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.

Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

Rôle de la topoisomérase I dans la stabilité du génome chez Escherichia coli

Les topoisomérases (topos) de type IA jouent un rôle primordial dans le maintien et l’organisation du génome. Cependant, les mécanismes par lesquels elles contrôlent cette stabilité génomique sont encore à approfondir. Chez E. coli, les deux principales topoisomérases de type IA sont la topo I (codée par le gène topA) et la topo III (codée par le gène topB). Il a déjà été montré que les cellules dépourvues des topos I et III formaient de très longs filaments dans lesquels les chromosomes ne sont pas bien séparés. Comme ces défauts de ségrégation des chromosomes sont corrigés par l’inactivation de la protéine RecA qui est responsable de la recombinaison homologue, il a été émis comme hypothèse que les topoisomérases de type IA avaient un rôle dans la résolution des intermédiaires de recombinaison afin de permettre la séparation des chromosomes. D’autre part, des études réalisées dans notre laboratoire démontrent que le rôle majeur de la topoisomérase I est d’empêcher la formation des R-loops durant la transcription, surtout au niveau des opérons rrn. Ces R-loops on été récemment identifiés comme des obstacles majeurs à l’avancement des fourches de réplication, ce qui peut provoquer une instabilité génomique. Nous avons des évidences génétiques montrant qu’il en serait de même chez nos mutants topA. Tout récemment, des études ont montré le rôle majeur de certaines hélicases dans le soutien aux fourches de réplication bloquées, mais aussi une aide afin de supprimer les R-loops. Chez E. coli, ces hélicases ont été identifiées et sont DinG, Rep et UvrD. Ces hélicases jouent un rôle dans la suppression de certains obstacles à la réplication. Le but de ce projet était de vérifier l’implication de ces hélicases chez le mutant topA en utilisant une approche génétique. Étonnamment, nos résultats montrent que la délétion de certains de ces gènes d’hélicases a pour effet de corriger plutôt que d’exacerber des phénotypes du mutants topA qui sont liés à la croissance et à la morphologie des nucléoides et des cellules. Ces résultats sont interprétés à la lumière de nouvelles fonctions attribuées aux topoisomérases de types IA dans la stabilité du génome.

Genomic architecture of sickle cell disease clinical variation in children from West Africa : a case-control study design

Contexte : L’anémie falciforme ou drépanocytose est un problème de santé important, particulièrement pour les patients d’origine africaine. La variation phénotypique de l’anémie falciforme est problématique pour le suivi et le traitement des patients. L’architecture génomique responsable de cette variabilité est peu connue. Principe : Mieux saisir la contribution génétique de la variation clinique de cette maladie facilitera l’identification des patients à risque de développer des phénotypes sévères, ainsi que l’adaptation des soins. Objectifs : L’objectif général de cette thèse est de combler les lacunes relatives aux connaissances sur l’épidémiologie génomique de l’anémie falciforme à l’aide d’une cohorte issue au Bénin. Les objectifs spécifiques sont les suivants : 1) caractériser les profils d’expressions génomiques associés à la sévérité de l’anémie falciforme ; 2) identifier des biomarqueurs de la sévérité de l’anémie falciforme ; 3) identifier la régulation génétique des variations transcriptionelles ; 4) identifier des interactions statistiques entre le génotype et le niveau de sévérité associé à l’expression ; 5) identifier des cibles de médicaments pour améliorer l’état des patients atteints d’anémie falciforme. Méthode : Une étude cas-témoins de 250 patients et 61 frères et soeurs non-atteints a été menée au Centre de Prise en charge Médical Intégré du Nourrisson et de la Femme Enceinte atteints de Drépanocytose, au Bénin entre février et décembre 2010. Résultats : Notre analyse a montré que des profils d’expressions sont associés avec la sévérité de l’anémie falciforme. Ces profils sont enrichis de génes des voies biologiques qui contribuent à la progression de la maladie : l’activation plaquettaire, les lymphocytes B, le stress, l’inflammation et la prolifération cellulaire. Des biomarqueurs transcriptionnels ont permis de distinguer les patients ayant des niveaux de sévérité clinique différents. La régulation génétique de la variation de l’expression des gènes a été démontrée et des interactions ont été identifiées. Sur la base de ces résultats génétiques, des cibles de médicaments sont proposées. Conclusion: Ce travail de thèse permet de mieux comprendre l’impact de la génomique sur la sévérité de l’anémie falciforme et ouvre des perspectives de développement de traitements ciblés pour améliorer les soins offerts aux patients.

