Approches en génomique et bio-informatique afin de comprendre les bases moléculaires de la maladie pulmonaire obstructive chronique

La maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) est une maladie complexe caractérisée par une obstruction non complètement réversible des voies aériennes. Actuellement, aucun remède n’existe pour soigner cette maladie qui deviendra la 3e cause de mortalité d’ici 2030. Bien que des progrès importants furent réalisés dans les dernières décennies, la pathogenèse de la maladie demeure largement mal comprise. Cette thèse a pour objectif général l’étude des composantes génétiques de la MPOC, plus précisément 1) l’identification de gènes impliqués dans le développement de l’obstruction respiratoire, 2) l’identification d’eQTL pulmonaires dans le complexe majeur d’histocompatibilité et de leurs liens avec certains phénotypes pulmonaires, 3) l’identification de nouveaux gènes de susceptibilité au développement de la MPOC et 4) la caractérisation des variations génétiques du gène SERPINA1 dans la population canadienne et l’évaluation du séquençage de l’ADN comme nouveau test diagnostique pour détecter le déficit en alpha-1 antitrypsine. Dans une première étude, nous avons identifié des gènes (CST3, CD22) et des voies biologiques (métabolisme des xénobiotiques, apoptose, balance protéase-antiprotéase et balance oxydant-antioxydant) impliqués dans le développement de l’obstruction respiratoire. Pour ce faire, nous avons combiné les génotypes, les valeurs d’expression et les caractéristiques cliniques de 1,111 sujets. En combinant ces trois types de données, nous avons trouvé des variations génétiques influençant l’expression de gènes qui sont impliqués dans la perte de fonctions respiratoires. Ce projet a permis d’identifier des mécanismes précis impliqués dans le développement de l’obstruction respiratoire. Par la suite, nous avons étudié une région clé du génome humain pour le système immunitaire, soit le complexe majeur d’histocompatibilité (MHC). Des études antérieures ont associé des variations génétiques présentes dans ce locus à plusieurs phénotypes pulmonaires (asthme, cancer du poumon, fibrose kystique, maladie pulmonaire interstitielle, MPOC). Les résultats obtenus nous ont permis d’identifier des gènes d’intérêts pour l’asthme (AGPAT1, CDSN), le cancer du poumon (BTN3A2, ZFP57), les fonctions respiratoires (MICB) et la maladie pulmonaire interstitielle (AGPAT1). Les résultats de cette étude ont permis de mieux comprendre et d’interpréter les résultats obtenus précédemment. Nous avons également participé à la plus grande étude pangénomique (GWAS) sur la MPOC. Cette étude, réalisée par l’International COPD Genetics Consortium (ICGC), ai dentifié 22 régions chromosomiques impliquées dans le développement de la MPOC. Pour ce projet, les génotypes de 63,192 sujets (47,936 cas et 15,256 témoins) provenant de 26 cohortes différentes ont été combinés dans une méta-analyse. Par la suite, les résultats ont été répliqués dans 9,498 cas et 9,748 témoins supplémentaires provenant de la UK Biobank. Parmi les 22 loci identifiés, 15 ont été précédemment associés avec les fonctions respiratoires et quatre n’avaient jamais été observés (EEFSEC, DSP, MTCL1, et SFTPD). Cette étude a permis de mieux comprendre l’architecture génétique de la maladie et de confirmer le lien existant entre les gènes associés aux fonctions respiratoires et la MPOC. Finalement, nous avons caractérisé les variations génétiques du gène SERPINA1 dans la population canadienne et testé le séquençage de l’ADN comme outil potentiel de diagnostic du déficit en alpha-1 antitrypsine. Pour ce faire, tous les exons codants du gène ont été séquencés dans 400 individus du projet pancanadien CanCOLD (Canadian Cohort of Obstructive Lung Disease). Nous avons identifié 19 variations génétiques dans le gène, dont 15 mutations faux sens et une nouvelle mutation. Une fois l’extraction d’ADN complété, le séquençage s’est effectuéet a permis de déterminer de façon définitive la nature de l’anomalie génétique sous-jacente. Ce projet a démontré que cette technique permettrait d'accélérer le diagnostic et de diminuer les coûts pour ainsi faciliter la prise en charge et le traitement des patients souffrant d’un déficit en alpha-1 antitrypsine. Les résultats obtenus au cours de ce doctorat permettent de mieux comprendre les gènes et les voies biologiques impliqués dans le développement de la MPOC.Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a complex disease characterized by airflow obstruction that is not fully reversible. Currently, no treatment existsto reverse COPD, which is predicted to be the third leading cause of mortality in the world by the year 2030. Important discoveries were made in the last decade, but the pathophysiology of the disease remains largely unknown. The aim of this thesis is to study the genetic component of COPD and more specifically 1) identify genes involved in the development of airflow obstruction, 2) identify lung eQTL in the major histocompatibility complex and find causal genes for lung function and respiratory diseases in this region, 3) find new susceptibility loci for COPD, and 4) evaluate the feasibility and effectiveness of DNA sequencing of the SERPINA1 gene as a single test to diagnose alpha-1 antitrypsin deficiency (AATD) and test the frequencies of AATD alleles in a Canadian COPD population. In the first study, we identified genes (CST3 and CD22) and signalling pathways (xenobiotic metabolism, apoptosis, protease–antiprotease and oxidant–antioxidant balance) involved in the development of airflow obstruction. We combined lung gene expression, whole genotyping data and clinical information’s from 1,111 subjects to identify potential causal genesand pathways. This study has identified underlying mechanisms implicated in the development of airflow obstruction. In the second study, westudied a critical genomic region for the immune system, the major histocompatibility complex (MHC). Previous studies have associated single nucleotide polymorphisms (SNPs) located inside this locus with lung diseases and phenotypes (asthma, cystic fibrosis, idiopathic interstitial pneumonia, lung cancer and lung function). We have identified new susceptibility genes for lung cancer (BTN3A2 and ZFP57), asthma (AGPAT1 and CDSN), lung function (MICB) and idiopathic interstitial pneumonia (AGPAT1). Results from this study provide important biological insights about previously associated SNPsin the MHC. We were also involved in the largest genome-wide association study (GWAS) on COPD. This GWAS was performed by the International COPD Genetics Consortium (ICGC) and identified 22 loci associated at genome-wide significance. Genotypes of 63,192 subjects (15,256 cases and 47,936 controls) from 26 studies were used in the meta-analysis. Results were further replicated in 9,498 cases and 9,748 controls from the UK Biobank. Among the 22 associated loci, 9 were previously associated with COPD, 15 with lung function and 4 (EEFSEC, DSP, MTCL1and SFTPD) werenovel loci. Our findings highlight new loci associated with COPD and demonstrate the genetic overlap between lung function and COPD. Finally, the frequencies of deficient SERPINA1 alleles were evaluated in Canadian patients with COPD and DNA sequencing was evaluated as a single test strategy to detect AATD. DNA sequencing of the coding regions of SERPINA1 was performed in 400 individuals from the CanCOLD study (Canadian Cohort of Obstructive Lung Disease). Nineteen genetic variants were identified, including 15 missense mutations and one new mutation. DNA sequencing of SERPINA1 revealed the true genetic nature of AATD and was demonstrated has an effective, fast, and inexpensive single test strategy to detect AATD. Studies presented in this thesis have identified genes and pathways involved in the development of COPD, which are new targetsfor future studies

