Cadmium hyperaccumulation and genetic differentiation of Thlaspi caerulescens populations

Although the knowledge on heavy metal hyperaccumulation mechanisms is increasing, the genetic basis of cadmium (Cd) hyperaccurnulation remains to be elucidated. Thlaspi caerulescens is an attractive model since Cd accumulation polymorphism observed in this species suggests genetic differences between populations with low versus high Cd hyperaccumulation capacities. In our study, a methodology is proposed to analyse at a regional scale the genetic differentiation of T. caerulescens natural populations in relation to Cd hyperaccumulation capacity while controlling for different environmental, soil, plant parameters and geographic origins of populations. Twenty-two populations were characterised with AFLP markers and cpDNA polymorphism. Over all loci, a partial Mantel test showed no significant genetic structure with regard to the Cd hyperaccumulation capacity. Nevertheless, when comparing the marker variation to a neutral model, seven AFLP fragments (9% of markers) were identified as presenting particularly high genetic differentiation between populations with low and high Cd hyperaccurnulation capacity. Using simulations, the number of outlier loci was showed to be significantly higher than expected at random. These loci presented a genetic structure linked to Cd hyperaccumulation capacity independently of the geography, environment, soil parameters and Zn, Pb, Fe and Cu concentrations in plants. Using a canonical correspondence analysis, we identified three of them as particularly related to the Cd hyperaccumutation capacity. This study demonstrates that populations with low and high hyperaccurnulation capacities can be significantly distinguished based on molecular data. Further investigations with candidate genes and mapped markers may allow identification and characterization of genomic regions linked to factors involved in Cd hyperaccumulation.

Genetic diversity and differentiation processes in the ploidy series of Olea europaea L.: a multiscale approach from subspecies to insular populations.

Geographical isolation and polyploidization are central concepts in plant evolution. The hierarchical organization of archipelagos in this study provides a framework for testing the evolutionary consequences for polyploid taxa and populations occurring in isolation. Using amplified fragment length polymorphism and simple sequence repeat markers, we determined the genetic diversity and differentiation patterns at three levels of geographical isolation in Olea europaea: mainland-archipelagos, islands within an archipelago, and populations within an island. At the subspecies scale, the hexaploid ssp. maroccana (southwest Morocco) exhibited higher genetic diversity than the insular counterparts. In contrast, the tetraploid ssp. cerasiformis (Madeira) displayed values similar to those obtained for the diploid ssp. guanchica (Canary Islands). Geographical isolation was associated with a high genetic differentiation at this scale. In the Canarian archipelago, the stepping-stone model of differentiation suggested in a previous study was partially supported. Within the western lineage, an east-to-west differentiation pattern was confirmed. Conversely, the easternmost populations were more related to the mainland ssp. europaea than to the western guanchica lineage. Genetic diversity across the Canarian archipelago was significantly correlated with the date of the last volcanic activity in the area/island where each population occurs. At the island scale, this pattern was not confirmed in older islands (Tenerife and Madeira), where populations were genetically homogeneous. In contrast, founder effects resulted in low genetic diversity and marked genetic differentiation among populations of the youngest island, La Palma.

Molecular pathology of colorectal cancer.

Colorectal cancer (CRC) is one of the most intensively studied cancer types, partly because of its high prevalence but also because of the existence of its precursor lesions, tubular or villous adenomas, and more recently (sessile) serrated adenomas, which can be detected endoscopically and removed. The morphological steps in the adenoma-carcinoma sequence have been elucidated at a molecular level, which has been facilitated by identification of the genes responsible for familial intestinal cancer. However, apart from early detection of familial forms of CRC and its use in genetic counseling, until recently such detailed molecular knowledge has had little impact on clinical management of the disease. This has dramatically changed in the last decade. With drugs specifically targeting the epidermal growth factor receptor (EGFR) having been shown effective in CRC, mechanisms responsible for resistance have been explored. The finding that KRAS mutated cancers do not respond to anti-EGFR treatment has had a profound impact on clinical management and on molecular diagnostics of CRC. Additional genetic tests for mutations in NRAS, BRAF and PIK3CA contribute to determining who to treat, and others will follow. New therapies effective in patients with advanced CRC are under investigation. Remaining burning questions for optimal management are which patients will relapse after resection of the primary tumor and which patients will respond to the standard 5FU-oxaliplatin adjuvant treatment regimen. Predictive tests to address these issues are eagerly awaited. New classifications of CRC, based on molecular parameters, are emerging, and we will be confronted with new subtypes of CRC, for which the definition is based on combinations of gene expression patterns, chromosomal alterations, gene mutations and epigenetic characteristics. This will be instrumental in designing new approaches for therapy but will also be translated into molecular diagnostics. Both will contribute to improved clinical management of CRC.

