The Stealthy Superbug: the Role of Asymptomatic Enteric Carriage in Maintaining a Long-Term Hospital Outbreak of ST228 Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus.

UNLABELLED: Whole-genome sequencing (WGS) of 228 isolates was used to elucidate the origin and dynamics of a long-term outbreak of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) sequence type 228 (ST228) SCCmec I that involved 1,600 patients in a tertiary care hospital between 2008 and 2012. Combining of the sequence data with detailed metadata on patient admission and movement confirmed that the outbreak was due to the transmission of a single clonal variant of ST228, rather than repeated introductions of this clone into the hospital. We note that this clone is significantly more frequently recovered from groin and rectal swabs than other clones (P < 0.0001) and is also significantly more transmissible between roommates (P < 0.01). Unrecognized MRSA carriers, together with movements of patients within the hospital, also seem to have played a major role. These atypical colonization and transmission dynamics can help explain how the outbreak was maintained over the long term. This "stealthy" asymptomatic colonization of the gut, combined with heightened transmissibility (potentially reflecting a role for environmental reservoirs), means the dynamics of this outbreak share some properties with enteric pathogens such as vancomycin-resistant enterococci or Clostridium difficile. IMPORTANCE: Using whole-genome sequencing, we showed that a large and prolonged outbreak of methicillin-resistant Staphylococcus aureus was due to the clonal spread of a specific strain with genetic elements adapted to the hospital environment. Unrecognized MRSA carriers, the movement of patients within the hospital, and the low detection with clinical specimens were also factors that played a role in this occurrence. The atypical colonization of the gut means the dynamics of this outbreak may share some properties with enteric pathogens.

Étude sur le rôle des mutations de novo dans l’étiologie génétique de la schizophrénie

La schizophrénie est une maladie psychiatrique grave qui affecte approximativement 1 % de la population. Il est clairement établi que la maladie possède une composante génétique très importante, mais jusqu’à présent, les études ont été limitées au niveau de l’identification de facteurs génétiques spécifiquement liés à la maladie. Avec l’avènement des nouvelles avancées technologiques dans le domaine du séquençage de l’ADN, il est maintenant possible d’effectuer des études sur un type de variation génétique jusqu’à présent laissé pour compte : les mutations de novo, c.-à-d. les nouvelles mutations non transmises de manière mendélienne par les parents. Ces mutations peuvent avoir deux origines distinctes : une origine germinale au niveau des gamètes chez les parents ou une origine somatique, donc au niveau embryonnaire directement chez l’individu. L’objectif général de la présente recherche est de mieux caractériser les mutations de novo dans la schizophrénie. Comme le rôle de ces variations est peu connu, il sera également nécessaire de les étudier dans un contexte global au niveau de la population humaine. La première partie du projet consiste en une analyse exhaustive des mutations de novo dans la partie codante (exome) de patients atteints de schizophrénie. Nous avons pu constater que non seulement le taux de mutations était plus élevé qu’attendu, mais nous avons également été en mesure de relever un nombre anormalement élevé de mutations non-sens, ce qui suggère un profil pathogénique. Ainsi, nous avons pu fortement suggérer que les mutations de novo sont des actrices importantes dans le mécanisme génétique de la schizophrénie. La deuxième partie du projet porte directement sur les gènes identifiés lors de la première partie. Nous avons séquencé ces gènes dans une plus grande cohorte de cas et de contrôles afin d’établir le profil des variations rares pour ces gènes. Nous avons ainsi conclu que l’ensemble des gènes identifiés par les études de mutations de novo possède un profil pathogénique, ce qui permet d’établir que la plupart de ces gènes ont un rôle réel dans la maladie et ne sont pas des artéfacts expérimentaux. De plus, nous avons pu établir une association directe avec quelques gènes qui montrent un profil aberrant de variations rares. La troisième partie du projet se concentre sur l’effet de l’âge paternel sur le taux de mutations de novo. En effet, pour la schizophrénie, il est démontré que l’âge du père est un facteur de risque important. Ainsi, nous avons tenté de caractériser l’effet de l’âge du père chez des patients en santé. Nous avons observé une grande corrélation entre l’âge du père et le taux de mutations germinales et nous avons ainsi pu répertorier certaines zones avec un grand nombre de mutations de novo, ce qui suggère l’existence de zone chaude pour les mutations. Nos résultats ont été parmi les premiers impliquant directement les mutations de novo dans le mécanisme génétique de la schizophrénie. Ils permettent de jeter un nouveau regard sur les réseaux biologiques à l’origine de la schizophrénie en mettant sous les projecteurs un type de variations génétiques longtemps laissé pour compte.

