<p>Neurodevelopmental disorders develop over time and are characterized by a wide variety of mental, behavioral, and physical phenotypes. The categorization of neurodevelopmental disorders encompasses a broad range of conditions including intellectual disability, autism spectrum disorder, attention deficit hyperactivity disorder, cerebral palsy, schizophrenia, bipolar disorder, and epilepsy, among others. Diagnostic classifications of neurodevelopmental disorders are complicated by comorbidities among these neurodevelopmental disorders, unidentified causal genes, and growing evidence of shared genetic risk factors. </p><p>We sought to identify the genetic underpinnings of a variety of neurodevelopmental disorders, with a particular emphasis on the epilepsies, by employing next&ndash;generation sequencing to thoroughly interrogate genetic variation in the human genome/exome. First, we investigated four families presenting with a seemingly identical and previously undescribed neurodevelopmental disorder characterized by congenital microcephaly, intellectual disability, progressive cerebral atrophy, and intractable seizures. These families all exhibited an apparent autosomal recessive pattern of inheritance. Second, we investigated a heterogeneous cohort of &sim;60 undiagnosed patients, the majority of whom suffered from severe neurodevelopmental disorders with a suspected genetic etiology. Third, we investigated 264 patients with epileptic encephalopathies &mdash; severe childhood epilepsy disorders &mdash; looking specifically at infantile spasms and Lennox&ndash;Gastaut syndrome. Finally, we investigated &sim;40 large multiplex epilepsy families with complex phenotypic constellations and unclear modes of inheritance. The studied neurodevelopmental disorders exhibited a range of genetic complexity, from clear Mendelian disorders to common complex disorders, resulting in varying degrees of success in the identification of clearly causal genetic variants. </p><p>In the first project, we successfully identified the disease&ndash;causing gene. We show that recessive mutations in <italic>ASNS </italic> (encoding asparagine synthetase) are responsible for this previously undescribed neurodevelopmental disorder. We also characterized the causal mutations <italic>in vitro</italic> and studied Asns&ndash;deficient mice that mimicked aspects of the patient phenotype. This work describes ASNS deficiency as a novel neurodevelopmental disorder, identifies three distinct causal mutations in the ASNS gene, and indicates that asparagine synthesis is essential for the proper development and function of the brain.</p><p>In the second project, we exome sequenced 62 undiagnosed patients and their unaffected biological parents (trios). By analyzing all identified variants that were annotated as putatively functional and observed as a novel genotype in the probands (not observed in the unaffected parents or controls), we obtained a genetic diagnosis for 32% (20/62) of these patients. Additionally, we identify strong candidate variants in 31% (13/42) of the undiagnosed cases. We also present additional analysis methods for moving beyond traditional screens, e.g., considering only securely implicated genes, or subjecting qualifying variants from any gene to two unique analysis approaches. This work adds to the growing evidence for the utility of diagnostic exome sequencing, increases patient sizes for rare neurodevelopmental disorders (enabling more detailed analyses of the phenotypic spectrum), and proposes novel analysis approaches which will likely become beneficial as the number of sequenced undiagnosed patients grows. </p><p>In the third project, we again employ a trio&ndash;based exome sequencing design to investigate the role of <italic>de novo</italic> mutations in two classical forms of epileptic encephalopathy. We find a significant excess of <italic>de novo</italic> mutations in the &sim;4,000 genes that are the most intolerant to functional genetic variation in the human population (P = 2.9 x 10<super>&ndash;3</super>, likelihood analysis). We provide clear statistical evidence for two novel genes associated with epileptic encephalopathy &mdash; <italic>GABRB3</italic> and <italic>ALG13</italic>. Together with the 15 well&ndash;established epileptic encephalopathy genes, we statistically confirm the association of an additional ten putative epileptic encephalopathy genes. We show that only &sim;12% of epileptic encephalopathy patients in our cohort are explained by <italic>de novo</italic> mutations in one of these 24 genes, highlighting the extreme locus heterogeneity of the epileptic encephalopathies. </p><p>Finally, we investigated multiplex epilepsy families to uncover novel epilepsy susceptibility factors. Candidate variants emerging from sequencing within discovery families were further assessed by cosegregation