Genetic and phenotypic population divergence on a microgeographic scale in brown trout.

Salmonid populations of many rivers are rapidly declining. One possible explanation is that habitat fragmentation increases genetic drift and reduces the populations' potential to adapt to changing environmental conditions. We measured the genetic and eco-morphological diversity of brown trout (Salmo trutta) in a Swiss stream system, using multivariate statistics and Bayesian clustering. We found large genetic and phenotypic variation within only 40 km of stream length. Eighty-eight percent of all pairwise F(ST) comparisons and 50% of the population comparisons in body shape were significant. High success rates of population assignment tests confirmed the distinctiveness of populations in both genotype and phenotype. Spatial analysis revealed that divergence increased with waterway distance, the number of weirs, and stretches of poor habitat between sampling locations, but effects of isolation-by-distance and habitat fragmentation could not be fully disentangled. Stocking intensity varied between streams but did not appear to erode genetic diversity within populations. A lack of association between phenotypic and genetic divergence points to a role of local adaptation or phenotypically plastic responses to habitat heterogeneity. Indeed, body shape could be largely explained by topographic stream slope, and variation in overall phenotype matched the flow regimes of the respective habitats.

Broad-scale adaptive genetic variation in alpine plants is driven by temperature and precipitation.

Identifying adaptive genetic variation is a challenging task, in particular in non-model species for which genomic information is still limited or absent. Here, we studied distribution patterns of amplified fragment length polymorphisms (AFLPs) in response to environmental variation, in 13 alpine plant species consistently sampled across the entire European Alps. Multiple linear regressions were performed between AFLP allele frequencies per site as dependent variables and two categories of independent variables, namely Moran's eigenvector map MEM variables (to account for spatial and unaccounted environmental variation, and historical demographic processes) and environmental variables. These associations allowed the identification of 153 loci of ecological relevance. Univariate regressions between allele frequency and each environmental factor further showed that loci of ecological relevance were mainly correlated with MEM variables. We found that precipitation and temperature were the best environmental predictors, whereas topographic factors were rarely involved in environmental associations. Climatic factors, subject to rapid variation as a result of the current global warming, are known to strongly influence the fate of alpine plants. Our study shows, for the first time for a large number of species, that the same environmental variables are drivers of plant adaptation at the scale of a whole biome, here the European Alps.

Molecular autopsy in sudden cardiac death and its implication for families: discussion of the practical, legal and ethical aspects of the multidisciplinary collaboration.

Sudden cardiac death (SCD) is a major cause of premature death in young adults and children in developed countries. Standard forensic autopsy procedures are often unsuccessful in determining the cause of SCD. Post-mortem genetic testing, also called molecular autopsy, has revealed that a non-negligible number of these deaths are a result of inherited cardiac diseases, including arrhythmic disorders such as congenital long QT syndrome and Brugada syndrome. Due to the heritability of these diseases, the potential implications for living relatives must be taken into consideration. Advanced diagnostic analyses, genetic counselling, and interdisciplinary collaboration should be integral parts of clinical and forensic practice. In this article we present a multidisciplinary collaboration established in Lausanne, with the goal of properly informing families of these pathologies and their implications for surviving family members. In Switzerland, as in many other countries, legal guidelines for genetic testing do not address the use of molecular tools for post-mortem genetic analyses in forensic practice. In this article we present the standard practice guidelines established by our multidisciplinary team.

Metabolic, biochemical and molecular profiling of Catharanthus roseus flower cultivars and transformed hairy roots for monoterpenoid indole alkaloid accumulation /

Catharanthlls rosellS (L.) G Don is a commercially significant flower species and in addition is the only source of the monoterpenoid indole alkaloids (MIA) vinblastine and vincristine, which are key pharmaceutical compounds that are used to combat a number of different cancers. Therefore, procurement of the antineoplastic agents is difficult but essential procedure. Alternatively, CatharanthllS tissue cultures have been investigated as a source of these agents; however they do not produce vindoline, which is an obligate precursor to vinblastine and vincristine. The interest in developing high MIA cultivars of Catharantlws rosellS has prompted metabolic profiling studies to determine the variability of MIA accumulation of existing flowering cultivars, with particular focus on the vindoline component ofthe pathway. Metabolic profiling studies that used high performance liquid chromatography of MIAs from seedlings and young leaf extracts from 50 different flowering cultivars showed that, except for a single low vindoline cultivar (Vinca Mediterranean DP Orchid), they all accumulate similar levels of MIAs. Further enzymatic studies with extracts from young leaves and from developing seedlings showed that the low vindoline cultivar has a IO-fold lower tabersonine-16-hydroxylase activity than those of CatharanthllS rosellS cv Little Delicata. Additionally, studies aimed at metabolic engineering ofvindoline bios}l1thesis in Catharanthus rosellS hairy root cultures have been performed by expressing the last step in vindoline biosynthesis [Dcacetylvindoline-4-0- acetyltransferase (DAT)]. Enzymatic profiling studies with transformed hairy roots have confirmed that over-expressing DAT leads to lines with high levels of O-acetyltransferase activity when compared to non-expressing hairy roots. One particular DA T over111 expressing hairy root culture (line 7) contained 200 times the OAT activity than leaves of control lines. Additional MIA analyses revealed that DAT over-expressing hairy roots have an altered alkaloid profile with significant variation in the accumulation of h6rhammericine. Further analysis of transformed hairy root line 7 suggests a correlation between the expression of OAT activity and h6rhammericine accumulation with root maturation. These studies show that metabolic and selective enzymatic profiling can enhance our ability to search for relevant MIA pathway mutants and that genetic engineering with appropriate pathway genes shows promise as a tool to modify the MIA profile of Catharanthus roseus.