Marqueurs génétiques influençant l'expression des gènes dans les poumons et susceptibilité à la maladie pulmonaire obstructive chronique

La maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) se caractérise par une obstruction non complètement réversible des voies aériennes. De récentes études de criblage génomique par association ont identifié quatre régions chromosomiques associées à la MPOC. Par contre, les mécanismes moléculaires responsables de ces associations génétiques demeurent inconnus. Dans le cadre de cette étude, nous avons obtenu les profils d'expression des gènes de tissus pulmonaires non-tumoraux et les génotypes de 1,2 million de variations génétiques pour ces mêmes patients. Les analyses furent effectuées sur 1111 sujets provenant de trois cohortes. Des marqueurs génétiques influençant l'expression des gènes dans les poumons, c.-à-d. « expression Quantitative Trait Loci » (eQTLs) pulmonaires, furent identifiés dans les régions chromosomiques d'intérêts. Les résultats de ce mémoire démontrent que HHIP serait le gène causal dans la région 4q31, alors que les évidences pointent vers les gènes FAM13A et EGLN2 pour les régions 4q22 et 19q13, respectivement.Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is characterized by airflow obstruction that is not fully reversible. Recent genome-wide association studies have identified four susceptibility loci robustly associated with COPD. However, the genetic mechanisms mediating the risk within these loci remain to be found. In this study, genome-wide gene expression profiles of non-tumor lung specimens and blood-DNA from the same patients were genotyped for 1,2 million SNPs. The analyses were performed on 1111 subjects from three cohorts. Genetics variations influencing gene expression levels in lung samples, i.e. lung expression quantitative trait loci (eQTLs), were identified in the COPD susceptibility regions (4q22, 4q31, 19q13). The results of this thesis demonstrated that HHIP is the most likely causal gene at 4q31, while the evidences supported the contribution of the FAM13A and EGLN2 genes at 4q22 and 19q13, respectively

Détermination de la cible moléculaire et du mode d'action de la tomatidine et dérivés

Il a été démontré dans le laboratoire du professeur François Malouin que la tomatidine possède une activité prometteuse et sélective contre les SCV de Bacillales (incluant Staphylococcus, Bacillus et Listeria), mais pas contre les souches prototypes. En collaboration avec le laboratoire professeur Éric Marsault, un dérivé de la tomatidine (FC04-100) a été identifié avec une activité similaire à la tomatidine, en plus de posséder une activité contre les souches prototypes. Dans le but de confirmer la cible de la tomatidine et dérivés (p.ex. FC04-100), nous avons forcé l’apparition d’isolats résistants chez Staphylococcus aureus « small-colony variant » (SCV) par pression sélective (passage en série) de la tomatidine. La pression sélective de la tomatidine a mené à deux niveaux de résistance soit un faible et un élevé. Le séquençage génomique de ces isolats a permis d’identifier une mutation dans le gène ccpA (catabolite carbon protein A), associé au faible niveau de résistance, et une mutation dans le gène atpE (sous-unité c de l’ATP synthétase), associé au haut niveau de résistance. L’obtention de mutants supplémentaires par pression sélective à la tomatidine et de son dérivé aminé remplaçant l’hydroxyle de la position 3, FC04-100, a permis d’obtenir de nouveaux résidus mutés dans la sous-unité c de l’ATP synthétase. Chaque mutation dans la sous-unité c mène au même profil de résistance face à la tomatidine et FC04-100, indiquant effectivement une cible commune pour ces composés soit l’ATP synthétase bactérienne. Aucune mutation n’est retrouvée dans le gène ccpA pour les isolats sélectionnés en présence de FC04-100, consistant avec l’obtention d’un seul niveau de résistance causé par la mutation dans le gène atpE. De plus, le niveau de résistance est beaucoup plus faible pour FC04-100 que pour la tomatidine, indiquant une meilleure efficacité du dérivé. Le processus a également été répété pour une souche prototype de S. aureus par pression sélective de FC04-100, mais aucun isolat n’a été obtenu. La sous-unité c de l’ATP synthétase présente des séquences conservées au travers des espèces de Bacillales étant absente chez les espèces non cibles, ce qui peut expliquer en partie la sélectivité de la tomatidine pour ces espèces. Des tests préliminaires d’inhibition de l’ATP synthétase sur des vésicules membranaires inversées de S. aureus SCV (sensible à la tomatidine) ont montré dans un premier temps que celui-ci est apte à produire de l’ATP via sa chaîne respiratoire malgré les altérations causant son phénotype SCV. Dans un second temps, la tomatidine et FC04-100 inhibent la production d’ATP de façon dose dépendante, pouvant être comparable à l’inhibiteur non spécifique DCCD. En se basant sur l’inhibiteur de l’ATP synthétase mycobactérienne, bédaquiline, la tomatidine et dérivés pourraient avoir un mode d’action similaire

Genetic landscape of chronic obstructive pulmonary disease identifies heterogeneous cell-type and phenotype associations