Études de nouvelles maladies neurogénétiques chez les Canadiens français.

Depuis déjà plusieurs décennies, nous sommes en mesure d'identifier les mutations responsable de diverses maladies mendéliennes. La découverte des gènes responsables de ces maladies permet non seulement un meilleur diagnostic clinique pour ces familles, mais aussi de mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques de ces maladies ainsi que mieux définir la fonction normale des gènes causales. Ultimement, ces découvertes mènent à l'identification de cibles thérapeutiques pour le traitement de ces maladies. Les progrès technologiques sont depuis toujours un facteur très important dans la découverte de ces gènes mutés. De l'approche traditionnelle de clonage positionnel en passant par la première séquence du génome humain et maintenant les technologies de séquençage à grande échelle, de plus en plus de maladies ont maintenant une entité génétique. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous avons utilisé tant les approches traditionnelles (leucodystrophies) que les nouvelles technologies de séquençage (polyneuropathie douloureuse) qui ont mené à l'identification du gène causal pour plusieurs de nos familles. L'efficacité de ces deux approches n'est plus à démontrer, chacune d'entre elles possèdent des avantages et des inconvénients. Dans le cadre de ces projets, nous avons utilisé la population canadienne-française connue pour ces effets fondateurs et la présence, encore aujourd'hui, de grandes familles. Les différents projets ont permis d'établir certains avantages et inconvénients quant à l'utilisation de ces techniques et de la population canadienne-française. Dans le cadre d'un phénotype assez homogène et bien défini comme celui du projet leucodystrophie, l'approche traditionnel par gène candidat nous a permis d'identifier le gène causal, POLR3B, sans trop de difficulté. Par contre, pour les autres projets où nous sommes en présence d'une hétérogénéité clinique et génétique une approche non-biaisée utilisant le séquençage exomique a obtenu un plus grand succès. La présence de grandes familles est un grand avantage dans les deux approches. Dans le projet polyneuropathie douloureuse, une grande famille originaire du Saguenay-Lac-St-Jean nous a permis d'identifier le gène NAGLU comme responsable suite à l'exclusion des autres variants candidats par analyse de ségrégation. Comme NAGLU était déjà associé à un phénotype qui diffère sur plusieurs points à celui de notre famille, une approche traditionnelle n'aurait pas été en mesure d'identifier NAGLU comme le gène causal. Dans l'analyse de nos données de séquençage exomique, nous avons observé que plusieurs variants rares, absents des bases de données, étaient partagés entre les différents individus Canadiens français. Ceci est probablement dû à la démographie génétique particulière observée chez les Canadiens français. En conclusion, les technologies de séquençage à grande échelle sont avantageuses dans l'étude de maladies hétérogènes au niveau clinique et génétique. Ces technologies sont en voie de modifier l'approche d'identification de gènes en permettant une analyse de génétique inversée, c'est-à-dire de la génétique vers la clinique.

Caractérisation moléculaire d’un récent modèle d’étude de la leucémie myéloïde aigüe à caryotype normal :la lignée cellulaire CG-SH

La leucémie myéloïde aigüe (LMA) est la forme de leucémie la plus fréquente chez l’adulte au Canada. Bien que de nombreux réarrangements chromosomiques récurrents aient été identifiés chez les patients LMA, près de la moitié des cas présentent un caryotype normal (LMA-CN). L’étude de la LMA-CN in vitro est rendue difficile par le fait que la survie des cellules primaires de patients est défectueuse sur le long terme et que les lignées cellulaires leucémiques ont un caryotype hautement anormal. En 2009, Munker et son équipe ont établi une nouvelle lignée cellulaire, CG-SH, ayant la particularité d’avoir un caryotype normal. L’objectif principal de ce projet d’étude est de caractériser plus en détail ce nouveau modèle d’étude. Nous avons identifié l’ensemble des variants génétiques présents dans CG-SH grâce au séquençage du génome entier. Les variants susceptibles de participer à la leucémogénèse ont été isolés, tels que des insertions détectées dans EZH2 et GATA2, et de nombreux variants faux-sens détectés dans des gènes pertinents pour la LMA. Nous avons montré que les cellules CG-SH sont sensibles à l’effet prolifératif d’une combinaison de cytokines, qui agissent sur le comportement des cellules en modifiant l’expression des gènes associés à la régulation de la prolifération, de l’apoptose et de la différentiation. De plus, les cytokines diminuent le taux de nécrose des cellules en culture sur le court terme. La présente étude a permis d’approfondir notre connaissance sur les caractéristiques moléculaires de la lignée cellulaire CG-SH, un nouveau modèle d’étude in vitro de la LMA-CN.

