Maintenance of polymorphism : a theoretical approach using multilocus systems

Résumé La thématique de cette thèse peut être résumée par le célèbre paradoxe de biologie évolutive sur le maintien du polymorphisme face à la sélection et par l'équation du changement de fréquence gamétique au cours du temps dû, à la sélection. La fréquence d'un gamète xi à la génération (t + 1) est: !!!Equation tronquée!!! Cette équation est utilisée pour générer des données utlisée tout au long de ce travail pour 2, 3 et 4 locus dialléliques. Le potentiel de l'avantage de l'hétérozygote pour le maintien du polymorphisme est le sujet de la première partie. La définition commune de l'avantage de l'hétérozygote n'etant applicable qu'a un locus ayant 2 allèles, cet avantage est redéfini pour un système multilocus sur les bases de précédentes études. En utilisant 5 définitions différentes de l'avantage de l'hétérozygote, je montre que cet avantage ne peut être un mécanisme général dans le maintien du polymorphisme sous sélection. L'étude de l'influence de locus non-détectés sur les processus évolutifs, seconde partie de cette thèse, est motivée par les travaux moléculaires ayant pour but de découvrir le nombre de locus codant pour un trait. La plupart de ces études sous-estiment le nombre de locus. Je montre que des locus non-détectés augmentent la probabilité d'observer du polymorphisme sous sélection. De plus, les conclusions sur les facteurs de maintien du polymorphisme peuvent être trompeuses si tous les locus ne sont pas détectés. Dans la troisième partie, je m'intéresse à la valeur attendue de variance additive après un goulot d'étranglement pour des traits sélectionés. Une études précédente montre que le niveau de variance additive après goulot d'étranglement augmente avec le nombre de loci. Je montre que le niveau de variance additive après un goulot d'étranglement augmente (comparé à des traits neutres), mais indépendamment du nombre de loci. Par contre, le taux de recombinaison a une forte influence, entre autre en regénérant les gamètes disparus suite au goulot d'étranglement. La dernière partie de ce travail de thèse décrit un programme pour le logiciel de statistique R. Ce programme permet d'itérer l'équation ci-dessus en variant les paramètres de sélection, recombinaison et de taille de populations pour 2, 3 et 4 locus dialléliques. Cette thèse montre qu'utiliser un système multilocus permet d'obtenir des résultats non-conformes à ceux issus de systèmes rnonolocus (la référence en génétique des populations). Ce programme ouvre donc d'intéressantes perspectives en génétique des populations. Abstract The subject of this PhD thesis can be summarized by one famous paradox of evolu-tionary biology: the maintenance of polymorphism in the face of selection, and one classical equation of theoretical population genetics: the changes in gametic frequencies due to selection and recombination. The frequency of gamete xi at generation (t + 1) is given by: !!! Truncated equation!!! This equation is used to generate data on selection at two, three, and four diallelic loci for the different parts of this work. The first part focuses on the potential of heterozygote advantage to maintain genetic polymorphism. Results of previous studies are used to (re)define heterozygote advantage for multilocus systems, since the classical definition is for one diallelic locus. I use 5 different definitions of heterozygote advantage. And for these five definitions, I show that heterozygote advantage is not a general mechanism for the maintenance of polymorphism. The study of the influence of undetected loci on evolutionary processes (second part of this work) is motivated by molecular works which aim at discovering the loci coding for a trait. For most of these works, some coding loci remains undetected. I show that undetected loci increases the probability of maintaining polymorphism under selection. In addition, conclusions about the factor that maintain polymorphism can be misleading if not all loci are considered. This is, therefore, only when all loci are detected that exact conclusions on the level of maintained polymorphism or on the factor(s) that maintain(s) polymorphism could be drawn. In the third part, the focus is on the expected release of additive genetic variance after bottleneck for selected traits. A previous study shows that the expected release of additive variance increases with an increase in the number of loci. I show that the expected release of additive variance after bottleneck increases for selected traits (compared with neutral), but this increase is not a function of the number of loci, but function of the recombination rate. Finally, the last part of this PhD thesis is a description of a package for the statistical software R that implements the Equation given above. It allows to generate data for different scenario regarding selection, recombination, and population size. This package opens perspectives for the theoretical population genetics that mainly focuses on one locus, while this work shows that increasing the number of loci leads not necessarily to straightforward results.

Computational and statistical analysis of copy number variants in normal and cancer genomes