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is the leading cause of respiratory mortality worldwide. Genetic risk loci provide new insights into disease pathogenesis. We performed a genome-wide association study in 35,735 cases and 222,076 controls from the UK Biobank and additional studies from the International COPD Genetics Consortium. We identified 82 loci associated with P < 5 × 10; 47 of these were previously described in association with either COPD or population-based measures of lung function. Of the remaining 35 new loci, 13 were associated with lung function in 79,055 individuals from the SpiroMeta consortium. Using gene expression and regulation data, we identified functional enrichment of COPD risk loci in lung tissue, smooth muscle, and several lung cell types. We found 14 COPD loci shared with either asthma or pulmonary fibrosis. COPD genetic risk loci clustered into groups based on associations with quantitative imaging features and comorbidities. Our analyses provide further support for the genetic susceptibility and heterogeneity of COPD

Proteomics-based confirmation of protein expression and correction of annotation errors in the Brucella abortus genome

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Brucellosis is a major bacterial zoonosis affecting domestic livestock and wild mammals, as well as humans around the globe. While conducting proteomics studies to better understand <it>Brucella abortus </it>virulence, we consolidated the proteomic data collected and compared it to publically available genomic data.</p> <p>Results</p> <p>The proteomic data was compiled from several independent comparative studies of <it>Brucella abortus </it>that used either outer membrane blebs, cytosols, or whole bacteria grown in media, as well as intracellular bacteria recovered at different times following macrophage infection. We identified a total of 621 bacterial proteins that were differentially expressed in a condition-specific manner. For 305 of these proteins we provide the first experimental evidence of their expression. Using a custom-built protein sequence database, we uncovered 7 annotation errors. We provide experimental evidence of expression of 5 genes that were originally annotated as non-expressed pseudogenes, as well as start site annotation errors for 2 other genes.</p> <p>Conclusions</p> <p>An essential element for ensuring correct functional studies is the correspondence between reported genome sequences and subsequent proteomics studies. In this study, we have used proteomics evidence to confirm expression of multiple proteins previously considered to be putative, as well as correct annotation errors in the genome of <it>Brucella abortus </it>strain 2308.</p

Deleterious variants in DCHS1 are prevalent in sporadic cases of mitral valve prolapse

Background: A recent study identified DCHS1 as a causal gene for mitral valve prolapse. The goal of this study is to investigate the presence and frequency of known and novel variants in this gene in 100 asymptomatic patients with moderate to severe organic mitral regurgitation. Methods: DNA sequencing assays were developed for two previously identified functional missense variants, namely p.R2330C and p.R2513H, and all 21 exons of DCHS1. Pathogenicity of variants was evaluated in silico. Results: p.R2330C and p.R2513H were not identified in this cohort. Sequencing all coding regions revealed eight missense variants including six considered deleterious. This includes one novel variant (p.A2464P) and two rare variants (p.R2770Q and p.R2462Q). These variants are predicted to be deleterious with combined annotation-dependent depletion (CADD) scores greater than 25, which are in the same range as p.R2330C (CADD = 28.0) and p.R2513H (CADD = 24.3). More globally, 24 of 100 cases were carriers of at least one in silico-predicted deleterious missense variant in DCHS1, suggesting that this single gene may account for a substantial portion of cases. Conclusion: This study reveals an important contribution of germline variants in DCHS1 in unrelated patients with mitral valve prolapse and supports genetic testing of this gene to screen individuals at risk

Refining susceptibility loci of chronic obstructive pulmonary disease with lung eqtls

