium européen pour réaliser une étude d'association Pangénomique ou genome-wide association study Grâce à l'utilisation de tableaux de génotypage très informatifs et de cohortes extrêmement bien caractérisées au niveau phénotypique, un nouveau locus lié à l'hypertension a été identifié dans la région promotrice du gène endothélial nitric oxide sinthase (NOS3). Par ailleurs, nous avons prouvé la cause directe du SNP associé au moyen de trois méthodes différentes: i) en reséquençant la cible avec NGS, ii) avec des essais à la luciférase et iii) une étude de population.

Cultural self-identification(s) and personal social networks among first and second-generation immigrants

L’estudi examina les relacions entre (1) les xarxes socials personals de la població immigrant resident a Barcelona i (2) les seves identitats culturals múltiples. L’objectiu principal de l’estudi és entendre com el contingut i l’estructura de les relacions socials dels immigrants facilita o dificulta (1) tenir un sentiment de pertinença a les noves cultures d’acollida, la catalana i la espanyola, i (2) la integració d’aquestes noves identitats socioculturals amb la seva identitat d’origen en una nova identitat bicultural cohesiva. El nostre plantejament inicial era que els immigrants amb xarxes socials més diverses des del punt de vista de la seva composició cultural tindrien més recursos socials i experiències cognitives més diverses , factors que afavoreixen les identificacions múltiples i la participació cívica. Els resultats de l’estudi mostren que el grau d’identificació dels participants amb la seva cultura ètnica o d’origen és força alt i, en certa mesura, més alt en comparació amb les cultures d’acollida ( catalana, cívica i espanyola). Tanmateix, el vincle dels participants amb les cultures d’acollida (p. ex., la cultura catalana) és prou rellevant per a indicar una orientació bicultural (catalana i ètnica). Les anàlisis de correlacions revelen que sentir-se català no impedeix sentir-se part de la comunitat etnocultural d’origen. A més, existeix una interrelació entre l'orientació cultural catalana i la identificació amb les comunitats cíviques locals. De la mateixa manera, tenir competències en llengua catalana no va en detriment de les competències en llengua castellana. Les anàlisis també mostren que factors com l’orientació cultural catalana, l’ús del català i la identificació amb la cultura catalana tenen una correlació positiva amb el grau de chohesio de la indentitat bicultural, afavoreixen el benestar psicològic i disminueixen l’estrès aculturatiu. L’anàlisi de les xarxes socials mostra que la identificació amb la cultura catalana, l’orientació cultural catalana i la integració de la identitat són factors clau per tenir xarxes socials més diverses des del punt de vista ètnic i lingüístic, amb menys membres del col•lectiu d’origen, i amb subgrups o “cliques” culturalment més heterogenis. La identificació espanyola també prediu, en mesura més reduïda, la diversitat de les xarxes. Els nostres resultats contribueixen a la recerca actual i les teories sobre interculturalitat i identitat cultural.

Automatic generation of active coordinates for quantum dynamics calculations: application to the dynamics of benzene photochemistry

A new practical method to generate a subspace of active coordinates for quantum dynamics calculations is presented. These reduced coordinates are obtained as the normal modes of an analytical quadratic representation of the energy difference between excited and ground states within the complete active space self-consistent field method. At the Franck-Condon point, the largest negative eigenvalues of this Hessian correspond to the photoactive modes: those that reduce the energy difference and lead to the conical intersection; eigenvalues close to 0 correspond to bath modes, while modes with large positive eigenvalues are photoinactive vibrations, which increase the energy difference. The efficacy of quantum dynamics run in the subspace of the photoactive modes is illustrated with the photochemistry of benzene, where theoretical simulations are designed to assist optimal control experiments

Role of ATH5 in the specification of retinal ganglion cells and expression and cell compartmentalization of EFEMP1, a protein associated with Malattia Leventinese