Chemical, biochemical, and molecular characterization of a low vindoline Catharanthus roseus mutant.

The Madagascar periwinkle (Catharanthus roseus) is the sole source of the anticancer drug vinblastine, which is formed via the coupling of monoterpenoid indole alkaloids (MIAs) catharanthine and vindoline. A mutant line of C. roseus (M2-1865) with an altered MIA profile was identified in a screen of 4000 M2 lines generated by ethylmethanesulfonate (EMS) chemical mutagenesis. While this line did not accumulate vinblastine due to reduced levels of vindoline within the leaves, significant levels of 2,3-epoxide derivatives of tabersonine accumulated on the leaf surface. Detailed nucleotide, amino acid, and enzyme activity analyses of tabersonine 3-reductase in the M2-1865 line showed that a single amino acid substitution (H189Y) diminished the biochemical activity of T3R by 95%. Genetic crosses showed the phenotype to be recessive, exhibiting standard Mendelian single-gene inheritance. The usefulness of EMS mutagenesis in elucidating MIA biosynthesis is highlighted by the results of this study.

Genome wide search for genetic determinants of habitual alcohol, tobacco and coffee use, obesity-related traits, response to mental and physical stress and hemodynamic traits

Les habitudes de consommation de substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits cardiovasculaires associés seraient en partie reliés aux mêmes facteurs génétiques. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons effectué, chez 119 familles multi-générationnelles québécoises de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, des études d’association et de liaison pangénomiques pour les composantes génétiques : de la consommation usuelle d’alcool, de tabac et de café, de la réponse au stress physique et psychologique, des traits anthropométriques reliés à l’obésité, ainsi que des mesures du rythme cardiaque (RC) et de la pression artérielle (PA). 58000 SNPs et 437 marqueurs microsatellites ont été utilisés et l’annotation fonctionnelle des gènes candidats identifiés a ensuite été réalisée. Nous avons détecté des corrélations phénotypiques significatives entre les substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits hémodynamiques. Par exemple, les consommateurs d’alcool et de tabac ont montré un RC significativement diminué en réponse au stress psychologique. De plus, les consommateurs de tabac avaient des PA plus basses que les non-consommateurs. Aussi, les hypertendus présentaient des RC et PA systoliques accrus en réponse au stress psychologique et un indice de masse corporelle (IMC) élevé, comparativement aux normotendus. D’autre part, l’utilisation de tabac augmenterait les taux corporels d’épinéphrine, et des niveaux élevés d’épinéphrine ont été associés à des IMC diminués. Ainsi, en accord avec les corrélations inter-phénotypiques, nous avons identifié plusieurs gènes associés/liés à la consommation de substances psychoactives, à la réponse au stress physique et psychologique, aux traits reliés à l’obésité et aux traits hémodynamiques incluant CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 et PRKCE. Ces gènes codent pour des protéines constituant un réseau d’interactions, impliquées dans la plasticité synaptique, et hautement exprimées dans le cerveau et ses tissus associés. De plus, l’analyse des sentiers de signalisation pour les gènes identifiés (P = 0,03) a révélé une induction de mécanismes de Potentialisation à Long Terme. Les variations des traits étudiés seraient en grande partie liées au sexe et au statut d’hypertension. Pour la consommation de tabac, nous avons noté que le degré et le sens des corrélations avec l’obésité, les traits hémodynamiques et le stress sont spécifiques au sexe et à la pression artérielle. Par exemple, si des variations ont été détectées entre les hommes fumeurs et non-fumeurs (anciens et jamais), aucune différence n’a été observée chez les femmes. Nous avons aussi identifié de nombreux traits reliés à l’obésité dont la corrélation avec la consommation de tabac apparaît essentiellement plus liée à des facteurs génétiques qu’au fait de fumer en lui-même. Pour le sexe et l’hypertension, des différences dans l’héritabilité de nombreux traits ont également été observées. En effet, des analyses génétiques sur des sous-groupes spécifiques ont révélé des gènes additionnels partageant des fonctions synaptiques : CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (spécifique à l’hypertension), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (spécifique au sexe). Ces gènes codent pour des protéines interagissant avec les protéines de gènes détectés dans l’analyse générale. De plus, pour les gènes des sous-groupes, les résultats des analyses des sentiers de signalisation et des profils d’expression des gènes ont montré des caractéristiques similaires à celles de l’analyse générale. La convergence substantielle entre les déterminants génétiques des substances psychoactives, du stress, de l’obésité et des traits hémodynamiques soutiennent la notion selon laquelle les variations génétiques des voies de plasticité synaptique constitueraient une interface commune avec les différences génétiques liées au sexe et à l’hypertension. Nous pensons, également, que la plasticité synaptique interviendrait dans de nombreux phénotypes complexes influencés par le mode de vie. En définitive, ces résultats indiquent que des approches basées sur des sous-groupes et des réseaux amélioreraient la compréhension de la nature polygénique des phénotypes complexes, et des processus moléculaires communs qui les définissent.