testing, variant association testing in a case&ndash;control cohort, and gene&ndash;based resequencing in a cohort of additional multiplex epilepsy families. Despite employing multiple approaches, we did not identify any clear genetic associations with epilepsy. This work has, however, identified a set of candidates that may include real risk factors for epilepsy; the most promising of these is the <italic>MYCBP2</italic> gene. This work emphasizes the extremely high locus and allelic heterogeneity of the epilepsies and demonstrates that very large sample sizes are needed to uncover novel genetic risk factors. </p><p>Collectively, this body of work has securely implicated three novel neurodevelopmental disease genes that inform the underlying pathology of these disorders. Furthermore, in the final three studies, this work has highlighted additional candidate variants and genes that may ultimately be validated as disease&ndash;causing as sample sizes increase.</p> / Dissertation

La déficience intellectuelle (DI) définit un groupe de conditions génétiquement hétérogènes caractérisées par l’apparition de troubles cognitifs précoces chez l’enfant. Elle affecte 1-3% de la population dans les pays industrialisés. La prévalence de la DI est beaucoup plus élevée ailleurs dans le monde, en raison de facteurs sociodémographiques comme le manque de ressources dans le système de santé, la pauvreté et la consanguinité. Des facteurs non-génétiques sont mis en cause dans l’étiologie de la DI ; on estime qu’environ 25% des cas de DI sont d’origine génétique. Traditionnellement, les bases moléculaires de la DI ont été investiguées par des analyses cytogénétiques, les approches de cartographie génétique et le séquençage de gènes candidats ; ces techniques de génétiques classiques sont encore mises à rude épreuve dans l’analyse de maladies complexes comme la DI. La DI liée à l’X a été particulièrement étudiée, avec plus d’une centaine de gènes identifiés uniquement sur le chromosome X. Des mutations hétérozygotes composites sont mises en évidence dans la DI autosomique, dans le contexte d’unions non-consanguines. L’occurrence de ce type de mutations est rare, chez des individus non-apparentés, de sorte que les mutations dominantes de novo sont plus courantes. Des mutations homozygotes sont attendues dans les populations consanguines ou marquées par un effet fondateur. En fait, les bases moléculaires de la DI autosomique ont été presqu’exclusivement étudiées dans le contexte de populations avec des forts taux de consanguinité. L’origine de la DI demeure encore inconnue dans environ 60 % des cas diagnostiqués. En l’absence de facteurs environnementaux associés à la DI chez ces individus, il est possible d’envisager que des facteurs génétiques non identifiés entrent en jeu dans ces cas de DI inexpliqués. Dans ce projet de recherche, nous voulions explorer l’origine génétique de la DI, dans vingt familles, où une transmission de la maladie selon un mode autosomique récessif est suspectée. Nous avons mis de l’avant les techniques de séquençage de nouvelle génération, afin de mettre en évidence les déterminants génétiques de la DI, à l’échelle du génome humain. En fait, nous avons priorisé la capture et le séquençage de l’exome; soient la totalité des régions codantes du génome humain et leurs sites d’épissage flanquants. Dans nos analyses, nous avons ciblé les variants qui ne sont pas rapportés trop fréquemment dans différentes bases de données d’individus contrôles, ces mutations rares cadrent mieux avec une condition comme la DI. Nous avons porté une attention particulière aux mutations autosomiques récessives (homozygotes et hétérozygotes composites) ; nous avons confirmé que ces mutations ségréguent avec une transmission récessive dans la famille à l’étude. Nous avons identifié des mutations dans des gènes pouvant être à l’origine de la DI, dans certaines des familles analysées ; nous avons validé biologiquement l'impact fonctionnel des mutations dans ces gènes candidats, afin de confirmer leur implication dans la pathophysiologie de la DI. Nous avons élucidé les bases moléculaires de la DI dans huit des familles analysées. Nous avons identifié le second cas de patients avec syndrome de cassure chromosomique de Varsovie, caractérisé par des dysfonctions de l’ARN hélicase DDX11. Nous avons montré qu’une perte de l’activité de TBC1D7, une des sous-unités régulatrice du complexe TSC1-TSC2, est à l’origine de la pathologie dans une famille avec DI et mégalencéphalie. Nous avons mis en évidence des mutations pathogéniques dans le gène ASNS, codant pour l’Asparagine synthétase, chez des patients présentant une microcéphalie congénitale et une forme progressive d’encéphalopathie. Nous avons montré que des dysfonctions dans la protéine mitochondriale MAGMAS sont mises en cause dans une condition caractérisée par un retard