Prevention of Cardiometabolic Disease in Familial Hypercholesterolemia

L’hypercholestérolémie familiale (FH) est un désordre lipidique associé aux maladies cardiovasculaires les plus fréquentes. La FH est causée par des mutations dans les gènes LDLR, APOB et PCSK9. Toutefois, chez 20% des patients souffrant de FH, aucune mutation dans ces gènes n'a été détectée et ceci suggère que d’autres gènes seraient à l’origine de la FH. Actuellement, le seul traitement de la FH est une thérapie aux statines. En général les statines sont bien tolérées, cependant, une monothérapie ne permet pas d’atteindre des niveaux thérapeutiques acceptables et dans bien des cas, une thérapie combinée devient nécessaire. De plus, l’intolérance aux statines est présente dans environ 12% des patients. Dans les trois dernières décennies, la survie des patients avec la FH a augmentée de façon notoire mais on observe aussi l’apparition d’une calcification vasculaire sévère chez certains d’entre eux. Il est donc primordial de développer des nouvelles approches thérapeutiques afin de prévenir ces complications tardives. Dans cette thèse doctorat, nous présentons l’étude d’une famille avec un phénotype de FH sévère non causé par des mutations dans les gènes LDLR, APOB et PCSK9. Par des études biochimiques et par séquençage d’ADN utilisant les technologies de nouvelle génération (NextGenSeq), nous avons découvert une mutation dans le gène de l’APOE (Leu167del). Ceci nous permet de proposer le gène codant pour l’APOE comme le 4e locus responsable de la FH (FH4). Par la suite, nous avons effectué deux études de cohortes chez les patients atteints de FH. Premièrement, dans l’étude JUPITER, nous avons démontré que la rosuvastatin augmente les niveaux sanguins de la protéine PCSK9 et ceci limiterait l’efficacité du traitement aux statines. Nous avons aussi étudié l’influence du mutant naturel R46L (perte de fonction de la PCSK9) dans la réponse aux statines. Deuxièmement, nous avons examiné les effets de la perte de fonction de la PCSK9 sur le profil cardiométabolique au sein d’une population pédiatrique. Nous avons déterminé que le génotype de l’APOE est déterminant dans ce profil cardiométabolique. Enfin, nous avons étudié la calcification vasculaire chez les patients atteints de FH. Cette calcification vasculaire progresse de façon indépendante des niveaux de cholestérol sérique et n’est pas associée aux anomalies de l’homéostasie du calcium. En utilisant des modèles murins, nous avons démontré que les souris Ldlr-/- et Tg(Pcsk9) développent des calcifications vasculaires semblables à celles observées chez l’homme. De plus, nous avons confirmé l’implication de la voie de signalisation LRP5/Wnt dans la pathophysiologie de la calcification artérielle. Avec une étude interventionnelle, nous avons trouvé que l’inhibition de l’interleukine 1β (IL-1β) diminue fortement l’apparition de calcifications vasculaire dans notre modèle murin. En conclusion, nos études ont permis l’identification d’un nouveau gène impliqué dans la FH, ont démontré aussi que les statines augmentent les niveaux sériques de PCSK9 et que la perte de fonction de la PCSK9 altère le profil cardiométabolique. Enfin, nous avons établi que la calcification vasculaire représente une complication tardive chez les patients atteints de FH et que, dans notre modèle murin, la calcification vasculaire peut être retardée par l’inhibition d’IL-1β. Ces découvertes peuvent avoir d’importantes répercussions cliniques chez l’humain.

Caractérisation génétique d’une forme d’ataxie tardive.