AbstractAlthough the genomes from any two human individuals are more than 99.99% identical at the sequence level, some structural variation can be observed. Differences between genomes include single nucleotide polymorphism (SNP), inversion and copy number changes (gain or loss of DNA). The latter can range from submicroscopic events (CNVs, at least 1kb in size) to complete chromosomal aneuploidies. Small copy number variations have often no (lethal) consequences to the cell, but a few were associated to disease susceptibility and phenotypic variations. Larger re-arrangements (i.e. complete chromosome gain) are frequently associated with more severe consequences on health such as genomic disorders and cancer. High-throughput technologies like DNA microarrays enable the detection of CNVs in a genome-wide fashion. Since the initial catalogue of CNVs in the human genome in 2006, there has been tremendous interest in CNVs both in the context of population and medical genetics. Understanding CNV patterns within and between human populations is essential to elucidate their possible contribution to disease. But genome analysis is a challenging task; the technology evolves rapidly creating needs for novel, efficient and robust analytical tools which need to be compared with existing ones. Also, while the link between CNV and disease has been established, the relative CNV contribution is not fully understood and the predisposition to disease from CNVs of the general population has not been yet investigated.During my PhD thesis, I worked on several aspects related to CNVs. As l will report in chapter 3, ! was interested in computational methods to detect CNVs from the general population. I had access to the CoLaus dataset, a population-based study with more than 6,000 participants from the Lausanne area. All these individuals were analysed on SNP arrays and extensive clinical information were available. My work explored existing CNV detection methods and I developed a variety of metrics to compare their performance. Since these methods were not producing entirely satisfactory results, I implemented my own method which outperformed two existing methods. I also devised strategies to combine CNVs from different individuals into CNV regions.I was also interested in the clinical impact of CNVs in common disease (chapter 4). Through an international collaboration led by the Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) and the Imperial College London I was involved as a main data analyst in the investigation of a rare deletion at chromosome 16p11 detected in obese patients. Specifically, we compared 8,456 obese patients and 11,856 individuals from the general population and we found that the deletion was accounting for 0.7% of the morbid obesity cases and was absent in healthy non- obese controls. This highlights the importance of rare variants with strong impact and provides new insights in the design of clinical studies to identify the missing heritability in common disease.Furthermore, I was interested in the detection of somatic copy number alterations (SCNA) and their consequences in cancer (chapter 5). This project was a collaboration initiated by the Ludwig Institute for Cancer Research and involved other groups from the Swiss Institute of Bioinformatics, the CHUV and Universities of Lausanne and Geneva. The focus of my work was to identify genes with altered expression levels within somatic copy number alterations (SCNA) in seven metastatic melanoma ceil lines, using CGH and SNP arrays, RNA-seq, and karyotyping. Very few SCNA genes were shared by even two melanoma samples making it difficult to draw any conclusions at the individual gene level. To overcome this limitation, I used a network-guided analysis to determine whether any pathways, defined by amplified or deleted genes, were common among the samples. Six of the melanoma samples were potentially altered in four pathways and five samples harboured copy-number and expression changes in components of six pathways. In total, this approach identified 28 pathways. Validation with two external, large melanoma datasets confirmed all but three of the detected pathways and demonstrated the utility of network-guided approaches for both large and small datasets analysis.RésuméBien que le génome de deux individus soit similaire à plus de 99.99%, des différences de structure peuvent être observées. Ces différences incluent les polymorphismes simples de nucléotides, les inversions et les changements en nombre de copies (gain ou perte d'ADN). Ces derniers varient de petits événements dits sous-microscopiques (moins de 1kb en taille), appelés CNVs (copy number variants) jusqu'à des événements plus large pouvant affecter des chromosomes entiers. Les petites variations sont généralement sans conséquence pour la cellule, toutefois certaines ont été impliquées dans la prédisposition à certaines maladies, et à des variations phénotypiques dans la population générale. Les réarrangements plus grands (par exemple, une copie additionnelle d'un chromosome appelée communément trisomie) ont des répercutions plus grave pour la santé, comme par exemple dans certains syndromes génomiques et dans le cancer. Les technologies à haut-débit telle les puces à ADN permettent la détection de CNVs à l'échelle du génome humain. La cartographie en 2006 des CNV du génome humain, a suscité un fort intérêt en génétique des populations et en génétique médicale. La détection de différences au sein et entre plusieurs populations est un élément clef pour élucider la contribution possible des CNVs dans les maladies. Toutefois l'analyse du génome reste une tâche difficile, la technologie évolue très rapidement créant de nouveaux besoins pour le développement d'outils, l'amélioration des précédents, et la comparaison des différentes méthodes. De plus, si le lien entre CNV et maladie a été établit, leur contribution précise n'est pas encore comprise. De même que les études sur la prédisposition aux maladies par des CNVs détectés dans la population générale n'ont pas encore été réalisées.Pendant mon doctorat, je me suis concentré sur trois axes principaux ayant attrait aux CNV. Dans le chapitre 3, je détaille mes travaux sur les méthodes d'analyses des puces à ADN. J'ai eu accès aux données du projet CoLaus, une étude de la population de Lausanne. Dans cette étude, le génome de plus de 6000 individus a été analysé avec des puces SNP et de nombreuses informations cliniques ont été récoltées. Pendant mes travaux, j'ai utilisé et comparé plusieurs méthodes de détection des CNVs. Les résultats n'étant pas complètement satisfaisant, j'ai implémenté ma propre méthode qui donne de meilleures performances que deux des trois autres méthodes utilisées. Je me suis aussi intéressé aux stratégies pour combiner les CNVs de différents individus en régions.Je me suis aussi intéressé à l'impact clinique des CNVs dans le cas des maladies génétiques communes (chapitre 4). Ce projet fut possible grâce à une étroite collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) et l'Impérial College à Londres. Dans ce projet, j'ai été l'un des analystes principaux et j'ai travaillé sur l'impact clinique d'une délétion rare du chromosome 16p11 présente chez des patients atteints d'obésité. Dans cette collaboration multidisciplinaire, nous avons comparés 8'456 patients atteint d'obésité et 11 '856 individus de la population générale. Nous avons trouvés que la délétion était impliquée dans 0.7% des cas d'obésité morbide et était absente chez les contrôles sains (non-atteint d'obésité). Notre étude illustre l'importance des CNVs rares qui peuvent avoir un impact clinique très important. De plus, ceci permet d'envisager une alternative aux études d'associations pour améliorer notre compréhension de l'étiologie des maladies génétiques communes.Egalement, j'ai travaillé sur la détection d'altérations somatiques en nombres de copies (SCNA) et de leurs conséquences pour le cancer (chapitre 5). Ce projet fut une collaboration initiée par l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer et impliquant l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les Universités de Lausanne et Genève. Je me suis concentré sur l'identification de gènes affectés par des SCNAs et avec une sur- ou sous-expression dans des lignées cellulaires dérivées de mélanomes métastatiques. Les données utilisées ont été générées par des puces ADN (CGH et SNP) et du séquençage à haut débit du transcriptome. Mes recherches ont montrées que peu de gènes sont récurrents entre les mélanomes, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats. Pour contourner ces limitations, j'ai utilisé une analyse de réseaux pour définir si des réseaux de signalisations enrichis en gènes amplifiés ou perdus, étaient communs aux différents échantillons. En fait, parmi les 28 réseaux détectés, quatre réseaux sont potentiellement dérégulés chez six mélanomes, et six réseaux supplémentaires sont affectés chez cinq mélanomes. La validation de ces résultats avec deux larges jeux de données publiques, a confirmée tous ces réseaux sauf trois. Ceci démontre l'utilité de cette approche pour l'analyse de petits et de larges jeux de données.Résumé grand publicL'avènement de la biologie moléculaire, en particulier ces dix dernières années, a révolutionné la recherche en génétique médicale. Grâce à la disponibilité du génome humain de référence dès 2001, de nouvelles technologies telles que les puces à ADN sont apparues et ont permis d'étudier le génome dans son ensemble avec une résolution dite sous-microscopique jusque-là impossible par les techniques traditionnelles de cytogénétique. Un des exemples les plus importants est l'étude des variations structurales du génome, en particulier l'étude du nombre de copies des gènes. Il était établi dès 1959 avec l'identification de la trisomie 21 par le professeur Jérôme Lejeune que le gain d'un chromosome supplémentaire était à l'origine de syndrome génétique avec des répercussions graves pour la santé du patient. Ces observations ont également été réalisées en oncologie sur les cellules cancéreuses qui accumulent fréquemment des aberrations en nombre de copies (telles que la perte ou le gain d'un ou plusieurs chromosomes). Dès 2004, plusieurs groupes de recherches ont répertorié des changements en nombre de copies dans des individus provenant de la population générale (c'est-à-dire sans symptômes cliniques visibles). En 2006, le Dr. Richard Redon a établi la première carte de variation en nombre de copies dans la population générale. Ces découvertes ont démontrées que les variations dans le génome était fréquentes et que la plupart d'entre elles étaient bénignes, c'est-à-dire sans conséquence clinique pour la santé de l'individu. Ceci a suscité un très grand intérêt pour comprendre les variations naturelles entre individus mais aussi pour mieux appréhender la prédisposition génétique à certaines maladies.Lors de ma thèse, j'ai développé de nouveaux outils informatiques pour l'analyse de puces à ADN dans le but de cartographier ces variations à l'échelle génomique. J'ai utilisé ces outils pour établir les variations dans la population suisse et je me suis consacré par la suite à l'étude de facteurs pouvant expliquer la prédisposition aux maladies telles que l'obésité. Cette étude en collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois a permis l'identification d'une délétion sur le chromosome 16 expliquant 0.7% des cas d'obésité morbide. Cette étude a plusieurs répercussions. Tout d'abord elle permet d'effectuer le diagnostique chez les enfants à naître afin de déterminer leur prédisposition à l'obésité. Ensuite ce locus implique une vingtaine de gènes. Ceci permet de formuler de nouvelles hypothèses de travail et d'orienter la recherche afin d'améliorer notre compréhension de la maladie et l'espoir de découvrir un nouveau traitement Enfin notre étude fournit une alternative aux études d'association génétique qui n'ont eu jusqu'à présent qu'un succès mitigé.Dans la dernière partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'analyse des aberrations en nombre de copies dans le cancer. Mon choix s'est porté sur l'étude de mélanomes, impliqués dans le cancer de la peau. Le mélanome est une tumeur très agressive, elle est responsable de 80% des décès des cancers de la peau et est souvent résistante aux traitements utilisés en oncologie (chimiothérapie, radiothérapie). Dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer, l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les universités de Lausanne et Genève, nous avons séquencés l'exome (les gènes) et le transcriptome (l'expression des gènes) de sept mélanomes métastatiques, effectués des analyses du nombre de copies par des puces à ADN et des caryotypes. Mes travaux ont permis le développement de nouvelles méthodes d'analyses adaptées au cancer, d'établir la liste des réseaux de signalisation cellulaire affectés de façon récurrente chez le mélanome et d'identifier deux cibles thérapeutiques potentielles jusqu'alors ignorées dans les cancers de la peau.