prononcé dans le développement associé à une forme sévère de dysplasie squelettique. Nous avons identifié une mutation tronquant dans SPTBN2, codant pour la protéine spinocerebellar ataxia 5, dans une famille avec DI et ataxie cérébelleuse. Nous avons également mis en évidence une mutation dans PIGN, un gène impliqué dans la voie de biosynthèse des ancres de glycosylphosphatidylinositol , pouvant être à l’origine de la maladie chez des individus avec épilepsie et hypotonie. Par ailleurs, nous avons identifié une mutation - perte de fonction dans CLPB, codant pour une protéine chaperonne mitochondriale, dans une famille avec encéphalopathie néonatale, hyperekplexie et acidurie 3-méthylglutaconique. Le potentiel diagnostic des techniques de séquençage de nouvelle génération est indéniable ; ces technologies vont révolutionner l’univers de la génétique moléculaire, en permettant d’explorer les bases génétiques des maladies complexes comme la DI. / Intellectual disability (ID) regroups greatly heterogeneous conditions that are characterized by early-onset cognitive impairment. ID affects about 1-3% of Western populations; but its prevalence is much higher in deprived regions of the world where socio-demographic factors like poor healthcare, lack of resources and parental consanguinity prevail. Non-genetic factors are involved in the etiology of ID; approximately 25% of ID cases are of genetic origin. Traditionally, the molecular basis of ID have been assessed through cytogenetic analyses, genetic mapping and candidate gene approaches. These classical genetic tools are still put to the test in the study of complex diseases like ID. Until recently, X-linked ID cases were the main focus of studies on ID with more than hundred ID genes identified only on the X chromosome. Compound heterozygous mutations are identified in autosomal forms of ID, in the context of non-consanguineous unions. However, the occurrence of such mutations is rare in outbred populations, so that dominant de novo mutations are most common in unrelated individuals. Homozygous mutations are expected in consanguineous unions or in populations marked by a founder effect. In fact, the molecular bases of autosomic recessive ID have been almost exclusively studied in populations with high consanguinity rates. ID remains unsolved in more than 60% of patients. In the absence of environmental factors associated with ID in these individuals, it is possible to consider that unidentified genetic factors are involved in these unexplained ID cases. In this research project, we used next generation sequencing technologies to highlight the genetic causes of ID in twenty families were an autosomal recessive mode of inheritance is expected. We prioritized the use of whole-exome sequencing, namely all coding exons in the genome of this individual. In our analyses, we filtered out variants that were too common in control individuals to describe a rare condition like ID. We focussed our attention on rare autosomic recessive varaiants (homozygous and compound heterozygous), these mutations were confirmed by Sanger re-sequencing to segregate with an autosomal recessive mode of inheritance in the family. We identified mutations in candidate genes for ID in some of the family analysed, we validated the functional impact of the mutations in these genes to confirm their involvement in the pathophysiology of ID in the family studied. We explained the molecular basis of ID in eight of the families studied. We identified the second case of Warsaw-Breakage-Syndrome, a rare genetic disorder characterised by dysfunction of the RNA helicase DDX11. We showed that disruption in TBC1D7, a functional subunit of the TSC1-TSC2 protein complex, cause ID and megalencephaly. We demonstrated that ASNS, the Asparagine Synthetase gene, is defective in patients with congenital microcephaly and progressive encephalopathy. We showed that the gene coding for the mitochondrial protein MAGMAS is involved in the pathophysiology of a condition characterised by developmental delay and severe skeletal dysplasia. We identified a truncating mutation in SPTBN2, encoding for the spinocerebellar ataxia 5 proteins, in a family with ID and spinocerellar ataxia. We also identified a mutation in a gene involved in the biosynthetic pathway of glycosylphosphatidylinositol anchors; the mutation in PIGN may cause the epilepsy and hypotonia features observed in the affected individuals of that family. Finally, we identified a loss of function mutation in CLPB, coding for a mitochondrial chaperone, in individuals with severe encephalopathy, hypereklexia and 3-methylglutaconic aciduria. The diagnostic potential of next generation sequencing technologies is undeniable. These technologies will revolutionize the world of molecular genetics; they will help deciphering the molecular basis of complex diseases like ID.