Les ataxies forment un groupe de maladies neurodégénératives qui sont caractérisées par un manque de coordination des mouvements volontaires. Mes travaux ont porté sur une forme d'ataxie à début tardif (LOCA), après l’âge de 50 ans. Les principales caractéristiques cliniques sont: atrophie cérébelleuse à l’IRM (88%), dysarthrie (81%), atrophie du lobe frontal (50%) et nystagmus (52%). La ségrégation dans les familles de cette ataxie est en faveur d’une transmission récessive. Afin d'identifier le gène responsable de LOCA, nous avons recruté 38 patients affectés d'une forme tardive d'ataxie, issus du SLSJ, des Cantons de l’Est ou d’autres régions du Québec. Un premier criblage du génome a été effectué avec des marqueurs microsatellites sur une famille clé. Une analyse de liaison paramétrique nous a suggéré une liaison au chromosome 13 (4.4Mb). Une recherche d’un haplotype partagé entre 17 familles LOCA a diminué la taille de l'intervalle candidat à 1.6Mb, mais l’haplotype s’est avéré fréquent dans la population canadienne-française. Un second criblage du génome avec des marqueurs SNP nous a permis d’évaluer par cartographie d’homozygotie la possibilité qu’une mutation fondatrice partagée dans des sous-groupes de malades. Plusieurs stratégies d'analyse ont été effectuées, entre autre par regroupement régional. Aucun loci candidats ne fut identifié avec confiance. Nous avons donc combiné les données de génotypage avec le séquençage exomique afin d'identifier le gène responsable. L'analyse de six individus atteints nous a permis d'obtenir une liste de variants rare contenant quatre gènes potentiels. Cette analyse doit se poursuivre pour identifier le gène responsable de LOCA.

Vers une prise en charge améliorée des patients avec glycogénose : nouvelles approches diagnostique et thérapeutique

Les glycogénoses sont des maladies touchant la synthèse ou la dégradation du glycogène. Un diagnostic précoce et une diète optimale, incluant la prévention des hypoglycémies, sont d’une importante cruciale pour le devenir des patients. Les présents travaux visaient la confirmation génétique de glycogénose chez des patients inuits du Nunavik ainsi que l’évaluation de l’impact sur le sommeil et la qualité de vie d’une nouvelle thérapie nutritionnelle, GlycosadeTM, dans une cohorte de patients montréalaise. Par séquençage d’exome, nous avons identifié la mutation causale de glycogénose au Nunavik, permettant un diagnostic précoce et un dépistage des membres de la famille. Nous avons aussi introduit une fécule de maïs à action prolongée et évalué prospectivement le sommeil et la qualité de vie des patients avec glycogénose avant et après ce traitement. Nous avons mis en évidence des troubles de sommeil chez les patients et avons discuté du GlycosadeTM comme d’une option thérapeutique prometteuse.

Evolutionary dynamics of Staphylococcus aureus during progression from carriage to disease

Whole-genome sequencing offers new insights into the evolution of bacterial pathogens and the etiology of bacterial disease. Staph- ylococcus aureus is a major cause of bacteria-associated mortality and invasive disease and is carried asymptomatically by 27% of adults. Eighty percent of bacteremias match the carried strain. How- ever, the role of evolutionary change in the pathogen during the progression from carriage to disease is incompletely understood. Here we use high-throughput genome sequencing to discover the genetic changes that accompany the transition from nasal carriage to fatal bloodstream infection in an individual colonized with meth- icillin-sensitive S. aureus. We found a single, cohesive population exhibiting a repertoire of 30 single-nucleotide polymorphisms and four insertion/deletion variants. Mutations accumulated at a steady rate over a 13-mo period, except for a cluster of mutations preceding the transition to disease. Although bloodstream bacteria differed by just eight mutations from the original nasally carried bacteria, half of those mutations caused truncation of proteins, including a prema- ture stop codon in an AraC-family transcriptional regulator that has been implicated in pathogenicity. Comparison with evolution in two asymptomatic carriers supported the conclusion that clusters of pro- tein-truncating mutations are highly unusual. Our results demon- strate that bacterial diversity in vivo is limited but nonetheless detectable by whole-genome sequencing, enabling the study of evolutionary dynamics within the host. Regulatory or structural changes that occur during carriage may be functionally important for pathogenesis; therefore identifying those changes is a crucial step in understanding the biological causes of invasive bacterial disease.

Rare variants in LRRK1 and Parkinson's disease

Approximately 20 % of individuals with Parkinson's disease (PD) report a positive family history. Yet, a large portion of causal and disease-modifying variants is still unknown. We used exome sequencing in two affected individuals from a family with late-onset PD to identify 15 potentially causal variants. Segregation analysis and frequency assessment in 862 PD cases and 1,014 ethnically matched controls highlighted variants in EEF1D and LRRK1 as the best candidates. Mutation screening of the coding regions of these genes in 862 cases and 1,014 controls revealed several novel non-synonymous variants in both genes in cases and controls. An in silico multi-model bioinformatics analysis was used to prioritize identified variants in LRRK1 for functional follow- up. However, protein expression, subcellular localization, and cell viability were not affected by the identified variants. Although it has yet to be proven conclusively that variants in LRRK1 are indeed causative of PD, our data strengthen a possible role for LRRK1 in addition to LRRK2 in the genetic underpinnings of PD but, at the same time, highlight the difficulties encountered in the study of rare variants identified by next-generation sequencing in diseases with autosomal dominant or complex patterns of inheritance.

