Genetics of inherited small vessel diseases – in search of a novel small vessel disease and modifiers of the clinical course of CADASIL

The genetic and environmental risk factors of vascular cognitive impairment are still largely unknown. This thesis aimed to assess the genetic background of two clinically similar familial small vessel diseases (SVD), CADASIL (Cerebral Autosomal Dominant Arteriopathy with Subcortical Infarcts and Leukoencephalopathy) and Swedish hMID (hereditary multi-infarct dementia of Swedish type). In the first study, selected genetic modifiers of CADASIL were studied in a homogenous Finnish CADASIL population of 134 patients, all carrying the p.Arg133Cys mutation in NOTCH3. Apolipoprotein E (APOE) genotypes, angiotensinogen (AGT) p.Met268Thr polymorphism and eight NOTCH3 polymorphisms were studied, but no associations between any particular genetic variant and first-ever stroke or migraine were seen. In the second study, smoking, statin medication and physical activity were suggested to be the most profound environmental differences among the monozygotic twins with CADASIL. Swedish hMID was for long misdiagnosed as CADASIL. In the third study, the CADASIL diagnosis in the Swedish hMID family was ruled out on the basis of genetic, radiological and pathological findings, and Swedish hMID was suggested to represent a novel SVD. In the fourth study, the gene defect of Swedish hMID was then sought using whole exome sequencing paired with a linkage analysis. The strongest candidate for the pathogenic mutation was a 3’UTR variant in the COL4A1 gene, but further studies are needed to confirm its functionality. This study provided new information about the genetic background of two inherited SVDs. Profound knowledge about the pathogenic mutations causing familial SVD is also important for correct diagnosis and treatment options.

Genetics of amyotrophic lateral sclerosis

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est la maladie des neurones moteurs la plus fréquente, affectant 4-6 individus par 100,000 habitants à l’échelle mondiale. La maladie se caractérise par une faiblesse et une atrophie musculaire suite à la dégénérescence des neurones du cortex moteur, tronc cérébral et moelle épinière. Les personnes atteintes développent les premiers symptômes à l’âge adulte et la maladie progresse sur une période de trois à cinq ans. Il a été répertorié qu’environ 10% des patients ont une histoire familiale de SLA; 90% des gens affectés le sont donc de façon sporadique. La découverte il y a 19 ans de mutations dans le gène zinc/copper superoxide dismutase (SOD1), présentes dans 15-20% des cas familiaux de SLA et environ 2% du total des individus affectés, a été l’événement déclencheur pour la découverte de variations génétiques responsables de la maladie. La recherche sur la génétique de la SLA a connu une progression rapide ces quatre dernières années avec l’identification de mutations dans de nouveaux gènes. Toutefois, même si certains de ces gènes ont été démontrés comme réellement liés à la maladie, la contribution d’autres gènes demeure incertaine puisque les résultats publiés de ceux-ci n’ont pas, à ce jour, été répliqués. Une portion substantielle de cas reste cependant à être génétiquement expliquée, et aucun traitement à ce jour n’a été démontré comme étant efficace pour remédier, atténuer ou prévenir la maladie. Le but du projet de recherche de doctorat était d’identifier de nouveaux gènes mutés dans la SLA, tout en évaluant la contribution de gènes nouvellement identifiés chez une importante cohorte multiethnique de cas familiaux et sporadiques. Les résultats présentés sont organisés en trois sections différentes. Dans un premier temps, la contribution de mutations présentes dans le gène FUS est évaluée chez les patients familiaux, sporadiques et juvéniles de SLA. Précisément, de nouvelles mutations sont rapportées et la proportion de mutations retrouvées chez les cas familiaux et sporadiques de SLA est évaluée. De plus, une nouvelle mutation est rapportée dans un cas juvénile de SLA; cette étude de cas est discutée. Dans un deuxième temps, de nouvelles avenues génétiques sont explorées concernant le gène SOD1. En effet, une nouvelle mutation complexe est rapportée chez une famille française de SLA. De plus, la possibilité qu’une mutation présente dans un autre gène impliqué dans la SLA ait un impact sur l’épissage du gène SOD1 est évaluée. Finalement, la dernière section explique la contribution de nouveaux gènes candidats chez les patients atteints de SLA. Spécifiquement, le rôle des gènes OPTN, SIGMAR1 et SORT1 dans le phénotype de SLA est évalué. Il est souhaité que nos résultats combinés avec les récents développements en génétique et biologie moléculaire permettent une meilleure compréhension du mécanisme pathologique responsable de cette terrible maladie tout en guidant le déploiement de thérapies suite à l’identification des cibles appropriées.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

Addition of exogenous polypeptides on the mammalian reovirus outer capsid using reverse genetics

Addition of exogenous peptide sequences on viral capsids is a powerful approach to study the process of viral infection or to retarget viruses toward defined cell types. Until recently, it was not possible to manipulate the genome of mammalian reovirus and this was an obstacle to the addition of exogenous sequence tags onto the capsid of a replicating virus. This obstacle has now been overcome by the advent of the plasmid-based reverse genetics system. In the present study, reverse genetics was used to introduce different exogenous peptides, up to 40 amino acids long, at the carboxyl-terminal end of the σ1 outer capsid protein. The tagged viruses obtained were infectious, produce plaques of similar size, and could be easily propagated at hight titers. However, attempts to introduce a 750 nucleotides-long sequence failed, even when it was added after the stop codon, suggesting a possible size limitation at the nucleic acid level.