Architectural features of bacterial genomes and their applications

Résumé -Caractéristiques architecturales des génomes bactériens et leurs applications Les bactéries possèdent généralement un seul chromosome circulaire. A chaque génération, ce chromosome est répliqué bidirectionnellement, par deux complexes enzymatiques de réplication se déplaçant en sens opposé depuis l'origine de réplication jusqu'au terminus, situé à l'opposé. Ce mode de réplication régit l'architecture du chromosome -l'orientation des gènes par rapport à la réplication, notamment - et est en grande partie à l'origine des pressions qui provoquent la variation de la composition en nucléotides du génome, hors des contraintes liées à la structure et à la fonction des protéines codées sur le chromosome. Le but de cette thèse est de contribuer à quantifier les effets de la réplication sur l'architecture chromosomique, en s'intéressant notamment aux gènes des ARN ribosomiques, cruciaux pour la bactérie. D'un autre côté, cette architecture est spécifique à l'espèce et donne ainsi une «identité génomique » aux gènes. Il est démontré ici qu'il est possible d'utiliser des marqueurs «naïfs » de cette identité pour détecter, notamment dans le génome du staphylocoque doré, des îlots de pathogénicité, qui concentrent un grand nombre de facteurs de virulence de la bactérie. Ces îlots de pathogénicité sont mobiles, et peuvent passer d'une bactérie à une autre, mais conservent durant un certain temps l'identité génomique de leur hôte précédent, ce qui permet de les reconnaître dans leur nouvel hôte. Ces méthodes simples, rapides et fiables seront de la plus haute importance lorsque le séquençage des génomes entiers sera rapide et disponible à très faible coût. Il sera alors possible d'analyser instantanément les déterminants pathogéniques et de résistance aux antibiotiques des agents pathogènes. Summary The bacterial genome is a highly organized structure, which may be referred to as the genome architecture, and is mainly directed by DNA replication. This thesis provides significant insights in the comprehension of the forces that shape bacterial chromosomes, different in each genome and contributing to confer them an identity. First, it shows the importance of the replication in directing the orientation of prokaryotic ribosomal RNAs, and how it shapes their nucleotide composition in a tax on-specific manner. Second, it highlights the pressure acting on the orientation of the genes in general, a majority of which are transcribed in the same direction as replication. Consequently, apparent infra-arm genome rearrangements, involving an exchange of the leading/lagging strands and shown to reduce growth rate, are very likely artifacts due to an incorrect contig assembly. Third, it shows that this genomic identity can be used to detect foreign parts in genomes, by establishing this identity for a given host and identifying the regions that deviate from it. This property is notably illustrated with Staphylococcus aureus: known pathogenicity islands and phages, and putative ancient pathogenicity islands concentrating many known pathogenicity-related genes are highlighted; the analysis also detects, incidentally, proteins responsible for the adhesion of S. aureus to the hosts' cells. In conclusion, the study of nucleotide composition of bacterial genomes provides the opportunity to better understand the genome-level pressures that shape DNA sequences, and to identify genes and regions potentially related to pathogenicity with fast, simple and reliable methods. This will be of crucial importance when whole-genome sequencing will be a rapid, inexpensive and routine tool.

Molecular genetics of narcolepsy

1 Abstract Sleep is a vital necessity, yet its basic physiological function is still unknown, despite numerous studies both in healthy humans and animal models. The study of patients with sleep disorders may help uncover major biological pathways in sleep regulation and thus shed light on the actual function of sleep. Narcolepsy is a well defined but rare sleep disorder characterized by excessive daytime sleepiness and cataplexy, thought to be caused by a combination of genetic and environmental factors. The aim of this work was to identify genes or genetic variants, which contribute to the pathogenesis of sporadic and familial narcolepsy. Sporadic narcolepsy is the disorder with the strongest human leukocyte antigen (HLA) association ever reported. Since the associated HLA-DRB1 *1501-DQB1 *0602 haplotype is common in the general population (15-25%), it has been suggested that it is necessary but not sufficient for developing narcolepsy. To further define the genetic basis of narcolepsy risk, we performed a genome-wide association study (GWAS) in 562 European individuals with narcolepsy (cases) and 702 ethnically matched controls, with independent replication in 370 cases and 495 controls, all heterozygous for DRB1*1501-DQB1*0602. We found association with a protective variant near HLA-DQA2. Further analysis revealed that the identified SNP is strongly linked to DRB1*03-DQB1*02 and DRBΠ 301-DQB1*0603. Cases almost never carried a trans DRB1*1301-DQB1*0603 haplotype. This unexpected protective HLA haplotype suggests a causal involvement of the HLA region in narcolepsy susceptibility. Familial cases of narcolepsy account for 10% of all narcolepsy cases. However, due to low number of affected family members, narcolepsy families are usually not eligible for genetic linkage studies. We identified and characterized a large Spanish family with 11 affected family members representing the largest ever reported narcolepsy family. We ran a genetic linkage analysis using DNA of 11 affected and 15 unaffected family members and hereby identified a chromosomal candidate region on chromosome 6 encompassing 163 kb with a maximum multipoint LOD score of 5.02. The coding sequences of 4 genes within this haplotype block as well as 2 neighboring genes were screened for pathogenetic mutations in 2 affected and 1 healthy family members. So far no pathogenic mutation could be identified. Further in-depth sequencing of our candidate region as well as whole genome exome sequencing are underway to identify the pathogenic mutation(s) in this family and will further improve our understanding of the genetic basis of narcolepsy. 2 Résumé Le sommeil est un processus vital, dont la fonction physiologique est encore inconnue, malgré de nombreuses études chez des sujets humains sains ainsi que dans des modèles animaux. L'étude de patients souffrant de troubles du sommeil peut permettre la découverte de voies biologiques jouant un rôle majeur dans la régulation du sommeil. L'un de ces troubles, la narcolepsie, est une maladie rare mais néanmoins bien définie, caractérisée par une somnolence diurne excessive accompagnée de cataplexies. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Le but du présent travail était d'identifier !e(s) gène(s) ou les polymorphismes constituant des facteurs de risque dans les formes sporadique et familiale de narcolepsie. La narcolepsie sporadique est la maladie possédant la plus forte association avec le complexe majeur d'histocompatibilité humain (HLA) jamais reportée. La fréquence au sein de la population générale de l'haplotype associé HLA-DRB1*1501- DQB1*0602 (15-25%) suggère que ce dernier est nécessaire, mais pas suffisant, pour (e développement de la maladie. Nous avons voulu approfondir la recherche de facteurs génétiques augmentant le risque de la narcolepsie. A cette fin, nous avons entrepris une étude d'association à l'échelle du génome (genome-wide association study, GWAS) parmi 562 sujets narcoleptiques européens (cas) et 702 individus contrôle de même origine ethnique et nous avons trouvé une association avec un variant protecteur près du gène HLA- DQA2. Ce résultat a été répliqué indépendamment dans 370 cas et 495 contrôles, tous hétérozygotes au locus DRB1*1501-DQB1*0602. Une analyse plus fine montre que le polymorphisme identifié est fortement lié aux allèles DRB1*03-DQB1*02 et DRB1*1301-DQB1*0603. Nous notons que seul un cas était porteur d'un haplotype en trans DRB1*1301-DQBr0603. La découverte de cet allele HLA protecteur suggère que la région HLA joue un rôle causal dans la susceptibilité à la narcolepsie. Dix pourcents des cas de narcolepsie sont familiaux. Cependant, le faible nombre de membres affectés rend ces familles inéligibles pour des études de liaison génétique. Nous avons identifié et caractérisé une grande famille espagnole, dont 11 membres sont atteints par la maladie, ce qui représente la plus grande famille narcoleptique rapportée jusqu'à ce jour. A partir de l'ADN de 11 membres atteints et 15 non- atteints, nous avons identifié par étude de liaison une région candidate de 163 kîlobases (kb) sur le chromosome 6, correspondant à un LOD score multipoints de 5.02. Nous avons cherché, sans succès, des mutations pathogéniques dans la séquence codante de deux gènes situés à l'intérieur de ce segment, ainsi que 4 gènes adjacents. Un séquençage plus approfondi de la région ainsi que le séquençage des exons de tout le génome est en cours et doit s'avérer plus fructueux et révéler la ou tes mutation(s) pathogénique(s) dans cette famille, ce qui contribuerait à une meilleure compréhension des causes génétiques de la narcolepsie. 3 Résumé pour un large public Le sommeil est une nécessité vitale, dont le rôle physiologique exact reste inconnu malgré de nombreuses études sur des sujets humains sains ainsi que sur des modèles animaux. C'est pourquoi les troubles du sommeil intéressent les chercheurs, car l'élucidation des mécanismes responsables peut permettre de mieux comprendre le fonctionnement du sommeil normal. La narcolepsie est une maladie du sommeil caractérisée par une somnolence diurne excessive. Les personnes atteintes peuvent s'endormir involontairement à tout moment de la journée, et souffrent également de pertes du tonus musculaire (cataplexie) lors de fortes émotions, par exemple un fou rire. La narcolepsie est une maladie rare, apparaissant dans 1 personne sur 2000. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Nous avons voulu identifier les facteurs génétiques influençant le déclenchement de la maladie, d'abord dans sa forme sporadique, puis dans une famille comptant de nombreux membres atteints. En comparant les variations génétiques de près de 1000 sujets narcoleptiques européens avec ceux de 1200 individus sains, nous avons trouvé chez 30% de ces derniers un variant protecteur, qui diminue de 50 fois le risque de développer la maladie, ce qui constitue le plus puissant facteur génétique protecteur décrit à ce jour. Nous avons ensuite étudié une grande famille espagnole comptant une trentaine de membres, dont 11 sont atteints de narcolepsie. De nouveau, nous avons comparé les variations génétiques des membres atteints avec ceux des membres sains. Nous avons ainsi pu identifier une région dans le génome où se trouverait le(s) gène(s) impliqué(s) dans la maladie dans cette famille, mais n'avons pas encore trouvé le(s) variant(s) exact(s). Une étude plus approfondie devrait permettre de P(les) identifier et ainsi contribuer à l'élucidation des mécanismes menant au développement de la narcolepsie.