Yield optimization of a heterologously expressed novel mouse macrophage protein

The large scale whole-genome sequencing projects have resulted in large numbers of un-characterized and un-annotated protein sequences. This presents an opportunity and a challenge to characterise these novel protein sequences. Structural biology has become a widely accepted methodology to help assign functions to such proteins, complementing other cellular and biochemical studies. However, most of these studies require the target protein to be produced in large quantities and in a highly pure and soluble state. The present study is an attempt to maximise production of a recombinant mouse macrophage protein (rMMP) over-expressed heterologously in Escherichia coli. Highest production of biomass and total protein (6.6 mg mL-1) was observed at 37 °C. Maximum cell disruption (89%) was observed during freeze-thawing and subsequent ultrasonication.

Application of dissociation curve analysis to radiation hybrid panel marker scoring: generation of a map of river buffalo (B-bubalis) chromosome 20

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Integrando citogenética e genômica em estudos comparativos entre peixes ciclídeos e outros vertebrados

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Perfil metagenômico de solo sob cultivo de cana-de-açúcar com perspectiva na produção de bioenergia

Pós-graduação em Microbiologia Agropecuária - FCAV

Regulatory variation in a TBX5 enhancer leads to isolated congenital heart disease

Recent studies have identified the genetic underpinnings of a growing number of diseases through targeted exome sequencing. However, this strategy ignores the large component of the genome that does not code for proteins, but is nonetheless biologically functional. To address the possible involvement of regulatory variation in congenital heart diseases (CHDs), we searched for regulatory mutations impacting the activity of TBX5, a dosage-dependent transcription factor with well-defined roles in the heart and limb development that has been associated with the HoltOram syndrome (hearthand syndrome), a condition that affects 1/100 000 newborns. Using a combination of genomics, bioinformatics and mouse genetic engineering, we scanned approximate to 700 kb of the TBX5 locus in search of cis-regulatory elements. We uncovered three enhancers that collectively recapitulate the endogenous expression pattern of TBX5 in the developing heart. We re-sequenced these enhancer elements in a cohort of non-syndromic patients with isolated atrial and/or ventricular septal defects, the predominant cardiac defects of the HoltOram syndrome, and identified a patient with a homozygous mutation in an enhancer approximate to 90 kb downstream of TBX5. Notably, we demonstrate that this single-base-pair mutation abrogates the ability of the enhancer to drive expression within the heart in vivo using both mouse and zebrafish transgenic models. Given the population-wide frequency of this variant, we estimate that 1/100 000 individuals would be homozygous for this variant, highlighting that a significant number of CHD associated with TBX5 dysfunction might arise from non-coding mutations in TBX5 heart enhancers, effectively decoupling the heart and hand phenotypes of the HoltOram syndrome.

Identificación de regiones del ADN con baja frecuencia de lectura

[ES] El ADN es un polímero que contiene la mayor parte de la información necesaria para el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos. La información está fraccionada en diferentes segmentos, los genes, que contienen variables que son individuales y que determinan las características de cada persona. Hay dos que son de especial importancia para la atención sanitaria: la susceptibilidad genética de padecer una enfermedad y la capacidad de responder de forma diferencial a un medicamento, denominado farmacogenética. Poder identificar dichas variantes puede ayudar a comprender la enfermedad e individualizar el tratamiento del paciente respectivamente. Para conocer estas variantes debemos conocer la secuencia de ADN de los genes implicados en las patologías o en las características farmacogenéticas para un individuo determinado, un proceso denominado secuenciación. Sin embargo, existen técnicas para seleccionar y secuenciar el exoma, que es la parte del genoma que contienen los exones, fracciones de los genes que contienen la información necesaria para la fabricación de las proteínas. La secuenciación de exoma cubre la mayor parte de los exones del genoma, pero no detecta algunas regiones, lo que imposibilita la detección de variantes en ellas. Este hecho crea una incertidumbre diagnóstica, lo que limita el poder de esta herramienta para la detección de mutaciones patogénicas. Así, el objetivo principal del Trabajo Fin de Grado es la creación de una herramienta informática que permita al personal clínico, la detección de regiones del exoma con poca cobertura de secuenciación, es decir, regiones del ADN con una frecuencia de lectura baja comparándolo con respecto al genoma de referencia.