Le système immunitaire est particulièrement dépendant des mécanismes de réparation de l’ADN, en effet le développement du système immunitaire adaptatif nécessite certains mécanismes de réparation de l’ADN, lors de la recombinaison V(D)J et lors de la commutation de classe des immunoglobulines. De plus, le système hématopoïétique est par sa nature très sensible aux lésions spontanées de l’ADN. Il existe chez l’homme de nombreux déficits immunitaires directement liés à un défaut de réparation de l’ADN. L’identification du gène responsable est importante pour un conseil génétique familial approprié et pour la prise en charge médicale. Nous avons accès aujourd’hui à de puissants outils de dépistage génétique grâce au séquençage à haut débit et la liste des gènes responsables d’un déficit immunitaire s’allonge de plus en plus en rapidement. La première partie de ce travail porte sur la mise au point d’un nouvel outil de dépistage rapide des déficits de la réparation de l’ADN, en particulier dans le cas de déficit immunitaires. Ce test est fondé sur l’observation d’un biais du répertoire du TCRdes lymphocytes T circulants lorsque les thymocytes ont une durée de vie diminuée, or un défaut de réparation de l’ADN entraîne une diminution de la survie thymocytaire. Nous avons mis au point deux techniques, par biologie moléculaire et par cytométrie en flux, pour détecter un éventuel biais du répertoire du TCRα et évaluer la pertinence de ce test dans les déficits immunitaires liés à un défaut de réparation de l’ADN. Un biais a notamment été détecté dans les cas de déficit en facteur du NHEJ et en ATM. Nous avons également établi en collaboration avec le service d’Immunologie Clinique de l’hôpital Saint-Louis une cohorte de patients atteints de déficit immunitaire commun variable (DICV) dont la présentation clinique est évocatrice d’un défaut de réparation de l’ADN. Une série de test fonctionnels de dépistages de déficit de la réparation de l’ADN ainsi que des analyses génétiques (CGH array, séquençage complet de l’exome) ont été fait chez ces patients afin d’identifier de nouveaux gènes impliqués dans les DICV. Parmi les 18 patients analysés, dans 5 cas on retrouve une sensibilité cellulaire accrue aux agents génotoxiques et chez 15 patients, un gène candidat a été identifié. Ces résultats sont encore préliminaires et la caractérisation génétique et fonctionnelle des mutations identifiées sera poursuivie par notre équipe. Pour finir, nous avons entrepris l’exploration génétique et fonctionnelle de deux mutations identifiées chez une jeune patiente atteinte de déficit immunitaire combiné (CID) associé à un syndrome lymphoprolifératif et une auto-immunité, et chez qui une hypersensibilité cellulaire à la Mitomycine C, agent pontant de l’ADN, a été détectée. La première mutation a été identifiée dans le gène ELKS qui code pour un facteur impliqué dans la réparation de l’ADN. La complémentation fonctionnelle de ce gène prouve l’implication de cette mutation dans l’hypersensibilité des cellules de la patiente à la MMC. Nous avons développé un modèle murin KO conditionnel de ce gène dans les cellules hématopoïétiques qui n’a pas montré de défaut de développement du système immunitaire. La deuxième mutation identifiée se situe dans le gène BACH2 codant pour un répresseur transcriptionnel très impliqué dans le développement du système immunitaire. Les souris KO pour ce gène ont un phénotype proche du déficit immunitaire décrit chez cette patiente. Les investigations de cette mutation sont en cours chez elle et chez les membres de sa famille également porteurs de la mutation. / The immune system is particularly dependent on DNA damage response (DDR) pathways. The development of the adaptive immune system requires certain DDR mechanisms, in particular during the V(D)J recombination and during class switch recombination (CSR), furthermore, the hematopoietic system is very sensitive to spontaneous DNA lesions. Therefore, there are many immune deficiencies in human directly related to a DDR deficiency. The identification of the responsible gene is important for appropriate genetic counseling. Today, we have access to powerful genetic screening tools, in particular next generation sequencing (NGS) and the list of genes responsible for immune deficiency is growing rapidly. The first part of this work focuses on the development of a new screening tool for