Molecular mechanisms for a switch-like mating decision in Saccharomyces cerevisiae

Les changements évolutifs nous instruisent sur les nombreuses innovations permettant à chaque organisme de maximiser ses aptitudes en choisissant le partenaire approprié, telles que les caractéristiques sexuelles secondaires, les patrons comportementaux, les attractifs chimiques et les mécanismes sensoriels y répondant. L'haploïde de la levure Saccharomyces cerevisiae distingue son partenaire en interprétant le gradient de la concentration d'une phéromone sécrétée par les partenaires potentiels grâce à un réseau de protéines signalétiques de type kinase activées par la mitose (MAPK). La décision de la liaison sexuelle chez la levure est un événement en "tout–ourien", à la manière d'un interrupteur. Les cellules haploïdes choisissent leur partenaire sexuel en fonction de la concentration de phéromones qu’il produit. Seul le partenaire à proximité sécrétant des concentrations de phéromones égales ou supérieures à une concentration critique est retenu. Les faibles signaux de phéromones sont attribués à des partenaires pouvant mener à des accouplements infructueux. Notre compréhension du mécanisme moléculaire contrôlant cet interrupteur de la décision d'accouplement reste encore mince. Dans le cadre de la présente thèse, je démontre que le mécanisme de décision de la liaison sexuelle provient de la compétition pour le contrôle de l'état de phosphorylation de quatre sites sur la protéine d'échafaudage Ste5, entre la MAPK, Fus3, et la phosphatase,Ptc1. Cette compétition résulte en la dissociation de type « intérupteur » entre Fus3 et Ste5, nécessaire à la prise de décision d'accouplement en "tout-ou-rien". Ainsi, la décision de la liaison sexuelle s'effectue à une étape précoce de la voie de réponse aux phéromones et se produit rapidement, peut-être dans le but de prévenir la perte d’un partenaire potentiel. Nous argumentons que l'architecture du circuit Fus3-Ste5-Ptc1 génère un mécanisme inédit d'ultrasensibilité, ressemblant à "l'ultrasensibilité d'ordre zéro", qui résiste aux variations de concentration de ces protéines. Cette robustesse assure que l'accouplement puisse se produire en dépit de la stochasticité cellulaire ou de variations génétiques entre individus.Je démontre, par la suite, qu'un évènement précoce en réponse aux signaux extracellulaires recrutant Ste5 à la membrane plasmique est également ultrasensible à l'augmentation de la concentration de phéromones et que cette ultrasensibilité est engendrée par la déphosphorylation de huit phosphosites en N-terminal sur Ste5 par la phosphatase Ptc1 lorsqu'elle est associée à Ste5 via la protéine polarisante, Bem1. L'interférence dans ce mécanisme provoque une perte de l'ultrasensibilité et réduit, du même coup, l'amplitude et la fidélité de la voie de réponse aux phéromones à la stimulation. Ces changements se reflètent en une réduction de la fidélité et de la précision de la morphologie attribuable à la réponse d'accouplement. La polarisation dans l'assemblage du complexe protéique à la surface de la membrane plasmique est un thème général persistant dans tous les organismes, de la bactérie à l'humain. Un tel complexe est en mesure d'accroître l'efficacité, la fidélité et la spécificité de la transmission du signal. L'ensemble de nos découvertes démontre que l'ultrasensibilité, la précision et la robustesse de la réponse aux phéromones découlent de la régulation de la phosphorylation stoichiométrique de deux groupes de phosphosites sur Ste5, par la phosphatase Ptc1, un groupe effectuant le recrutement ultrasensible de Ste5 à la membrane et un autre incitant la dissociation et l'activation ultrasensible de la MAPK terminal Fus3. Le rôle modulateur de Ste5 dans la décision de la destinée cellulaire étend le répertoire fonctionnel des protéines d'échafaudage bien au-delà de l'accessoire dans la spécificité et l'efficacité des traitements de l'information. La régulation de la dynamique des caractères signal-réponse à travers une telle régulation modulaire des groupes de phosphosites sur des protéines d'échafaudage combinées à l'assemblage à la membrane peut être un moyen général par lequel la polarisation du destin cellulaire est obtenue. Des mécanismes similaires peuvent contrôler les décisions cellulaires dans les organismes complexes et peuvent être compromis dans des dérèglements cellulaires, tel que le cancer. Finalement, sur un thème relié, je présente la découverte d'un nouveau mécanisme où le seuil de la concentration de phéromones est contrôlé par une voie sensorielle de nutriments, ajustant, de cette manière, le point prédéterminé dans lequel la quantité et la qualité des nutriments accessibles dans l'environnement déterminent le seuil à partir duquel la levure s'accouple. La sous-unité régulatrice de la kinase à protéine A (PKA),Bcy1, une composante clé du réseau signalétique du senseur aux nutriments, interagit directement avec la sous-unité α des petites protéines G, Gpa1, le premier effecteur dans le réseau de réponse aux phéromones. L'interaction Bcy1-Gpa1 est accrue lorsque la cellule croit en présence d'un sucre idéal, le glucose, diminuant la concentration seuil auquel la décision d'accouplement est activée. Compromettre l'interaction Bcy1-Gpa1 ou inactiver Bcy1 accroît la concentration seuil nécessaire à une réponse aux phéromones. Nous argumentons qu'en ajustant leur sensibilité, les levures peuvent intégrer le stimulus provenant des phéromones au niveau du glucose extracellulaire, priorisant la décision de survie dans un milieu pauvre ou continuer leur cycle sexuel en choisissant un accouplement.