Pharmacogenetics of Antiviral Treatment

RESUME - FRANÇAISRésuméDans ce travail de thèse, l'importance de la pharmacogénétique des traitements antiviraux a été évaluée en déterminant, au moyen de trois différentes approches, l'impact de variations génétiques sur la pharmacocinétique de deux traitements antirétroviraux (à savoir l'efavirenz et le lopinavir) ainsi que sur la capacité de pouvoir éliminer le virus de l'hépatite C de façon naturelle ou suite à un traitement médicamenteux.L'influence des variations génétiques sur les taux plasmatiques de l'efavirenz et de ses métabolites primaires a été évaluée par l'analyse d'un seul gène candidat : le cytochrome P450 (CYP) 2A6, impliqué dans une voie métabolique accessoire de l'efavirenz. Cette étude a permis de démontrer que le génotype du CYP2A6 devient cliniquement déterminant en l'absence de fonction du CYP2B6, impliqué dans la voie métabolique principale, et que la perte simultanée des voies métaboliques principales et accessoires entraine une augmen¬tation du risque d'interruption du traitement, soulignant la valeur prédictive du génotypage.L'influence de la génétique sur la clairance du lopinavir a été évaluée par l'analyse à grande échelle de gènes candidats, à savoir les gènes potentiellement impliqués dans l'absorption, le métabolisme, la distribution et l'élimination d'un médicament. Cette étude a permis l'identification de 4 polymorphismes, dans des transporteurs et des enzymes métaboliques, associés à la clairance du lopinavir et expliquant 5% de la variabilité inter¬individuelle de ce phénotype.L'influence de la génétique sur la capacité d'éliminer le virus de l'hépatite C, de façon naturelle ou à la suite d'un traitement, a été évaluée par l'analyse du génome entier. Cette étude a permis l'identification d'un polymorphisme situé à proximité de l'interféron-X3. Quatre variations génétiques potentiellement causales ont ensuite pu être identifiées par reséquencage. Finalement, la contribution nette de ce gène sur l'élimination du virus a pu être évaluée dans une cohorte infectée par une seule et même source, permettant ainsi de contrôler l'effet de la diversité virale, du genre et de la présence de co-infections.Cette thèse a permis de mettre en évidence les diverses méthodes disponibles pour la recherche en pharmacogénétique, ainsi que l'importance du reséquencage pour l'identification de variations génétiques causales.SUMMARY - ENGLISHSummaryIn this thesis work the relevance of pharmacogenetics of antiviral treatment has been assessed by investigating, through three different approaches, the impact of host genetic variation on antiretroviral drug disposition (namely efavirenz and lopinavir) and on natural or treatment-induced clearance of hepatitis C virus.The influence of host genetic variation on efavirenz and its primary metabolite plasma levels was assessed by single candidate gene approach, through comprehensive analysis of cytochrome P450 (CYP) 2A6 - involved in efavirenz accessory metabolic pathway. The study could demonstrate that CYP2A6 genotype became increasingly relevant in the setting of limited CYP2B6 function - involved in efavirenz main metabolic pathway - and that individuals with both main and accessory metabolic pathways impaired were at higher risk for treatment discontinuation, overall emphasizing the predictive power of genotyping.The influence of host genetic variation on lopinavir clearance was assessed by large scale candidate gene approach, through analysis of genes involved in the absorption, distribution, metabolism and elimination. The study identified four genetic variants in drug transporters and metabolizing enzymes that explained 5% of the interindividual variability in lopinavir clearance.The influence of host genetic variation on hepatitis C virus (HCV) natural or treatment- induced clearance was assessed through genome-wide association study approach. This study identified an intergenic polymorphism, part of a linkage disequilibrium block encompassing the interferon-3 gene, as highly associated with treatment-induced and spontaneous HCV clearance. Resequencing and recombinant mapping lead to the identification of four potentially causal genetic variants. Finally, we could assess the net contribution of genetic variants in interferon-3 to clearance by controlling for viral diversity, gender and co-infection status in a single source infected cohort.This thesis highlights the various genetic tools available to pharmacogenetic discovery (candidate gene, pathway or and genome-wide approaches), and the importance of resequencing for mapping of causal variants.

On the transcriptional role of NLRC5 and the function of NLRC5-driven MHC class I expression in the immune system

Major histocompatibility complex (MHC) molecules are of crucial importance for the immune system to recognize and defend the body against external attacks. Foreign antigens are presented by specialized cells, called antigen presenting cells, to T lymphocytes in the context of MHC molecules, thereby inducing T cell activation. In addition, MHC molecules are essential for Natural Killer (NK) cell biology, playing a role in NK cell education and activation. Recently, the NOD-like receptor (NLR) family member NLRC5 (NLR caspase recruitment domain containing protein 5) was found to act as transcriptional regulator of MHC class I, in particular in T and NK cells. Its role in MHC class I expression is however minor in dendritic cells (DCs). This raised the question of whether inflammatory conditions, which augment the levels of NLRC5 in DCs, could increase its contribution to MHC class I expression. Our work shows that MHC class I transcript and intracellular levels depend on NLRC5, while its role in MHC class I surface expression is instead negligible. We describe however a general salvage mechanism that enables cells with low intracellular MHC class I levels to nevertheless maintain relatively high MHC class I on the cell surface. In addition, we lack a thorough understanding of NLRC5 target gene specificity and mechanism of action. Our work delineates the unique consensus sequence in MHC class I promoters required for NLRC5 recruitment and pinpoints conserved features conferring its specificity. Furthermore, through genome-wide analyses, we confirm that NLRC5 regulates classical MHC class I genes and identify novel target genes all encoding non-classical MHC class I molecules exerting an array of functions in immunity and tolerance. We finally asked why a dedicated factor co-regulates MHC class I expression specifically in T and NK lymphocytes. We show that deregulated NLRC5 expression affects the education of NK cells and alters the crosstalk between T and NK cells, leading to NK cell-mediated killing of T lymphocytes. Altogether this thesis work brings insights into molecular and physiological aspects of NLRC5 function, which might help understand certain aspects of immune responses and disorders. -- Les molécules du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) sont essentielles au système immunitaire pour l'initiation de la réponse immunitaire. En effet, l'activation des lymphocytes T nécessite la reconnaissance d'un antigène étranger présenté par les cellules présentatrices d'antigènes sur une molécule du CMH. Les molécules du CMH ont également un rôle fondamental pour la fonction des cellules Natural Killer (NK) puisqu'elles sont nécessaires à leur processus d'éducation et d'activation. Récemment, NLRC5 (NLR caspase recruitment domain containing protein 5), un membre de la famille des récepteurs de type NOD (NLRs), a été décrit comme un facteur de transactivation de l'expression des gènes du CMH de classe I. A l'état basai, cette fonction transcriptionnelle est essentielle dans les lymphocytes T et NK, alors que ce rôle reste mineur pour l'expression des molécules du CMH de classe I dans les cellules dendritiques (DCs). Dans des conditions inflammatoires, l'expression de NLRC5 augmente dans les DCs. Notre travail démontre que, dans ces conditions, les transcrits et les niveaux intracellulaires des molécules du CMH de classe I augmentent aussi d'une façon dépendante de NLRC5. A contrario, le rôle de NLRC5 sur les niveaux de molécules de surface reste minoritaire. Cette observation nous a conduits à l'identification d'un mécanisme général de compensation qui permet aux cellules de maintenir des niveaux relativement élevés de molécules de CMH de class I à leur surface malgré de faibles niveaux intracellulaires. De plus, il semblait nécessaire de s'orienter vers une approche plus globale afin de déterminer l'étendue de la fonction transcriptionnelle de NLRC5. Par une approche du génome entier, nous avons pu décrire une séquence consensus conservée présente dans les promoteurs des gènes du CMH de classe I, sur laquelle NLRC5 est spécifiquement recruté. Nous avons pu également identifier de nouveaux gènes cibles codant pour des molécules de CMH de classe I non classiques impliqués dans l'immunité et la tolérance. Finalement, nous nous sommes demandé quel est l'intérêt d'avoir un facteur transcriptionnel, en l'occurrence NLRC5, qui orchestre l'expression du CMH de classe I dans les lymphocytes T et NK. Nous montrons que la dérégulation de l'expression de NLRC5 affecte l'éducation des cellules NK et conduit à la mort cellulaire des lymphocytes T médiée par les cellules NK. Dans l'ensemble ce travail de thèse contribue à la caractérisation du rôle de NLRC5, tant au niveau moléculaire que physiologique, ce qui présente un intérêt dans le cadre de la compréhension de certains aspects physiopathologique de la réponse immunitaire.