Les réseaux de capteurs acoustiques sous-marins (UW-ASN) sont les plus nouveaux achèvements technologiques en termes de communication. Les UW-ASN visent à observer et à explorer les lacs, les rivières, les mers et les océans. Récemment, ils ont été soumis à une attention particulière en raison de leur grand potentiel en termes d'applications prometteuses dans divers domaines (militaires, environnementaux, scientifiques ...) et aux nouvelles questions scientifiques qu'ils suscitent. Un problème majeur dans les UW-ASN est l'épuisement rapide de l'énergie, car une grande puissance est nécessaire pour la communication acoustique, tandis que le budget de la batterie des capteurs est limité. Par conséquent, les protocoles de communication énergétiques revêtent une importance primordiale pour faire usage judiciaire du budget énergétique disponible. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier les principales caractéristiques des capteurs acoustiques sous-marins difficiles afin de concevoir des protocoles de communication énergétiques, plus spécifiquement au niveau routage et MAC. Tout d'abord, nous abordons le problème des trous énergétiques dans UW-ASN. Le problème du « sink-hole » se produit lorsque les capteurs les plus proches du sink épuisent leur énergie plus rapidement en raison de leur charge plus lourde. En effet, ces capteurs, en particulier ceux qui sont à un seul saut du sinkstatique, agissent comme des relais pour tous les autres capteurs, ce qui leur épuise sévèrement l’énergie.A la couche de routage,en particulier, nous proposons de distribuer la charge transmise par chaque capteur parmi plusieurs voisins potentiels, en supposant que les capteurs peuvent ajuster leur gamme de communication entre deux niveaux lorsqu'ils envoient ou transmettent des données. Plus précisément, nous déterminons pour chaque capteur l'ensemble des prochains sauts avec les poids de charge associés qui entraînent un épuisement équitable d'énergie entre tous les capteurs du réseau. Ensuite, nous étendons notre stratégie de routage équilibrée en supposant que chaque capteur n'est pas seulement capable d'ajuster sa puissance d'émission à 2 niveaux mais aussi jusqu'à n niveaux où n> 2. Par conséquent, à la couche de routage, pour chaque valeur possible de n, nous déterminons pour chaque capteur l'ensemble des éventuels sauts avec les poids de charge associés qui mènent à une consommation d'énergie équitable chez tous les capteurs du réseau. En outre, nous obtenons le nombre optimal de puissances de transmission n qui équilibre la consommation d'énergie de tous les capteurs pour chaque configuration de réseau. En plus de cela, il convient de souligner que notre protocole de routage étendu utilise un modèle de canal à variation de temps plus réaliste qui tient compte de la plupart des caractéristiques fondamentales de la propagation acoustique sous-marine. Les résultats analytiques montrent que notre protocole de routage assure une réduction importante de la consommation d’énergie. Deuxièmement, pour atténuer les impacts de collision spectaculaires gaspillant l’énergie, nous concevons un protocole MAC multicanal (MC-UWMAC) évitant les collisions pour les UW-ASNs. MC-UWMAC fonctionne avec un canal de contrôle (décomposé en créneaux de temps) et un ensemble de canaux de données à bande passante égale. Les créneaux du canal de contrôle sont dédiés à l’échange RTS / CTS permettant à une paire de capteurs communicants de s'accorder sur l'heure de début de la communication sur un canal de données pré-alloué. Dans cette thèse, nous proposons deux nouvelles procédures associées d'allocation des créneaux du canal de contrôle et d'attribution des canaux de données sans nécessiter de frais de négociation supplémentaires. En conséquence, chaque capteur peut initier l'échange RTS / CTS uniquement à son créneau assigné, calculé à l'aide d'une procédure d'allocation basée sur une partition