Molecular determinants of congenital hypothyroidism due to thyroid dysgenesis

L’hypothyroïdie congénitale par dysgénésie thyroïdienne (HCDT) est la condition endocrinienne néonatale la plus fréquemment rencontrée, avec une incidence d’un cas sur 4000 naissances vivantes. L’HCDT comprend toutes les anomalies du développement de la thyroïde. Parmi ces anomalies, le diagnostic le plus fréquent est l’ectopie thyroïdienne (~ 50% des cas). L’HCDT est fréquemment associée à un déficit sévère en hormones thyroïdiennes (hypothyroïdisme) pouvant conduire à un retard mental sévère si non traitée. Le programme de dépistage néonatal assure un diagnostic et un traitement précoce par hormones thyroïdiennes. Cependant, même avec un traitement précoce (en moyenne à 9 jours de vie), un retard de développement est toujours observé, surtout dans les cas les plus sévères (c.-à-d., perte de 10 points de QI). Bien que des cas familiaux soient rapportés (2% des cas), l’HCTD est essentiellement considérée comme une entité sporadique. De plus, plus de 92% des jumeaux monozygotiques sont discordants pour les dysgénésies thyroïdiennes et une prédominance féminine est rapportée (spécialement dans le cas d’ectopies thyroïdiennes), ces deux observations étant clairement incompatible avec un mode de transmission héréditaire mendélien. Il est donc cohérent de constater que des mutations germinales dans les facteurs de transcription thyroïdiens connus (NKX2.1, PAX8, FOXE1, and NKX2.5) ont été identifiées dans seulement 3% des cas sporadiques testés et furent, de plus, exclues lors d’analyse d’association dans certaines familles multiplex. Collectivement, ces données suggèrent que des mécanismes non mendéliens sont à l’origine de la majorité des cas de dysgénésie thyroïdienne. Parmi ces mécanismes, nous devons considérer des modifications épigénétiques, des mutations somatiques précoces (au stade du bourgeon thyroïdien lors des premiers stades de l’embryogenèse) ou des défauts développementaux stochastiques (c.-à-d., accumulation aléatoire de mutations germinales ou somatiques). Voilà pourquoi nous proposons un modèle «2 hits » combinant des mutations (épi)génétiques germinales et somatiques; ce modèle étant compatible avec le manque de transmission familial observé dans la majorité des cas d’HCDT. Dans cette thèse, nous avons déterminé si des variations somatiques (épi)génétiques sont associées à l’HCTD via une approche génomique et une approche gène candidat. Notre approche génomique a révélé que les thyroïdes ectopiques ont un profil d’expression différent des thyroïdes eutopiques (contrôles) et que ce profil d’expression est enrichi en gènes de la voie de signalisation Wnt. La voie des Wnt est cruciale pour la migration cellulaire et pour le développement de plusieurs organes dérivés de l’endoderme (p.ex. le pancréas). De plus, le rôle de la voie des Wnt dans la morphogénèse thyroïdienne est supporté par de récentes études sur le poisson-zèbre qui montrent des anomalies du développement thyroïdien lors de la perturbation de la voie des Wnt durant différentes étapes de l’organogénèse. Par conséquent, l’implication de la voie des Wnt dans l’étiologie de la dysgénésie thyroïdienne est biologiquement plausible. Une trouvaille inattendue de notre approche génomique fut de constater que la calcitonine était exprimée autant dans les thyroïdes ectopiques que dans les thyroïdes eutopiques (contrôles). Cette trouvaille remet en doute un dogme de l’embryologie de la thyroïde voulant que les cellules sécrétant la calcitonine (cellules C) proviennent exclusivement d’une structure extrathyroïdienne (les corps ultimobranchiaux) fusionnant seulement avec la thyroïde en fin de développement, lorsque la thyroïde a atteint son emplacement anatomique définitif. Notre approche gène candidat ne démontra aucune différence épigénétique (c.-à-d. de profil de méthylation) entre thyroïdes ectopiques et eutopiques, mais elle révéla la présence d’une région différentiellement méthylée (RDM) entre thyroïdes et leucocytes dans le promoteur de FOXE1. Le rôle crucial de FOXE1 dans la migration thyroïdienne lors du développement est connu et démontré dans le modèle murin. Nous avons démontré in vivo et in vitro que le statut de méthylation de cette RDM est corrélé avec l’expression de FOXE1 dans les tissus non tumoraux (c.-à-d., thyroïdes et leucocytes). Fort de ces résultats et sachant que les RDMs sont de potentiels points chauds de variations (épi)génétiques, nous avons lancé une étude cas-contrôles afin de déterminer si des variants génétiques rares localisés dans cette RDM sont associés à la dysgénésie thyroïdienne. Tous ces résultats générés lors de mes études doctorales ont dévoilé de nouveaux mécanismes pouvant expliquer la pathogenèse de la dysgénésie thyroïdienne, condition dont l’étiologie reste toujours une énigme. Ces résultats ouvrent aussi plusieurs champs de recherche prometteurs et vont aider à mieux comprendre tant les causes des dysgénésies thyroïdiennes que le développement embryonnaire normal de la thyroïde chez l’homme.

Characterization of polycystin-1 in ADPKD pathogenetic mechanism : biogenesis and functional implications by genetic approaches in mouse