DDR defects, in particular in the case of immune deficiency, and evaluation of clinical interest. This test is based on the observation of a bias of the TCRα repertoire in circulating T lymphocytes when thymocytes lifespan is diminished and we know that DDR defect causes decreased thymocyte survival. We have developed two techniques, by molecular biology and by flow cytometry, to detect a potential bias of the TCRα repetoire and assess the suitability of this test in some immunodeficiencies linked to a DDR defect. A significant bias was detected in the case of ATM and NHEJ factor deficiency. Furthermore, we have established a cohort of patients suffering from common variable immunodeficiency (CVID) with a clinical presentation highly suggestive of DDR defect, in collaboration with the Clinical Immunology Service of Hôpital Saint-Louis (Paris). Functional test for DDR defect and genetic analysis (CGHarray, whole exome sequencing) were performed in these patients to identify new genes involved in CVID. Among the 18 patients analyzed until now, five cases of cellular sensitivity to genotoxic agents have been detected and a candidate gene was identified in 15 of them. These results are still preliminary and our team will pursue genetic and functional characterization of the identified mutations. Finally, we undertook genetic and functional exploration of two mutations identified in a young patient with combined immunodeficiency (CID) associated with a lymphoproliferative disease and autoimmunity, and in whom a cellular hypersensitivity to mitomycin C, a DNA crosslinking agent, was detected. The first mutation was identified in the ELKS gene, which codes for a factor involved in DNA repair. Functional complementation of this gene demonstrates the involvement of this mutation in the hypersensitivity of patient’s cells to MMC. We have developed a conditional knockout mouse model of this gene in hematopoietic cells that did not show any defect in development of the immune system. The second mutation was identified in BACH2 gene encoding a transcriptional repressor involved in the development of the immune system. Knockout mice for this gene have a similar phenotype to the immune deficiency described in this patient. Investigations on this mutation are ongoing in the patient and among family members that also carry the mutation.

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Of this total, 360 phenotypes are associated with defects in 336 genes (thus, 90 diseases remain to have their cause elucidated). The development of high resolution techniques for genomic analysis has enabled more genetic diseases, including skeletal phenotypes, to have molecular basis clarified. This research aimed to identify genes or regions in the human genome associated with genetic diseases of the skeleton. To this end, a pipeline was developed involving experiments and data analysis. Investigation of single nucletoide variation (SNV) was carried out using whole exome sequencing (WES) and submicroscopic structural variations were analyzed by Chromossomal Microarray Analysis (CMA). Moreover, Sanger sequencing, Fluorescence in situ Hybridization, in vitro functional tests (cell culture, qRT-PCR, Western Blot, Immunofluorescence and transcriptome), Immunohistochemistry and histochemistry were employed. 14 patients with rare diseases of skeleton (Craniosynostosis, s. FATCO sindrome, Catel-Manzke-like sindrome, Nager Syndrome and Rodriguez Syndrome) were selected. Craniosynostosis: of three patients, two had their molecular diagnoses elucidated, one with mutation in FGFR3 and the other with a translocation involving chromosomes 17q and 20q. s. FATCO: it wasn't possible to identify the causative mutation for this disease. Catel-Manzke-like Syndrome: initially this patient was diagnosed as Catel-Manzke Syndrome, and there was found a mutation in EXT2. Thus, this patient was reclassified as a new syndrome recently reported as seizures-scoliosis-macrocephaly. Nager and Rodriguez Syndrome: two of four have been diagnosed with mutation in SF3B4. For these patients, the results of qRT-PCR, Western Blot and Immunofluorescence together suggested that the phenotype is caused by SF3B4 haploinsuficiency. Immunohistochemistry and Histochemistry showed the expression of SF3B4 in cartilage tissue and the disorganization of hypertrophic cells in growth plate, respectively. The