Organisation of genetic variation in multinucleate arbuscular mycorrhizal fungi

Les Champignons Endomycorhiziens Arbusculaires (CEA) forment une symbiose racinaire avec environ 80% des espèces connues de plantes vasculaires. Ils occupent une position écologique très importante liée aux bénéfices qu'ils confèrent aux plantes. Des études moléculaires effectuées sur des gènes ribosomaux ont révélé un très grand polymorphisme, tant à l'intérieur des espèces qu'entre celles-ci. Ces champignons étant coenocytiques et multinucléés, l'organisation de cette variabilité génétique intraspécifique pourrait avoir différentes origines. Ce travail se propose d'examiner l'organisation et l'évolution de cette variabilité. Sur la base de fossiles, l'existence des CEA remonte à au moins 450 millions d'années. Cette symbiose peut donc être considérée comme ancienne. Les premières données moléculaires n'indiquant pas de reproduction sexuée, une hypothèse fut élaborée stipulant que les CEA seraient des asexués ancestraux. La première partie de cette thèse (chapitre 2) met en évidence l'existence de recombinaison dans différents CEA mais montre également que celle-ci est insuffisante pour purger les mutations accumulées. La reproduction étant essentiellement asexuée, on peut prédire que les nombreux noyaux ont probablement divergé génétiquement. En collaboration avec M. Hijri nous avons pu vérifier cette hypothèse (chapitre 2). Dans le chapitre 3 j'ai cherché à comprendre si le polymorphisme était également présent dans une population naturelle du CEA Glomus intraradices au niveau intraspécifique, ce qui n'avait encore jamais été examiné. En comparant les empreintes génétiques d'individus obtenus chacun à partir d'une spore mise en culture, j'ai clairement démontré que d'importantes différences génétiques existent entre ceux-ci. Un résultat similaire, portant sur des traits quantitatifs d'individus de la même population, a été trouvé par A. Koch. Les deux études en ensemble montre que le polymorphisme génétique dans cette population est suffisamment grand pour être important au niveau écologique. Dans le chapitre 4, j'ai cherché a examiner le polymorphisme des séquences du gène BiP au sein d'un individu. C'est la première étude qui examine la diversité génétique du génome de CEA avec un autre marqueur que l'ADN ribosomique. J'ai trouvé 31 types de séquences différentes du gène BiP issu d'un isolat de G. intraradices mis en culture à partir d'une seule spore. Cette variation n'était pas restreinte à des zones sélectivement neutres du BiP. Mes résultats montrent qu'il y a un grand nombre de variants non-fonctionnels, proportionnellement au faible nombre de copies attendues par noyau. Ceci va dans le sens d'une partition de l'information génétique entre les noyaux.<br/><br/>Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are root symbionts with about 80% of all known species of vascular land plants. AMF are ecologically important because of the benefits that they confer to plants. Molecular studies on AMF showed that rDNA sequences were highly variable between species and within species. Because AMF are coenocytic and multinucleate there are several possibilities how this intraspecific genetic variation could be organized. Therefore, the organization and evolution of this variation in AMF were investigated in the present work. Based on fossil records the AMF symbiosis has existed for 450 Million years and is therefore considered ancient. First molecular data indicated no evident sexual reproduction and gave rise to the hypothesis that AMF might be ancient asexuals. The first part of this thesis (Chapter 2) shows evidence for recombination in different AMF but also indicates that it has not been frequent enough to purge accumulated mutations. Given asexual reproduction, it has been predicted that the many nuclei in AMF should diverge leading to genetically different nuclei. This hypothesis has been confirmed by an experiment of M. Hijri and is also included in chapter 2 as the results were published together. In chapter 3 I then investigated whether intraspecific genetic variation also exists in a field population of the AMF Glomus intraradices. Comparing genetic fingerprints of individuals derived from single spores I could clearly show that large genetic differences exist. A similar result, based on quantitative genetic traits, was found for the same population by A. Koch. The two studies taken together show that the genetic variation observed in the population is high enough to be of ecological relevance. Lastly, in chapter 4, I investigated within individual genetic variation among BiP gene sequences. It is the first study that has analyzed genetic diversity in the AMF genome in a region of DNA other than rDNA. I found 31 sequence variants of the BiP gene in one G. intraradices isolate that originated from one spore. Genetic variation was not only restricted to selectively neutral parts of BiP. A high number of predicted non-functional variants compared to a likely low number of copies per nucleus indicated that functional genetic information might even be partitioned among nuclei. The results of this work contribute to our understanding of potential evolutionary strategies of ancient asexuals, they also suggest that genetic differences in a population might be ecologically relevant and they show that this variation even occurs in functional regions of the AMF genome.