La polykystose rénale autosomique dominante (ADPKD) est une des maladies génétiques les plus communes. ADPKD se manifeste le plus souvent au stade adulte par la présence de kystes rénaux, et bien souvent de kystes hépatiques, avec une progression très variable. ADPKD mène à une insuffisance rénale: les seuls recours sont la dialyse puis la transplantation rénale. Les mutations dispersées sur les gènes PKD1 (majoritairement; la protéine polycystine-1, PC1) et PKD2 (la protéine polycystine-2, PC2) sont responsables de l’ADPKD. Le mécanisme pathogénétique de perte de fonction (LOF) et donc d’un effet récessif cellulaire est évoqué comme causatif de l’ADPKD. LOF est en effet supporté par les modèles murins d’inactivation de gènes PKD1/PKD2, qui développent de kystes, quoique in utéro et avec une rapidité impressionnante dans les reins mais pas dans le foie. Malgré de nombreuses études in vitro, le rôle de PC1/PC2 membranaire/ciliaire reste plutôt hypothétique et contexte-dépendant. Ces études ont associé PC1/PC2 à une panoplie de voies de signalisation et ont souligné une complexité structurelle et fonctionnelle exceptionnelle, dont l’implication a été testée notamment chez les modèles de LOF. Toutefois, les observations patho-cellulaires chez l’humain dont une expression soutenue, voire augmentée, de PKD1/PC1 et l’absence de phénotypes extrarénaux particuliers remet en question l’exclusivité du mécanisme de LOF. Il était donc primordial 1) d’éclaircir le mécanisme pathogénétique, 2) de générer des outils in vivo authentiques d’ADPKD en terme d’initiation et de progression de la maladie et 3) de mieux connaitre les fonctions des PC1/PC2 indispensables pour une translation clinique adéquate. Cette thèse aborde tous ces points. Tout d’abord, nous avons démontré qu’une augmentation de PKD1 endogène sauvage, tout comme chez l’humain, est pathogénétique en générant et caractérisant en détail un modèle murin transgénique de Pkd1 (Pkd1TAG). Ce modèle reproduit non seulement les caractéristiques humaines rénales, associées aux défauts du cil primaire, mais aussi extrarénales comme les kystes hépatiques. La sévérité du phénotype corrèle avec le niveau d’expression de Pkd1 ce qui supporte fortement un modèle de dosage. Dans un deuxième temps, nous avons démontré par les études de complémentations génétiques que ces deux organes reposent sur une balance du clivage GPS de Pc1, une modification post-traductionelle typique des aGPCR, et dont l’activité et l’abondance semblent strictement contrôlées. De plus, nous avons caractérisé extensivement la biogénèse de Pc1 et de ses dérivés in vivo générés suite au clivage GPS. Nous avons identifié une toute nouvelle forme et prédominante à la membrane, la forme Pc1deN, en plus de confirmer deux fragments N- et C-terminal de Pc1 (NTF et CTF, respectivement) qui eux s’associent de manière non-covalente. Nous avons démontré de façon importante que le trafic de Pc1deN i.e., une forme NTF détachée du CTF, est toutefois dépendant de l’intégrité du fragment CTF in vivo. Par la suite, nous avons généré un premier modèle humanisant une mutation PKD1 non-sens tronquée au niveau du domaine NTF(E3043X) en la reproduisant chez une souris transgénique (Pkd1extra). Structurellement, cette mutation, qui mimique la forme Pc1deN, s’est également avérée causative de PKD. Le modèle Pkd1extra a permis entre autre de postuler l’existence d’une cross-interaction entre différentes formes de Pc1. De plus, nos deux modèles murins sont tous les deux associés à des niveaux altérés de c-Myc et Pc2, et soutiennent une implication réelle de ces derniers dans l’ADPKD tou comme une interaction fonctionnelle entre les polycystines. Finalement, nous avons démontré un chevauchement significatif entre l’ADPKD et le dommage rénal aigüe (ischémie/AKI) dont une expression augmentée de Pc1 et Pc2 mais aussi une stimulation de plusieurs facteurs cystogéniques tel que la tubérine, la β-caténine et l’oncogène c-Myc. Nos études ont donc apporté des évidences cruciales sur la contribution du gène dosage dans l’ADPKD. Nous avons développé deux modèles murins qui serviront d’outil pour l’analyse de la pathologie humaine ainsi que pour la validation préclinique ADPKD. L’identification d’une nouvelle forme de Pc1 ajoute un niveau de complexité supplémentaire expliquant en partie une capacité de régulation de plusieurs voies de signalisation par Pc1. Nos résultats nous amènent à proposer de nouvelles approches thérapeutiques: d’une part, le ciblage de CTF i.e., de style chaperonne, et d’autre part le ciblage de modulateurs intracellulaires (c-Myc, Pc2, Hif1α). Ensemble, nos travaux sont d’une importance primordiale du point de vue informatif et pratique pour un avancement vers une thérapie contre l’ADPKD. Le partage de voies communes entre AKI et ADPKD ouvre la voie aux approches thérapeutiques parallèles pour un traitement assurément beaucoup plus rapide.