Identification of Genomic Variants Associated with Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) in French-Canadian Population

La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale dont la pathogenèse reste obscure. Cette maladie affecte 2-4% des adolescents de 10-18 ans parmi les garçons et les filles. Il est à noter que les filles sont plus sévèrement affectées et ce en plus grand nombre que les garçons. Les études de jumeaux ont montré que les facteurs génétiques jouent un rôle important dans la scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA). Depuis 2010, les études d'association pan génomiques ont été multipliées dans les recherches, visant à trouver des gènes candidats impliqués dans la SIA à travers des examens des polymorphismes nucléotidiques (SNPs). Un test génétique nommé "ScoliScore" a été publié pour essayer de prédire la progression de courbure dans la population caucasienne. Cependant, l'association n'a pas été reproduite dans une grande étude japonaise, soulignant l'importance d'une étude de réplication dans une population caucasienne indépendante. Dans ce contexte, mon projet de maîtrise a permis de génotyper plus de 1,4 millions de SNPs dans une cohorte canadienne-française dans le but: 1) de valider l'association de ScoliScoreTM; et 2) d’identifier les variants génomiques associées à la SIA dans la population québécoise. Notre étude a montré qu’aucun des variants constituant le test ScoliScoreTM n’était associé à la SIA. Ceci suggère que l'absence d'association dans une cohorte japonaise n'est pas due à l'appartenance ethnique. Aussi, nous avons identifié des variants génomiques associés significativement à l’initiation et/ou la progression de SIA dans la population québécoise, suggérant des gènes candidats impliqués dans la pathogenèse de SIA.

Supramolecular Organization of Metal Nanoparticles in Solution and of Phenyleneethynylenes on Surfaces

Most of the procedures reported for the synthesis of metal nanoparticles involve the use of strong reducing agents or elevated temperatures. This limits the possibility of developing metal nanoparticle based sensors for the in situ detection of analytes. One of the objectives of the present investigations is to (i) develop newer methodologies for the synthesis of metal nanoparticles in aqueous medium at ambient conditions and (ii) their use in the detection of metal cations by taking advantage of the unique coordination ability. Ideally, biocompatible molecules which possess both the reducing and stabilizing groups are desirable for such applications. Formation of stable supramolecular assembly, by bringing metal nanoparticles close to each other, results in plasmon coupling and this strategy can be effectively utilized for the development of metal nanoparticle based sensors.Another objective of the present study is to understand the supramolecular organization of molecules on surfaces. Various noncovalent interactions between the molecules and with surface play a decisive role in their organizations. An in-depth understanding of these interactions is essential for device fabrications. Recent photophysical studies have revealed that phenyleneethynylene based molecular systems are ideal for device application. The second objective of the thesis focuses on understanding the (i) organization of phenyleneethynylenes on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) surface with atomic level precision and (ii) weak intermolecular interactions which drive their organization.

Novel Melt Transurethane Process for Cycloaliphatic Polyurethanes and Their Self-Organization for Nano-Materials