ABSTRACT : The development of the retina is a very complex process, occurring through the progressive restriction of cell fates, from pluripotent cell populations to complex tissues and organs. In all vertebrate species analyzed so far, retinal differentiation starts with the generation of retinal ganglion cells (RGC)s. One of the documented key essential events in the specification of RGCs is the expression of ATHS, an atonal homolog encoding a bHLH transcription factor. Despite the putative role of master regulator of RGC differentiation, the mechanism of integrating its functions into a coherent program underlying the production of this subclass of retinal neurons has not yet been elucidated. By using chromatin immunoprecipitation combined with microarray (ChIP-on-chip) we have screened for ATH5 direct targets in the developing chick retina at two consecutive periods: E3.5 (stage HH22) and E6 (stage HH30), covering the stages of progenitor proliferation, neuroepithelium patterning, RGC specification, cell cycle exit and early neuronal differentiation. In parallel, complementary analysis with Affymetrix expression microarrays was conducted. We compared RGCs versus retina to see if the targets correspond to genes preferentially expressed in RGCs. We also precociously overexpressed ATH5 in the retina of individual embryo, and contralateral retina vas used as a control. Our integrated approach allowed us to establish a compendium of ATH5-targets and enabled us to position ATH5 in the transcription network underlying neurogenesis in the retina. Malattia Leventinese (ML) is an autosomal, dominant retinal dystrophy characterized by extracellular, amorphous deposits known as drusen, between the retinal pigment epithelium (RPE) and Bruch's membrane. On the genetic level, it has been associated with a single missense mutation (R345W) in a widely expressed gene with unknown function called EFEMP1. We determined expression patterns of the EFEMP1 gene in normal and ML human retinas. Our data shown that the upregulation of EFEMP1 is not specific to ML eye, except for the region of the ciliary body. We also analyzed the cell compartmentalization of different versions of the protein (both wild type and mutant). Our studies indicate that both abnormal expression of the EFEMP1 gene and mutation and accumulation of EFEMP 1 protein (inside or outside the cells) might contribute to the ML pathology. Résumé : 1er partie : L'ontogenèse de la rétine est un processus complexe au cours duquel des cellules progénitrices sont engagée, par vagues successives, dans des lignées où elles vont d'abord être déterminées puis vont se différencier pour finalement construire un tissu rétinien composé de cinq classes de neurones (les photorécepteurs, les cellules horizontales, bipolaires, amacrines et ganglionnaires) et d'une seule de cellules gliales (les cellules de Muller). Chez tous les vertébrés, la neurogenèse rétinienne est d'abord marquée par la production des cellules ganglionnaires (RGCs). La production de cette classe de neurone est liée à l'expression du gène ATH5 qui est un homologue du gène atonal chez la Drosophile et qui code pour un facteur de transcription de la famille des protéines basic Helix-Loop-Helix (bHLH). Malgré le rôle central que joue ATH5 dans la production des RGCs, le mécanisme qui intègre la fonction de cette protéine dans le programme de détermination neuronale et ceci en relation avec le développement de la rétine n'est pas encore élucidé. Grâce à une technologie qui permet de combiner la sélection de fragments de chromatine liant ATH5 et la recherche de séquences grâce à des puces d'ADN non-codants (ChIP-on-chip), nous avons recherché des cibles potentielles de la protéine ATH5 dans la rétine en développement. Nous avons conduit cette recherche à deux stades de développement de manière à englober la phase de prolifération cellulaire, la détermination des RGCs, la sortie du cycle cellulaire ainsi que les premières étapes de la différentiation de ces neurones. Des expériences complémentaires nous ont permis de définir les patrons d'expression des gènes sélectionnés ainsi que l'activité promotrice des éléments de régulation identifiés lors de notre criblage. Ces approches expérimentales diverses et complémentaires nous ont permis de répertorier des gènes cibles de la protéine ATH5 et d'établir ainsi des liens fonctionnels entre des voies métaboliques dont nous ne soupçonnions pas jusqu'alors qu'elles puissent être associées à la production d'une classe de neurones centraux. 2ème partie : Malattia Leventinese (ML) est une maladie génétique qui engendre une dystrophie de la rétine. Elle se caractérise par l'accumulation de dépôt amorphe entre l'épithélium pigmentaire et la membrane de Bruch et connu sous le nom de drusen. Cette maladie est liée à une simple mutation non-sens (R345W) dans un gène dénommé EFEMP1 qui est exprimé dans de nombreux tissus mais dont la fonction reste mal définie. Une étude détaillée de l'expression de ce gène dans des rétines humaines a révélé une expression à un niveau élevé du gène EFEMP1 dans divers tissus de l'oeil ML mais également dans des yeux contrôles. Alors que l'accumulation d'ARN messager EFEMP1 dans les cellules de l'épithélium pigmentaire n'est pas spécifique à ML, l'expression de ce gène dans le corps cilié n'a été observée que dans l'oeil ML. Nous avons également comparé la sécrétion de la protéine sauvage avec celle porteuse de la mutation. En résumé, notre étude révèle que le niveau élevé d'expression du gène EFEMP1 ainsi que l'accumulation de la protéine dans certains compartiments cellulaires pourraient contribuer au développement de pathologies rétiniennes liées à ML.