Genetic Landscape of Joubert syndrome in French Canadians

Le syndrome de Joubert est une maladie récessive caractérisée par une malformation congénitale distincte du tronc cérébral et du cervelet, associée à une anomalie des mouvements oculaires (apraxie oculomotrice), une respiration irrégulière, un retard de développement, et une ataxie à la démarche. Au cours de la dernière décennie, plus de 20 gènes responsables ont été identifiés, tous ayant un rôle important dans la structure et la fonction des cils primaires. Ainsi, le syndrome de Joubert est considéré une ciliopathie. Bien que le Syndrome de Joubert ait été décrit pour la première fois dans une famille canadienne-française en 1969, le(s) gène(s) causal demeurait inconnu dans presque tous les cas de syndrome de Joubert recensés en 2010 dans la population canadienne-française, soit début de mon projet doctoral. Nous avons identifié un total de 43 individus canadiens-français (35 familles) atteints du syndrome de Joubert. Il y avait un regroupement de familles dans la région du Bas-Saint-Laurent de la province de Québec, suggérant la présence d'un effet fondateur. L’objectif de ce projet était de caractériser la génétique du syndrome de Joubert dans la population canadienne-française. Notre hypothèse était qu’il existait un effet fondateur impliquant au moins un nouveau gène JBTS. Ainsi, dans un premier temps, nous avons utilisé une approche de cartographie par homozygotie. Cependant, nous n’avons pas identifié de région d’homozygotie partagée parmi les individus atteints, suggérant la présence d’une hétérogénéité génétique ou allélique. Nous avons donc utilisé le séquençage exomique chez nos patients, ce qui représente une approche plus puissante pour l’étude de conditions génétiquement hétérogènes. Nos travaux ont permis l’identification de deux nouveaux gènes responsables du syndrome de Joubert: C5orf42 et TMEM231. Bien que la localisation cellulaire et la fonction de C5orf42 soient inconnus au moment de cette découverte, nos résultats génétiques combinés avec des études ultérieures ont établi un rôle important de C5orf42 dans la structure et la fonction ciliaire, en particulier dans la zone de transition, qui est une zone de transition entre le cil et le reste de la cellule. TMEM231 avait déjà un rôle établi dans la zone de transition ciliaire et son interaction avec d’autres protéines impliquées dans le syndrome de Joubert était connu. Nos études ont également identifié des variants rares délétères chez un patient JBTS dans le gène ciliaire CEP104. Nous proposons donc CEP104 comme un gène candidat JBTS. Nous avons identifié des mutations causales dans 10 gènes, y compris des mutations dans CC2D2A dans 9 familles et NPHP1 dans 3 familles. Au total, nous avons identifié les mutations causales définitives chez 32 des 35 familles étudiées (91% des cas). Nous avons documenté un effet fondateur complexe dans la population canadienne-française avec de multiples mutations récurrentes dans quatre gènes différents (C5orf42, CC2D2A, TMEM231, NPHP1). Au début de ce projet de recherche, l’étiologie génétique était inconnue chez les 35 familles touchées du syndrome de Joubert. Maintenant, un diagnostique moléculaire définitif est identifié chez 32 familles, et probable chez les 3 autres. Nos travaux ont abouti à la caractérisation génétique du syndrome de Joubert dans la population canadienne-française grâce au séquençage exomique, et révèlent la présence d'un effet fondateur complexe avec une l'hétérogénéité allélique et intralocus importante. Ces découvertes ont éclairé la physiologie de cette maladie. Finalement, l’identification des gènes responsables ouvre de nouvelles perspectives diagnostiques ante-natales, et de conseils génétique, très précieuses pour les familles.