virtuelle de grille de la zone de déploiement. (...) / UnderWaterAcoustic Sensor Networks (UW-ASNs) are the newest technological achievement in terms of communication. Composed of a set of communicating underwater sensors, UW-ASNs are intended to observe and explore lakes, rivers, seas and oceans. Recently, they have been subject to a special attention due to their great potential in terms of promising applications in various domains (military, environmental, scientific...) and to the new scientific issues they raise. A great challenging issue in UW-ASNs is the fast energy depletion since high power is needed for acoustic communication while sensors battery budget is limited. Hence, energy-efficient networking protocols are of a paramount importance to make judicious use of the available energy budget while considering the distinguishing underwater environment characteristics. In this context, this thesis aims at studying the main challenging underwater acoustic sensors characteristics to design energy-efficient communication protocols specifically at the routing and MAC layers. First, we address the problem of energy holes in UW-ASNs. The sink-hole problem occurs when the closest nodes to sink drain their energy faster due to their heavier load. Indeed, those sensors especially the ones that are 1-hop away from the static sink act as relays to it on behalf of all other sensors, thus suffering from severe energy depletion. In particular, at the routing layer, we propose to distribute the transmission load at each sensor among several potential neighbors, assuming that sensors can adjust their communication range among two levels when they send or forward data. Specifically, we determine for each sensor the set of next hops with the associated load weights that lead to a fair energy depletion among all sensors in the network. Then, we extend our balanced routing strategy by assuming that each sensor node is not only able to adjust its transmission power to 2 levels but eventually up to n levels where n > 2. Consequently, at the routing layer, for each possible value of n, we determine for each sensor the set of possible next hops with the associated load weights that lead to a fair energy consumption among all sensors in the network. Moreover, we derive the optimal number of transmission powers n that balances the energy consumption among all sensors for each network configuration. In addition to that, it is worth pointing out that our extended routing protocol uses a more realistic time varying channel model that takes into account most of the fundamental characteristics of the underwater acoustic propagation. Analytical results show that further energy saving is achieved by our extended routing scheme. Second, to mitigate the dramatic collision impacts, we design a collision avoidance energy efficient multichannel MAC protocol (MC-UWMAC) for UW-ASNs. MC-UWMAC operates on single slotted control and a set of equal-bandwidth data channels. Control channel slots are dedicated to RTS/CTS handshaking allowing a communicating node pair to agree on the start time of communication on a pre-allocated data channel. In this thesis, we propose two novel coupled slot assignment and data channels allocation procedures without requiring any extra negotiation overhead. Accordingly, each node can initiate RTS/CTS exchange only at its assigned slot calculated using a slot allocation procedure based on a grid virtual partition of the deployment area. Moreover, for each communicating pair of nodes, one data channel is allocated using a channel allocation procedure based on our newly designed concept of singleton- intersecting quorum. Accordingly, each pair of communicating nodes will have at their disposal a unique 2-hop conflict free data channel. Compared with existing MAC protocol, MC-UWMAC reduces experienced collisions and improves network throughput while minimizing energy consumption.