Cloud code test IDE

L'objectiu principal d'aquest projecte final de carrera consisteix en desenvolupar una aplicació web que oferisca un entorn simplificat de desenvolupament integrat (IDE) en el llenguatge C/C++, on els estudiants de batxillerat (o secundària en general) puguen iniciar-se en el seu estudi. La finalitat és proveir un entorn agradable a l'alumnat perquè puga seguir correctament les pràctiques que proposa el professor independentment de les circumstàncies pròpies d'aquest (ubicació temporal o permanentde l'alumnat, sistema operatiu que utilitza, dispositiu emprat per a fer les pràctiques, etc..).

Towards a new combination therapy for tuberculosis with next generation benzothiazinones.

The benzothiazinone lead compound, BTZ043, kills Mycobacterium tuberculosis by inhibiting the essential flavo-enzyme DprE1, decaprenylphosphoryl-beta-D-ribose 2-epimerase. Here, we synthesized a new series of piperazine-containing benzothiazinones (PBTZ) and show that, like BTZ043, the preclinical candidate PBTZ169 binds covalently to DprE1. The crystal structure of the DprE1-PBTZ169 complex reveals formation of a semimercaptal adduct with Cys387 in the active site and explains the irreversible inactivation of the enzyme. Compared to BTZ043, PBTZ169 has improved potency, safety and efficacy in zebrafish and mouse models of tuberculosis (TB). When combined with other TB drugs, PBTZ169 showed additive activity against M. tuberculosis in vitro except with bedaquiline (BDQ) where synergy was observed. A new regimen comprising PBTZ169, BDQ and pyrazinamide was found to be more efficacious than the standard three drug treatment in a murine model of chronic disease. PBTZ169 is thus an attractive drug candidate to treat TB in humans.

Generation of mouse-induced pluripotent stem cells by transient expression of a single nonviral polycistronic vector

Induced pluripotent stem (iPS) cells have generated keen interestdue to their potential use in regenerative medicine. They havebeen obtained from various cell types of both mice and humans byexogenous delivery of different combinations of Oct4, Sox2, Klf4,c-Myc, Nanog, and Lin28. The delivery of these transcription factorshas mostly entailed the use of integrating viral vectors (retrovirusesor lentiviruses), carrying the risk of both insertional mutagenesisand oncogenesis due to misexpression of these exogenousfactors. Therefore, obtaining iPS cells that do not carry integratedtransgene sequences is an important prerequisite for their eventualtherapeutic use. Here we report the generation of iPS cell linesfrom mouse embryonic fibroblasts with no evidence of integrationof the reprogramming vector in their genome, achieved by nucleofectionof a polycistronic construct coexpressing Oct4, Sox2, Klf4,and c-Myc