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is the fourth leading cause of mortality worldwide. Recent genome-wide association studies (GWAS) have identified robust susceptibility loci associated with COPD. However, the mechanisms mediating the risk conferred by these loci remain to be found. The goal of this study was to identify causal genes/variants within susceptibility loci associated with COPD. In the discovery cohort, genome-wide gene expression profiles of 500 non-tumor lung specimens were obtained from patients undergoing lung surgery. Blood-DNA from the same patients were genotyped for 1,2 million SNPs. Following genotyping and gene expression quality control filters, 409 samples were analyzed. Lung expression quantitative trait loci (eQTLs) were identified and overlaid onto three COPD susceptibility loci derived from GWAS; 4q31 (HHIP), 4q22 (FAM13A), and 19q13 (RAB4B, EGLN2, MIA, CYP2A6). Significant eQTLs were replicated in two independent datasets (n = 363 and 339). SNPs previously associated with COPD and lung function on 4q31 (rs1828591, rs13118928) were associated with the mRNA expression of HHIP. An association between mRNA expression level of FAM13A and SNP rs2045517 was detected at 4q22, but did not reach statistical significance. At 19q13, significant eQTLs were detected with EGLN2. In summary, this study supports HHIP, FAM13A, and EGLN2 as the most likely causal COPD genes on 4q31, 4q22, and 19q13, respectively. Strong lung eQTL SNPs identified in this study will need to be tested for association with COPD in case-control studies. Further functional studies will also be needed to understand the role of genes regulated by disease-related variants in COPD

Lung eQTLs to Help Reveal the Molecular Underpinnings of Asthma

Genome-wide association studies (GWAS) have identified loci reproducibly associated with pulmonary diseases; however, the molecular mechanism underlying these associations are largely unknown. The objectives of this study were to discover genetic variants affecting gene expression in human lung tissue, to refine susceptibility loci for asthma identified in GWAS studies, and to use the genetics of gene expression and network analyses to find key molecular drivers of asthma. We performed a genome-wide search for expression quantitative trait loci (eQTL) in 1,111 human lung samples. The lung eQTL dataset was then used to inform asthma genetic studies reported in the literature. The top ranked lung eQTLs were integrated with the GWAS on asthma reported by the GABRIEL consortium to generate a Bayesian gene expression network for discovery of novel molecular pathways underpinning asthma. We detected 17,178 cis- and 593 trans- lung eQTLs, which can be used to explore the functional consequences of loci associated with lung diseases and traits. Some strong eQTLs are also asthma susceptibility loci. For example, rs3859192 on chr17q21 is robustly associated with the mRNA levels of GSDMA (P = 3.55 × 10(-151)). The genetic-gene expression network identified the SOCS3 pathway as one of the key drivers of asthma. The eQTLs and gene networks identified in this study are powerful tools for elucidating the causal mechanisms underlying pulmonary disease. This data resource offers much-needed support to pinpoint the causal genes and characterize the molecular function of gene variants associated with lung diseases

Identification of Susceptibility Pathways for the Role of Chromosome 15q25.1 in Modifying Lung Cancer Risk

Genome-wide association studies (GWAS) identified the chromosome 15q25.1 locus as a leading susceptibility region for lung cancer. However, the pathogenic pathways, through which susceptibility SNPs within chromosome 15q25.1 affects lung cancer risk, have not been explored. We analyzed three cohorts with GWAS data consisting 42,901 individuals and lung expression quantitative trait loci (eQTL) data on 409 individuals to identify and validate the underlying pathways and to investigate the combined effect of genes from the identified susceptibility pathways. The KEGG neuroactive ligand receptor interaction pathway, two Reactome pathways, and 22 Gene Ontology terms were identified and replicated to be significantly associated with lung cancer risk, with P values less than 0.05 and FDR less than 0.1. Functional annotation of eQTL analysis results showed that the neuroactive ligand receptor interaction pathway and gated channel activity were involved in lung cancer risk. These pathways provide important insights for the etiology of lung cancer

Can L2 sentence processing strategies be native-like? Evidence from English speakers’ L2 processing of Chinese base-generated-topic sentences

This article reports on an empirical study examining English speakers’ L2 processing of Chinese base-generated-topic (BGT) sentences. Forty-four highly proficient English-speaking L2 learners of Chinese and 23 native Chinese speakers were involved in the study. Results of a self-paced reading task reveal that both native Chinese speakers’ and L2 Chinese learners’ processing of Chinese BGT sentences is syntactically induced in a top-down manner. English speakers are sensitive to and are able to make use of syntactic cues as well as semantic information in their processing of Chinese BGT sentences. The study provides disconfirming evidence against the Shallow Structure Hypothesis (Clahsen and Felser, 2006a,b), which predicts that unlike native speakers, L2 learners do not rely on structure-based processing strategies when solving ambiguities in L2 sentence processing