Functions of the human papillomavirus type 16 E4 protein

1. Abstract Cervical cancer is thought to be the consequence of infection by human papillomaviruses (HPV). In the majority of cases, DNA from HPV type 16 (HPV16) is found in malignant cervical lesions. The initial steps leading to transformation of an infected cell are not clearly understood but in most cases, disruption and integration of the episomal viral DNA must take place. As a consequence, the E2 and E4 genes are usually not expressed whereas the E6 and E7 oncogenes are highly expressed. However, in a normal infection in which the viral DNA is maintained as an episome, all viral genes are expressed. The pattern according to which the viral proteins are made, and therefore the life cycle of the virus, is tightly linked to the differentiation process of the host keratinocyte. The study of the viral oncogenes E6 and E7 has revealed crucial functions in the process of malignant transformation such as degradation of the p53 tumor suppressor protein, deregulation of the Retinoblastoma protein pathway and activation of the telomerase ribonucleoprotein. All these steps are necessary for cancerous lesions to develop. However, the loss of the E2 gene product seems to be necessary for sufficient expression of E6 and E7 in order to achieve such effects. In normal infections, the E4 protein is made abundantly in the later stages of the viral life cycle. Though extensive amounts of work have been carried out to define the function of E4, it still remains unclear. In this study, several approaches have been used to try and determine the functions of E4. First, a cell-penetrating fusion protein was designed and produced in order to circumvent the chronic difficulties of expressing E4 in mammalian cells. Unfortunately, this approach was not successful due to precipitation of the purified fusion protein. Second, the observation that E4 accumulates in cells having modified their adhesion properties led to the hypothesis that E4 might be involved in the differentiation process of keratinocytes. Preliminary results suggest that E4 triggers differentiation. Last, as E4 has been reported to collapse the cytokeratin network of keratinocytes, a direct approach using atomic force microscopy has allowed us to test the potential modification of mechanical properties of cells harboring reorganized cytokeratin networks. If so, a potential role for E4 in viral particle release could be hypothesized. 2. Résumé Il a été établi que le cancer du col de l'utérus se développe essentiellement à la suite d'une infection par le virus du papillome humain (HPV). Dans la majorité des cas analysés, de l'ADN du HPV de type 16 (HPV16) est détecté. Les étapes initiales de la transformation d'une cellule infectée sont mal connues mais il semble qu'une rupture du génome viral, normalement épisomal, suivi d'une intégration dans le génome de la cellule hôte soient des étapes nécessaires dans la plupart des cas. Or il semble qu'il y ait une sélection pour les cas où l'expression des oncogènes viraux E6 et E7 soit favorisée alors que l'expression des gènes E2 et E4 est en général impossible. Par contre, dans une infection dite normale où le génome viral n'est pas rompu, il n'y pas développement de cancer et tous les gènes viraux sont exprimés. L'ordre dans lequel les protéines virales sont produites, et donc le cycle de réplication du virus, est intimement lié au processus de différentiation de la cellule hôte. L'étude des protéines oncogènes E6 et E7 a révélé des fonctions clés dans le processus de transformation des cellules infectées telles que la dégradation du suppresseur de tumeur p53, la dérégulation de la voie de signalisation Rb ainsi que l'activation de la télomérase. Toutes ces activités sont nécessaires au développement de lésions cancéreuses. Toutefois, il semble que l'expression du gène E2 doit être empêchée afin que suffisamment des protéines E6 et E7 soient produites. Lorsque le gène E2 est exprimé, et donc lorsque le génome viral n'est pas rompu, les protéines E6 et E7 n'entraînent pas de telles conséquences. Le gène E4, qui se trouve dans la séquence codante de E2, a aussi besoin d'un génome viral intact pour être exprimé. Dans une infection normale, le gène E4 est exprimé abondamment dans les dernières étapes de la réplication du virus. Bien que de nombreuses études aient été menées afin de déterminer la fonction virale à E4, aucun résultat n'apparaît évident. Dans ce travail, plusieurs approches ont été utilisées afin d'adresser cette question. Premièrement, une protéine de fusion TAT-E4 a été produite et purifiée. Cette protéine, pouvant entrer dans les cellules vivantes par diffusion au travers de la membrane plasmique, aurait permis d'éviter ainsi les problèmes chroniques rencontrés lors de l'expression de E4 dans les cellules mammifères. Malheureusement, cette stratégie n'a pas pu être utilisée à cause de la précipitation de la protéine purifiée. Ensuite, l'observation que E4 s'accumule dans les cellules ayant modifié leurs propriétés d'adhésion a suggéré que E4 pourrait être impliqué dans le procédé de différentiation des kératinocytes. Des résultats préliminaires supportent cette possibilité. Enfin, il a été montré que E4 pouvait induire une réorganisation du réseau des cytokératines. Une approche directe utilisant le microscope à force atomique nous a ainsi permis de tester une potentielle modification des propriétés mécaniques de cellules ayant modifié leur réseau de cytokératines en présence de E4. Si tel est le cas, un rôle dans la libération de particules virales peut être proposé pour E4.

Capsid modified replicating adenovirus to selectively target colon cancer

Résumé: Pratiquement tous les cancers du colon contiennent des mutations dans la voie de signalisation de Wnt qui active constitutivement cette voie. Cette activation mène à la stabilisation de la β-catenine. La β-catenin est transportée dans le noyau ou elle active des gènes cible en interagissant avec le facteur de transcription de TCF/LEF. Des adénovirus qui peuvent sélectivement se répliquer dans les cellules tumorales sont les agents qui peuvent permettre la déstruction de la tumeur mais pas le tissu normal. In vitro, les adénovirus avec des sites d'attachement du facteur de transcription TCF dans les promoteurs de l'adénovirus montrent une sélectivité et une activité dans une large sélection de lignées cellulaires de cancer du colon. Au contraire, in vivo, quand les adénovirus modifiés sont injectés dans la circulation, ils sont moins efficaces à cause de leur fixation par le foie et à cause de l'absence d'expression du récepteur du Coxsackie-Adénovirus (CAR). Le but de ma thèse était de modifier la protéine principale de capside de l'adénovirus, fibre, pour augmenter l'infection des tumeurs du cancer du colon. La fibre de l'adénovirus est responsable de l'attachement aux cellules et de l'entrée virale. J'ai inséré un peptide RGD dans la boucle HI de la fibre qui dirige sélectivement le virus aux récepteurs des integrines. Les integrines sont surexprimées par les cellules du cancer du colon et l'endothélium des vesseaux de la tumeur. Le virus re-ciblé, vKH6, a montré une activité accrue dans toutes les lignées cellulaires de cancer du colon, tandis que la sélectivité était maintenue. In vivo, vKH6 était supérieur au virus avec une capside de type sauvage en retardant la croissance de la tumeur. Le virus s'est répliqué plus vite et dispersé graduellement dans la tumeur. Cet effet a été montré par hybridation in situ et par PCR quantitative. Cependant, la monothérapie avec le virus n'a pu retarder la croissance des cellules tumorales SW620 greffées que de 2 semaines, mais à cause des régions non infectées la tumeur n'a pas pu être éliminée. Bien que la combinaison avec les chimiothérapies conventionnelles soit d'intérêt potentiel, presque toutes interfèrent avec la réplication virale. Les drogues antiangiogéniques sont des agents anti-tumoraux efficaces et prometteurs. Ces drogues n'interfèrent pas avec le cycle de vie de l'adénovirus. RAD001 est un dérivé de la rapamycine et il inhibe mTOR, une protéine kinase de la voie de PI3K. RAD001 empêche la croissance des cellules et il a aussi des effets anti-angiogénique et immunosuppressifs. RAD001 in vitro n'affecte pas l'expression des gènes viraux et la production virale. La combinaison de VKH6 et RAD001 in vivo a un effet additif en retardant la croissance de la tumeur. Des nouveaux peptides plus efficaces dans le ciblage de l'adénovirus sont nécessaires pour augmenter l'infection des tumeurs. J'ai créé un système de recombinaison qui permettra la sélection de nouveaux peptides dans le contexte du génome de l'adénovirus. Summary Virtually all colon cancers have mutations in the Wnt signalling pathway which result in the constitutive activation of the pathway. This activation leads to stabilization of β-catenin. β-catenin enters the nucleus and activates its target genes through interaction with the TCF transcription factor. Selectively replicating adenoviruses are promising novel agents that can destroy the tumour but not the surrounding normal tissue. In vitro, adenoviruses with TCF binding sites in the early viral promoters show selectivity and activity in a broad panel of viruses but in vivo they are less effective due to the lack of expression of the Coxsackie-Adenovirus receptor (CAR). The aim of my thesis was to modify the major capsid protein of the adenovirus, fibre, to increase the infection of colon tumours. Fibre of adenovirus is responsible for the binding to cells and for the viral uptake. I inserted an RGD binding peptide into the HI loop of fibre that selectively targets the virus to integrins that are overexpressed on tumour cells and on tumour endothelium. The retargeted virus, vKH6, showed increased activity in all colon cancer cell lines while selectivity was maintained. In vivo, vKH6 is superior to a matched virus with a wild type capsid in delaying tumour growth. vKH6 replicates and gradually spreads within the tumour as shown by in situ hybridization and Q-PCR. The virus alone can delay the growth of SW620 xenografts by 2 weeks but due to uninfected tumour regions the tumour cannot be cured. Although combination with conventional chemotherapeutics is of potential interest, almost all of them interfere with the viral replication. Growing evidence supports that anti-angiogenic drugs are effective and promising anti-tumour agents. These drugs interfere less with the viral life cycle. RAD001 is a rapamycin derivative and it blocks mTOR, a protein kinase in the PI3K pathway. RAD001 inhibits cell growth and has strong anti-angiogenic and immunosuppressive effects. RAD001 in vitro does not affect viral gene expression and viral burst size. In vivo vKH6 and RAD001 have an additive effect in delaying tumour growth, but tumour growth is still not completely inhibited. To further increase tumour infection new tumour specific targeting peptides are needed. I created an adenovirus display library that will allow the selection of targeting peptides. This system may also facilitate the production of fibre modified viruses.