In this introduction part, importance has been given to the elastomeric properties of polyurethanes. Emphasis has been laid to this property based on microphase separation and how this could be modified by modifying the segment lengths, as well as the structure of the segments. Implication was also made on the mechanical and thermal properties of these copolymers based on various analytical methods usually used for characterization of polymers. A brief overview of the challenges faced by the polyurethane chemistry was also done, pointing to the fact that though polyurethane industry is more than 75 years old, still a lot of questions remain unanswered, that too mostly in the synthesis of polyurethanes. A major challenge in this industry is the utilization of more environmental friendly “Green Chemistry Routes” for the synthesis of polyurethanes which are devoid of any isocyanates or harsh solvents.The research work in this thesis was focused to develop non-isocyanate green chemical process for polyurethanes and also self-organize the resultant novel polymers into nano-materials. The thesis was focused on the following three major aspects:(i) Design and development of novel melt transurethane process for polyurethanes under non-isocyanate and solvent free melt condition. (ii) Solvent induced self-organization of the novel cycloaliphatic polyurethanes prepared by the melt transurethane process into microporous templates and nano-sized polymeric hexagons and spheres. (iii) Novel polyurethane-oligophenylenevinylene random block copolymer nano-materials and their photoluminescence properties. The second chapter of the thesis gives an elaborate discussion on the “Novel Melt Transurethane Process ” for the synthesis of polyurethanes under non-isocyanate and solvent free melt condition. The polycondensation reaction was carried out between equimolar amounts of a di-urethane monomer and a diol in the presence of a catalyst under melt condition to produce polyurethanes followed by the removal of low boiling alcohol from equilibrium. The polymers synthesized through this green chemical route were found to be soluble (devoid of any cross links), thermally stable and free from any isocyanate entities. The polymerization reaction was confirmed by various analytical techniques with specific references to the extent of reaction which is the main watchful point for any successful polymerization reaction. The mechanistic aspects of the reaction were another point of consideration for the novel polymerization route which was successfully dealt with by performing various model reactions. Since this route was successful enough in synthesizing polyurethanes with novel structures, they were employed for the solvent induced self-organization which is an important area of research in the polymer world in the present scenario. Chapter three mesmerizes the reader with multitudes of morphologies depending upon the chemical backbone structure of the polyurethane as well as on the nature and amount of various solvents employed for the self-organization tactics. The rationale towards these morphologies-“Hydrogen Bonding ” have been systematically probed by various techniques. These polyurethanes were then tagged with luminescent 0ligo(phenylene vinylene) units and the effects of these OPV blocks on the morphology of the polyurethanes were analyzed in chapter four. These blocks have resulted in the formation of novel “Blue Luminescent Balls” which could find various applications in optoelectronic devices as well as delivery vehicles.

Development of a Fully Automated Image Analysis Method for High Density cDNA and array CGH Microarray Based Genomic Studies

In this thesis, different techniques for image analysis of high density microarrays have been investigated. Most of the existing image analysis techniques require prior knowledge of image specific parameters and direct user intervention for microarray image quantification. The objective of this research work was to develop of a fully automated image analysis method capable of accurately quantifying the intensity information from high density microarrays images. The method should be robust against noise and contaminations that commonly occur in different stages of microarray development.

Functional genomics of the Drosophila melanogaster X chromosome and the role of DWnt5 during development

The collection of X chromosome insertions (PX) lethal lines, which was isolated from a screen for essential genes on the X chromosome, was characterized by means of cloning the insertion sites, mapping the sites within genomic DNA and determination of the associated reporter gene expresssion patterns. The established STS flanking the P element insertion sites were submitted to EMBL nucleotide databases and their in situ data together with the enhancer trap expression patterns have been deposited in the FlyView database. The characterized lines are now available to be used by the scientific community for a detailed analysis of the newly established lethal gene functions. One of the isolated genes on the X chromosome was the Drosophila gene Wnt5 (DWnt5). From two independent screens, one lethal and three homozygous viable alleles were recovered, allowing the identification of two distinct functions for DWnt5 in the fly. Observations on the developing nervous system of mutant embryos suggest that DWnt5 activity affects axon projection pattern. Elevated levels of DWNT5 activity in the midline cells of the central nervous system causes improper establishment and maintenance of the axonal pathways. Our analysis of the expression and mutant phenotype indicates that DWnt5 function in a process needed for proper organization of the nervous system. A second and novel function of DWnt5 is the control of the body size by regulation of the cell number rather than affecting the size of cells. Moreover, experimentally increased DWnt5 levels in a post-mitotic region of the eye imaginal disc causes abnormal cell cycle progression, resulting in additional ommatidia in the adult eye when compared to wild type. The increased cell number and the effects on the cell cycle after exposure to high DWNT5 levels is the result of a failure to downregulate cyclin B and therefore the unsuccessful establishment of a G1 arrest.