On the use of principal components in contemporany population genetics: a case study

In human Population Genetics, routine applications of principal component techniques are often required. Population biologists make widespread use of certain discrete classifications of human samples into haplotypes, the monophyletic units of phylogenetic trees constructed from several single nucleotide bimorphisms hierarchically ordered. Compositional frequencies of the haplotypes are recorded within the different samples. Principal component techniques are then required as a dimension-reducing strategy to bring the dimension of the problem to a manageable level, say two, to allow for graphical analysis. Population biologists at large are not aware of the special features of compositional data and normally make use of the crude covariance of compositional relative frequencies to construct principal components. In this short note we present our experience with using traditional linear principal components or compositional principal components based on logratios, with reference to a specific dataset

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

A orientação homossexual e as investigações acerca da existência de componentes biológicos e genéticos determinantes; The homosexual orientation and investigations about the existence of components biological and genetics determinants

The male and female homosexual orientation has substantial prevalence in humans and can be explained by determinants of various levels: biological, genetic, psychological, social and cultural. However, the biological and genetic evidence have been the main hypotheses tested in scientific research in the world. This article aims to review research studies about the existence of genetic and biological evidence that determine homosexual orientation. Was conducted a review of the literature, using the database MedLine/PubMed and Google scholar. The papers and books were searched in Portuguese and English, using the following keywords: sexual orientation, sexual behavior, homosexuality, developmental Biology and genetics. Was selected papers of the last 22 years. Were found five main theories about the biological components: (1) fraternal birth order, (2) brain androgenization and 2D:4D ratio; (3) brain activation by pheromones; and (4) epigenetic inheritance; and four theories about the genetic components: (1) genetic polymorphism; (2) pattern of X-linked inheritance; (3) monozygotic twins; and (4) sexual antagonistic selection. Concluded that there were many scientific evidence found over time to explain some of biological and genetic components of homosexuality, especially in males. However, today, there is no definitive explanation about what are the determinants of homosexual orientation components.

CD27 mediates interleukin-2-independent clonal expansion of the CD8+ T cell without effector differentiation

The clonal expansion of antigen-specific CD8+ T cells in response to microbial infections is essential for adaptive immunity. Although IL-2 has been considered to be primarily responsible for this process, quantitatively normal expansion occurs in the absence of IL-2 receptor signaling. Here, we show that ligating CD27 on CD8+ T cells that have been stimulated through the T cell receptor causes their expansion in the absence of IL-2 by mediating two distinct cellular processes: enhancing cell cycling and promoting cell survival by maintaining the expression of IL-7 receptor alpha. This pathway for clonal expansion of the CD8+ T cell is not associated with the development of a capacity either for production of IFN-gamma or for cytotoxic T lymphocyte function and, therefore, is uncoupled from differentiation. Furthermore, ligating CD27 increases the threshold concentration at which IL-2 induces IFN-gamma-producing capability by the CD8+ T cell, suggesting that CD27 signaling may suppress effector differentiation. Finally, CD8+ T cells that have been stimulated by the TCR/CD27 pathway maintain their capacity for subsequent expansion and effector differentiation in response to a viral challenge in vivo. Thus, the TCR/CD27 pathway enables the CD8+ T cell to replicate by a process of self-renewal, which may contribute to the continuous generation of new effector CD8+ T cells in persistent viral infections.

A novel parallel approach to the likelihood-based estimation of admixture in population genetics

Inferring population admixture from genetic data and quantifying it is a difficult but crucial task in evolutionary and conservation biology. Unfortunately state-of-the-art probabilistic approaches are computationally demanding. Effectively exploiting the computational power of modern multiprocessor systems can thus have a positive impact to Monte Carlo-based simulation of admixture modeling. A novel parallel approach is briefly described and promising results on its message passing interface (MPI)-based C implementation are reported.

100 years on: a century of genetics

In 2006 we celebrated the centenary of a remarkable year that saw the birth of genetics as a scientific discipline. This birth had its origins in horticulture and was supervised by a remarkable Cambridge academic, accompanied by a loyal group of female colleagues who worked together in underfunded conditions with little institutional support. Despite this deprivation, they established the foundations of an ongoing revolution, with huge academic and commercial consequences that we can recognize today in the shape of genomics and its application to biomedicine.