Functional impact of genetic variation on gene expression

Numerous links between genetic variants and phenotypes are known and genome-wide association studies dramatically increased the number of genetic variants associated with traits during the last decade. However, how changes in the DNA perturb the molecular mechanisms and impact on the phenotype of an organism remains elusive. Studies suggest that many traitassociated variants are in the non-coding region of the genome and probably act through regulation of gene expression. During my thesis I investigated how genetic variants affect gene expression through gene regulatory mechanisms. The first chapter was a collaborative project with a pharmaceutical company, where we investigated genome-wide copy number variation (CNVs) among Cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis) used in pharmaceutical studies, and associated them to changes in gene expression. We found substantial copy number variation and identified CNVs linked to tissue-specific expression changes of proximal genes. The second and third chapters focus on genetic variation in humans and its effects on gene regulatory mechanisms and gene expression. The second chapter studies two human trios, where the allelic effects of genetic variation on genome-wide gene expression, protein-DNA binding and chromatin modifications were investigated. We found abundant allele specific activity across all measured molecular phenotypes and show extended coordinated behavior among them. In the third chapter, we investigated the impact of genetic variation on these phenotypes in 47 unrelated individuals. We found that chromatin phenotypes are organized into local variable modules, often linked to genetic variation and gene expression. Our results suggest that chromatin variation emerges as a result of perturbations of cis-regulatory elements by genetic variants, leading to gene expression changes. The work of this thesis provides novel insights into how genetic variation impacts gene expression by perturbing regulatory mechanisms. -- De nombreux liens entre variations génétiques et phénotypes sont connus. Les études d'association pangénomique ont considérablement permis d'augmenter le nombre de variations génétiques associées à des phénotypes au cours de la dernière décennie. Cependant, comprendre comment ces changements perturbent les mécanismes moléculaires et affectent le phénotype d'un organisme nous échappe encore. Des études suggèrent que de nombreuses variations, associées à des phénotypes, sont situées dans les régions non codantes du génome et sont susceptibles d'agir en modifiant la régulation d'expression des gènes. Au cours de ma thèse, j'ai étudié comment les variations génétiques affectent les niveaux d'expression des gènes en perturbant les mécanismes de régulation de leur expression. Le travail présenté dans le premier chapitre est un projet en collaboration avec une société pharmaceutique. Nous avons étudié les variations en nombre de copies (CNV) présentes chez le macaque crabier (Macaca fascicularis) qui est utilisé dans les études pharmaceutiques, et nous les avons associées avec des changements d'expression des gènes. Nous avons découvert qu'il existe une variabilité substantielle du nombre de copies et nous avons identifié des CNVs liées aux changements d'expression des gènes situés dans leur voisinage. Ces associations sont présentes ou absentes de manière spécifique dans certains tissus. Les deuxième et troisième chapitres se concentrent sur les variations génétiques dans les populations humaines et leurs effets sur les mécanismes de régulation des gènes et leur expression. Le premier se penche sur deux trios humains, père, mère, enfant, au sein duquel nous avons étudié les effets alléliques des variations génétiques sur l'expression des gènes, les liaisons protéine-ADN et les modifications de la chromatine. Nous avons découvert que l'activité spécifique des allèles est abondante abonde dans tous ces phénotypes moléculaires et nous avons démontré que ces derniers ont un comportement coordonné entre eux. Dans le second, nous avons examiné l'impact des variations génétiques de ces phénotypes moléculaires chez 47 individus, sans lien de parenté. Nous avons observé que les phénotypes de la chromatine sont organisés en modules locaux, qui sont liés aux variations génétiques et à l'expression des gènes. Nos résultats suggèrent que la variabilité de la chromatine est due à des variations génétiques qui perturbent des éléments cis-régulateurs, et peut conduire à des changements dans l'expression des gènes. Le travail présenté dans cette thèse fournit de nouvelles pistes pour comprendre l'impact des différentes variations génétiques sur l'expression des gènes à travers les mécanismes de régulation.

GENETIC ARCHITECTURE, EVOLUTION AND MAINTENANCE OF A COLOR CLINE AT A CONTINENTAL SCALE

On a geological time scale the conditions on earth are very variable and biological patterns (for example the distributions of species) are very dynamic. Understanding large scale patterns of variation observed today thus requires a deep understanding of the historical factors that drove their evolution. In this thesis, we reevaluated the evolution and maintenance of a continental color cline observed in the European barn owl (Tyto alba) using population genetic tools. The colour cline spans from south-est Europe where most individual have pure white underparts to north and east Europe where most individuals have rufous-brown underparts. Our results globally showed that the old scenario, stipulating that the color cline evolved by secondary contact of two color morphs (white and rufous) that evolved in allopatry during the last ice age has to be revised. We collected samples of about 700 barn owls from the Western Palearctic to establish the first population genetic data set for this species. Individuals were genotyped at 22 microsatellites markers, at one mitochondrial gene, and at a candidate color gene. The color of each individuals was assessed and their sex determined by molecular methods. We first showed that the genetic variation in Western Europe is very limited compared to the heritable color variation. We found no evidences of different glacial lineages, and showed that selection must be involved in the maintenance of the color cline (chapter 1). Using computer simulations, we demonstrated that the post-glacial colonization of Europe occurred from the Iberian Peninsula and that the color cline could not have evolved by neutral demographic processes during this colonization (chapter 2). Finally we reevaluated the whole history of the establishment of the Western Palearctic variation of the barn owl (chapter 3): This study showed that all Western European barn owls descend from white barn owls phenotypes from the Middle East that colonized the Iberian Peninsula via North-Africa. Following the end of the last ice age (20'000 years ago), these white barn owls colonized Western Europe and under selection a novel rufous phenotype evolved (during or after the colonization). An important part of the color variation could be explained by a single mutation in the melanocortin-1-receptor (MC1R) gene that appeared during or after the colonization. The colonization of Europe reached until Greece, where the rufous birds encountered white ones (which reached Greece from the Middle East over the Bosporus) in a secondary contact zone. Our analyses show that white and rufous barn owls in Greece interbreed only to a limited extent. This suggests that barn owls are at the verge of becoming two species in Greece and demonstrates that European barn owls represent an incipient ring species around the Mediterranean. The revisited history of the establishment of the European barn owl color cline makes this model system remarkable for several aspects. It is a very clear example of strong local adaptation that can be achieved despite high gene flow (strong color and MC1R differentiation despite almost no neutral genetic differentiation). It also offers a wonderful model system to study the interactions between colonization processes and selection processes which have, for now, been remarkably understudied despite their potentially ubiquitous importance. Finally it represents a very interesting case in the speciation continuum and appeals for further studying the amount of gene flow that occurs between the color morphs in Greece. -- Sur l'échelle des temps géologiques, les conditions sur terre sont très variables et les patrons biologiques (telle que la distribution des espèces) sont très dynamiques. Si l'on veut comprendre des patrons que l'on peut observer à large échelle aujourd'hui, il est nécessaire de d'abord comprendre les facteurs historiques qui ont gouverné leur établissement. Dans cette thèse, nous allons réévaluer, grâce à des outils modernes de génétique des populations, l'évolution et la maintenance d'un cline de couleur continental observé chez l'effraie des clochers européenne (Tyto alba). Globalement, nos résultats montrent que le scenario accepté jusqu'à maintenant, qui stipule que le cline de couleur a évolué à partir du contact secondaire de deux morphes de couleur (blanches et rousses) ayant évolué en allopatrie durant les dernières glaciations, est à revoir. Afin de constituer le premier jeu de données de génétique des populations pour cette espèce, nous avons récolté des échantillons d'environ 700 effraies de l'ouest Paléarctique. Nous avons génotypé tous les individus à 22 loci microsatellites, sur un gène mitochondrial et sur un autre gène participant au déterminisme de la couleur. Nous avons aussi mesuré la couleur de tous les individus et déterminé leur sexe génétiquement. Nous avons tout d'abord pu montrer que la variation génétique neutre est négligeable en comparaison avec la variation héritable de couleur, qu'il n'existe qu'une seule lignée européenne et que de la sélection doit être impliquée dans le maintien du cline de couleur (chapitre 1). Grâce à des simulations informatiques, nous avons démontré que l'ensemble de l'Europe de l'ouest a été recolonisé depuis la Péninsule Ibérique après les dernières glaciations et que le cline de couleur ne peut pas avoir évolué par des processus neutre durant cette colonisation (chapitre 2). Finalement, nous avons réévalué l'ensemble de l'histoire postglaciaire de l'espèce dans l'ouest Paléarctique (chapitre 3): l'ensemble des effraies du Paléarctique descendent d'effraie claire du Moyen-Orient qui ont colonisé la péninsule ibérique en passant par l'Afrique du nord. Après la fin de la dernière glaciation (il y a 20'000 ans), ces effraies claires ont colonisé l'Europe de l'ouest et ont évolués par sélection le phénotype roux (durant ou après la colonisation). Une part importante de la variation de couleur peut être expliquée par une mutation sur le gène MC1R qui est apparue durant ou juste après la colonisation. Cette vague de colonisation s'est poursuivie jusqu'en Grèce où ces effraies rousses ont rencontré dans une zone de contact secondaire des effraies claires (qui sont remontées en Grèce depuis le Moyen-Orient via le Bosphore). Nos analyses montrent que le flux de gènes entre effraies blanches et rousses est limité en Grèce, ce qui suggère qu'elles sont en passe de former deux espèces et ce qui montre que les effraies constituent un exemple naissant de spéciation en anneaux autour de la Méditerranée. L'histoire revisitée des effraies des clochers de l'ouest Paléarctique en fait un système modèle remarquable pour plusieurs aspects. C'est un exemple très claire de forte adaptation locale maintenue malgré un fort flux de gènes (différenciation forte de couleur et sur le gène MC1R malgré presque aucune structure neutre). Il offre également un très bon système pour étudier l'interaction entre colonisation et sélection, un thème ayant été remarquablement peu étudié malgré son importance. Et il offre finalement un cas très intéressant dans le « continuum de spéciation » et il serait très intéressant d'étudier plus en détail l'importance du flux de gènes entre les morphes de couleur en Grèce.