Enlarging a training set for genomic selction by imputation of un-genotyped animals in populations of varying genetic architecture

Background: The most common application of imputation is to infer genotypes of a high-density panel of markers on animals that are genotyped for a low-density panel. However, the increase in accuracy of genomic predictions resulting from an increase in the number of markers tends to reach a plateau beyond a certain density. Another application of imputation is to increase the size of the training set with un-genotyped animals. This strategy can be particularly successful when a set of closely related individuals are genotyped. ----- Methods: Imputation on completely un-genotyped dams was performed using known genotypes from the sire of each dam, one offspring and the offspring’s sire. Two methods were applied based on either allele or haplotype frequencies to infer genotypes at ambiguous loci. Results of these methods and of two available software packages were compared. Quality of imputation under different population structures was assessed. The impact of using imputed dams to enlarge training sets on the accuracy of genomic predictions was evaluated for different populations, heritabilities and sizes of training sets. ----- Results: Imputation accuracy ranged from 0.52 to 0.93 depending on the population structure and the method used. The method that used allele frequencies performed better than the method based on haplotype frequencies. Accuracy of imputation was higher for populations with higher levels of linkage disequilibrium and with larger proportions of markers with more extreme allele frequencies. Inclusion of imputed dams in the training set increased the accuracy of genomic predictions. Gains in accuracy ranged from close to zero to 37.14%, depending on the simulated scenario. Generally, the larger the accuracy already obtained with the genotyped training set, the lower the increase in accuracy achieved by adding imputed dams. ----- Conclusions: Whenever a reference population resembling the family configuration considered here is available, imputation can be used to achieve an extra increase in accuracy of genomic predictions by enlarging the training set with completely un-genotyped dams. This strategy was shown to be particularly useful for populations with lower levels of linkage disequilibrium, for genomic selection on traits with low heritability, and for species or breeds for which the size of the reference population is limited.

From Genetic Algorithms to Efficient Organization

The work described in this thesis began as an inquiry into the nature and use of optimization programs based on "genetic algorithms." That inquiry led, eventually, to three powerful heuristics that are broadly applicable in gradient-ascent programs: First, remember the locations of local maxima and restart the optimization program at a place distant from previously located local maxima. Second, adjust the size of probing steps to suit the local nature of the terrain, shrinking when probes do poorly and growing when probes do well. And third, keep track of the directions of recent successes, so as to probe preferentially in the direction of most rapid ascent. These algorithms lie at the core of a novel optimization program that illustrates the power to be had from deploying them together. The efficacy of this program is demonstrated on several test problems selected from a variety of fields, including De Jong's famous test-problem suite, the traveling salesman problem, the problem of coordinate registration for image guided surgery, the energy minimization problem for determining the shape of organic molecules, and the problem of assessing the structure of sedimentary deposits using seismic data.

Tubular Organization of SnO₂ Nanocrystallites for Improved Lithium Ion Battery Anode Performance

Porous tin oxide nanotubes were obtained by vacuum infiltration of tin oxide nanoparticles into porous aluminum oxide membranes, followed by calcination. The porous tin oxide nanotube arrays so prepared were characterized by FE-SEM, TEM, HRTEM, and XRD. The nanotubes are open-ended, highly ordered with uniform cross-sections, diameters and wall thickness. The tin oxide nanotubes were evaluated as a substitute anode material for the lithium ion batteries. The tin oxide nanotube anode could be charged and discharged repeatedly, retaining a specific capacity of 525 mAh/g after 80 cycles. This capacity is significantly higher than the theoretical capacity of commercial graphite anode (372 mAh/g) and the cyclability is outstanding for a tin based electrode. The cyclability and capacities of the tin oxide nanotubes were also higher than their building blocks of solid tin oxide nanoparticles. A few factors accounting for the good cycling performance and high capacity of tin oxide nanotubes are suggested.

Carpe Diem: Establish an Institutional Repository for Your Organization

An interesting article about repositories.