Population Genetic Structure of the Marine Penaeid Prawn- Penaeus Indicus H. Milne Edwards 1837

The thesis contains the results of an investigation on the " Population Genetic Structure of the Penaeus indicus " from southeast and southwest coasts of India. The P.indicus, popularly known as the Indian white prawn, is distributed widely in the Indo-Pacific, starting from New South wales in Australia in the east to the east coast of Africa in the west. Its heavy demand in the export market, the species has been exploited intensively from all along its areas of distribution in Indian waters. The population genetic characteristics of the species were examined by three independent but complementary techniques, namely, morphometrics (truss network), biochemical genetics (isozyme electrophoresis ) and molecular genetics (RFLP and RAPD). The east and west coast populations of the species may be genetically different. Due to certain constraints, the results obtained from the studies of restriction fragment length 70 polymorphism (RFLP) were limited. The significant difference in the number of bands in the sample populations strongly suggests that these two populations have considerably different population genetic structures

Molecular Characterization and Gene Expression Profiling of Antimicrobial Peptides in Penaeid Shrimps

The constitutive production of AMPs in shrimps ensures that animals are able to protect themselves from low-level assaults by pathogens present in the environment. As these molecules play important roles in the shrimp immune defense system, the expression level of these AMPs are possible indicators of the immune state of shrimps. The present study also indicates the antiviral property of AMPs, especially ALF, stressing the importance of their up-regulation through the application of immunostimulants/probiotics as a prophylactic strategy in aquaculture. The present study shows that shrimp defense system is equipped enough to evade WSSV infection to a certain extent, when the animals were maintained on marine yeast and probiotic diet, whereas the control diet fed group succumbed to WSSV infection. This study reveals that marine yeast and probiotic supplemented diet can delay the process of WSSV infection and confer greater protection to the animals. Particularly, the protection conferred by marine yeast, C. haemulonii S27 and Bacillus MCCB101 were highly promising imparting greater hope to the aquaculture community to overcome the prevailing disease problems in aquaculture. It may be inferred from the present study that up-regulation of AMP genes could be effected by the application of immunostimulants and probiotics. Also, AMP expression profile could be used as an effective tool for screening immunostimulants and probiotics for application in shrimp culture. Ultimately, it is likely that no single compound or strategy will provide a solution to the problem of disease within aquaculture and that, in reality, a suite of techniques will be required including the manipulation of the rearing environment, addition of probionts as a matter of routine during culture, and the use of immunostimulants and other supplements during vulnerable growth phases. Finally, the development of good management practices, the control of environmental variables, genetic improvement in the penaeid species, understanding of host-virus interaction, modulation of the shrimp immune system, supported by functional genomics and proteomics of this crustacean, as a whole suggests that the control of WSSV is not far.