The patentability of human genetic material in China : a comparative analysis

"Mémoire Présenté à la Faculté des Études Supérieures en vue de l'obtention du Grade de Maîtrise En Droit Option Recherche"

Caractérisation clinique et génétique d’une nouvelle forme d’ataxie autosomique récessive dans la population québécoise

Les ataxies autosomiques récessives sont un groupe de troubles neurologiques hétérogènes caractérisés par une incoordination brute des mouvements musculaires impliquant le dysfonctionnement nerveux du cervelet qui coordonne le mouvement. Plusieurs formes héréditaires ont été décrites dont la plus connue : l’ataxie de Friedriech. Dans cette thèse nous rapportons l'identification et la caractérisation d’une nouvelle forme dans la population québécoise. L’ataxie récessive spastique avec leucoencéphalopathie (ARSAL; aussi connue comme l’ataxie autosomique récessive spastique de type 3 (SPAX3); OMIM 611390) est la deuxième ataxie spastique décrite dans la population canadienne française. En effet, près de 50 % de nos cas sont originaires de la région de Portneuf. En 2006, nous avons décrit les caractéristiques cliniques de cette nouvelle forme d’ataxie. Un premier criblage du génome entier, constitué de plus de 500 marqueurs microsatellites, a permis la localisation du locus sur le chromosome 2q33-34. Suite au séquençage de plus de 37 gènes candidats et afin de rétrécir cet intervalle candidat, nous avons utilisé une micro-puce d’ADN constituée de marqueurs SNP «single nucleotide polymorphism» et nous avons identifié un deuxième intervalle candidat de 0.658Mb au locus 2q33 dans lequel se trouvent moins de 9 gènes. L’identification et la caractérisation de ces mutations a nécessité l’utilisation de diverses technologies de pointe. Trois mutations (une délétion et deux réarrangements complexes) dans le gène mitochondrial tRNA-synthetase (MARS2) ont été identifiées dans notre cohorte. Nous émettons l’hypothèse que la nature des mutations complexes est responsable d’un dérèglement de la transcription du gène, ce qui a un impact néfaste sur la fonction mitochondriale et le tissu neuronal.

Niveaux de vitamine a (retinol et acide retinoïque) mesurés dans le sang de cordon ombilical et dévéloppement rénal des nouveau-nés

Introduction : La Vitamine A (rétinol, ROL) et son métabolite l’acide rétinoïque (AR) sont essentielles pour l’embryogénèse. L’excès comme l’insuffisance d’AR sont nocives. L’AR est régularisé dans l’embryon par des gènes spécifiques (ALDH, CRABP, CYP). Hypothèse : Les grandes variations d’AR dans le plasma des adultes normaux, nous ont orienté à mesurer les rétinoïdes (ROL et RA) dans le sang de cordon ombilical, pour évaluer des corrélations avec des polymorphismes des gènes impliquées dans le métabolisme de l’AR et le développement rénal-(RALDH2, CRABP2, CYP26A1; B1). Vérifier pour des corrélations entre ces rétinoïdes et/ou avec la taille de reins à la naissance. Méthodes : Extraction du ROL et RA du sang de cordon ombilical de 145 enfants et analyse par HPLC. Le volume des reins a été mesuré par ultrasonographie et l’ADN génomique leucocytaire extrait (FlexiGene DNA-Kit). 10 échantillons d’ADN ont été exclus (qualité). Les htSNP : ALDH1A2, CRABP2, CYP26A1;B1 du génome humain (HapMap) ont été séquencés et génotypés (Sequenom iPlex PCR).Des testes bio-statistiques des fréquences génotypiques et alléliques ont été effectués (Single-Locus, χ2, Kruskal-Wallis, Allelic-Exact).Des corrélations (ROL, RA, SNPs, V-reins) ont été analysés (Kendall-tau /Oakes). Résultats : La Δ RA (0.07-550.27 nmol/l) non corrélé avec la Δ ROL (51.39-3892.70 nmol/l). Il n’y a pas d’association ROL ou RA avec les volumes des reins ou avec les SNPs/ CYP21A1;B1. Corrélations trouvées : 1. (p=0.035), polymorphisme génétique ALDH1A2-SNP (rs12591551:A/C) hétérozygote/CA, (25enfants, 19%) avec moyennes d’AR (62.21nmol/l). 2. (p=0.013), polymorphisme CRABP2-SNP (rs12724719:A/G) homozygote/AA (4 enfants, 3%) avec hautes valeurs moyennes d’AR (141,3 nmol/l). Discussion-Conclusion : Les grandes ΔRA suggèrent une variabilité génique individuelle du métabolisme de ROL. Les génotypes (CA)-ALDH1A2/ SNP (rs12591551:A/C) et (AA) -CRABP2/SNP (rs12724719:A/G) sont associés à des valeurs moyennes hautes d’AR, pouvant protéger l’embryogénèse lors d’une hypovitaminose A maternelle.

Identification et caractérisation d'un domaine de transactivation dans l’hélicase E1 des papillomavirus humains

Les papillomavirus sont des virus à ADN qui infectent la peau et les muqueuses. Ils causent des verrues et peuvent aussi mener au développement de cancers, dont le cancer du col de l’utérus. La réplication de leur génome nécessite deux protéines virales : l’hélicase E1 et le facteur de transcription E2, qui recrute E1 à l’origine de réplication virale. Pour faciliter l’étude de la réplication du génome viral, un essai quantitatif et à haut débit basé sur l’expression de la luciférase a été développé. Parallèlement, un domaine de transactivation a été identifié dans la région régulatrice N-terminale de la protéine E1. La caractérisation de ce domaine a montré que son intégrité est importante pour la réplication de l’ADN. Cette étude suggère que le domaine de transactivation de E1 est une région protéique intrinsèquement désordonnée qui permet la régulation de la réplication du génome viral par son interaction avec diverses protéines.