Domestication of plants in the americas: Insights from mendelian and molecular genetics

Background Plant domestication occurred independently in four different regions of the Americas. In general, different species were domesticated in each area, though a few species were domesticated independently in more than one area. The changes resulting from human selection conform to the familiar domestication syndrome, though different traits making up this syndrome, for example loss of dispersal, are achieved by different routes in crops belonging to different families. Genetic and Molecular Analyses of Domestication Understanding of the genetic control of elements of the domestication syndrome is improving as a result of the development of saturated linkage maps for major crops, identification and mapping of quantitative trait loci, cloning and sequencing of genes or parts of genes, and discoveries of widespread orthologies in genes and linkage groups within and between families. As the modes of action of the genes involved in domestication and the metabolic pathways leading to particular phenotypes become better understood, it should be possible to determine whether similar phenotypes have similar underlying genetic controls, or whether human selection in genetically related but independently domesticated taxa has fixed different mutants with similar phenotypic effects. Conclusions Such studies will permit more critical analysis of possible examples of multiple domestications and of the origin(s) and spread of distinctive variants within crops. They also offer the possibility of improving existing crops, not only major food staples but also minor crops that are potential export crops for developing countries or alternative crops for marginal areas.

The Bayesian revolution in genetics

Bayesian statistics allow scientists to easily incorporate prior knowledge into their data analysis. Nonetheless, the sheer amount of computational power that is required for Bayesian statistical analyses has previously limited their use in genetics. These computational constraints have now largely been overcome and the underlying advantages of Bayesian approaches are putting them at the forefront of genetic data analysis in an increasing number of areas.

Modulation of interleukin signalling and gene expression in cardiac myocytes by endothelin-1

The related inflammatory cytokines, interleukin- (IL-) 1β and IL-33, are both implicated in the response of the heart to injury. They also activate mitogen-activated protein kinases (MAPKs) in cardiac myocytes. The hypertrophic Gq protein-coupled receptor agonist endothelin-1 is a potentially cardioprotective peptide and may modulate the inflammatory response. Endothelin-1 also stimulates (MAPKs) in cardiac myocytes and promotes rapid changes in expression of mRNAs encoding intercellular and intracellular signalling components including receptors for IL-33 (ST2) and phosphoprotein phosphatases. Prior exposure to endothelin-1 may specifically modulate the response to IL-33 and, more globally, influence MAPK activation by different stimuli. Neonatal rat ventricular myocytes were exposed to IL-1β or IL-33 with or without pre-exposure to endothelin-1 (5 h) and MAPK activation assessed. IL-33 activated ERK1/2, JNKs and p38-MAPK, but to a lesser degree than IL-1β. Endothelin-1 increased expression of soluble IL-33 receptors (sST2 receptors) which may prevent binding of IL-33 to the cell-surface receptors. However, pretreatment with endothelin-1 only inhibited activation of p38-MAPK by IL-33 with no significant influence on ERK1/2 and a small increase in activation of JNKs. Inhibition of p38-MAPK signalling following pretreatment with endothelin-1 was also detected with IL-1β, H2O2 or tumour necrosis factor α (TNFα) indicating an effect intrinsic to the signalling pathway. Endothelin-1 pretreatment suppressed the increase in expression of IL-6 mRNA induced by IL-1β and decreased the duration of expression of TNFα mRNA. Coupled with the general decrease in p38-MAPK signalling, we conclude that endothelin-1 attenuates the cardiac myocyte inflammatory response, potentially to confer cardioprotection.

The early transcriptomic response to interleukin 1β and interleukin 33 in rat neonatal cardiomyocytes

In the heart, inflammatory cytokines including interleukin (IL) 1β are implicated in regulating adaptive and maladaptive changes, whereas IL33 negatively regulates cardiomyocyte hypertrophy and promotes cardioprotection. These agonists signal through a common co-receptor but, in cardiomyocytes, IL1β more potently activates mitogen-activated protein kinases and NFκB, pathways that regulate gene expression. We compared the effects of external application of IL1β and IL33 on the cardiomyocyte transcriptome. Neonatal rat cardiomyocytes were exposed to IL1β or IL33 (0.5, 1 or 2h). Transcriptomic profiles were determined using Affymetrix rat genome 230 2.0 microarrays and data were validated by quantitative PCR. IL1β induced significant changes in more RNAs than IL33 and, generally, to a greater degree. It also had a significantly greater effect in downregulating mRNAs and in regulating mRNAs associated with selected pathways. IL33 had a greater effect on a small, select group of specific transcripts. Thus, differences in intensity of intracellular signals can deliver qualitatively different responses. Quantitatively different responses in production of receptor agonists and transcription factors may contribute to qualitative differences at later times resulting in different phenotypic cellular responses.