transcriptome result from cartilage tissue of one patient with SF3B4 mutation showed 12 underexpressed genes involved in skeletogeneses. The combination of techniques like classical cytogenetics and molecular cytogenetics as well as sequencing and in vitro assays were effective to achieve a diagnosis. Although there was an investigative core common to all diseases, investigations were customized to each case, seeking greater efficiency in the detection of the molecular basis and cost optimization of molecular research. / As doen??as gen??ticas do esqueleto s??o anomalias que envolvem a g??nese do sistema esquel??tico, causadas por altera????es em genes que atuam principalmente na cartilagem e/ou no n??cleo de crescimento. Na classifica????o atual h?? 456 doen??as do esqueleto categorizadas em 40 grupos. Destes, 360 patologias esquel??ticas est??o associadas a defeitos em 336 genes (portanto, existem 90 displasias esquel??ticas sem causa definida). O surgimento de t??cnicas de alta resolu????o de an??lise gen??mica tem permitido que cada vez mais doen??as gen??ticas, incluindo as doen??as gen??ticas do esqueleto, possam ter suas bases moleculares elucidadas. Esta pesquisa teve como objetivo a identifica????o e caracteriza????o de genes e regi??es do genoma humano associado a doen??as gen??ticas raras do esqueleto. Para isso, implantou-se um pipeline envolvendo experimentos e an??lise de dados. Esta tese investigou varia????es de nucleot??deo ??nico (SNVs) pelo uso Whole Exome Sequencing (WES) e varia????es estruturais submicrosc??picas, pelo uso Chromossomal Microarray Analysis (CMA). Al??m disso, fez-se uso de Sequenciamento de Sanger, Fluorescence in situ Hybridization, testes funcionais in vitro (cultura celular, qRT-PCR, Western Blot, Imunofluoresc??ncia e Transcritoma), Imunohistoqu??ca e histoqu??mica. Foram selecionados 14 pacientes com doen??as raras do esqueleto (Craniossinostose, s??ndrome FATCO, s??ndrome Catel-Manzke-like, s??ndrome de Nager e s??ndrome Rodriguez). Craniossinostose: dos quatro pacientes, dois foram diagnosticados com muta????o em FGFR3 e outro com uma transloca????o envolvendo os cromossomos 17q e 20q. S??ndrome de FATCO: n??o foi poss??vel identificar as bases moleculares da doen??a. ???Catel-Manzke-Like???: inicialmente diagnosticado com Sindrome de Catel-Manzke, o paciente teve uma muta????o detectada em EXT2, sendo reclassificado como uma nova s??ndrome (S??ndrome Convuls??o-Escoliose-Microcefalia). S??ndromes de Nager e Rodriguez: foram diagnosticado muta????es no gene SF3B4 em dois dos quatro pacientes. Nestes mesmos pacientes foram realizados qTR-PCR, Western Blot e Imunofluoresc??ncia que juntos sugeriram que estas patologias sejam causadas pela haploinsufici??ncia do SF3B4. A imunohistoqu??mica e histoqu??mica mostraram a express??o de SF3B4 na placa de crescimento e desorganiza????o de condr??citos hipertr??ficos, respectivamente. O transcritoma de um dos pacientes, com muta????o em SF3B4, evidenciou 12 genes ligados a esqueletog??nese com express??o diminu??da no tecido cartilaginoso. A combina????o de t??cnicas seja citogen??tica cl??ssica, citogen??tica molecular, sequenciamento, bem como an??lises in vitro se mostraram eficientes para se alcan??ar o diagn??stico. Embora houvesse um cerne investigativo em comum a todas as doen??as, as investiga????es foram personalizadas para cada caso, visando maior efici??ncia na detec????o das bases moleculares e otimiza????o dos custos da investiga????o molecular.

A imunodeficiência combinada grave (SCID) é uma doença caracterizada por profunda deficiência de células T, que afeta as imunidades celular e humoral e gera anormalidades graves no desenvolvimento e funções do sistema imune. Recém-nascidos com SCID apresentam a doença nos primeiros meses de vida e tem grande susceptibilidade a infecções. Sem tratamento, essas condições são invariavelmente fatais, porém se reconhecidas precocemente, há a possibilidade da realização do transplante de células-tronco hematopoiéticas, o tratamento curativo, o que torna a SCID uma emergência pediátrica. A investigação do defeito genético é uma prerrogativa para o condicionamento adequado do transplante, a terapia gênica, o aconselhamento genético e o diagnóstico pré-natal. No Brasil, o conhecimento sobre SCID é incipiente e não existem dados moleculares sobre pacientes com a doença. Sendo assim, este estudo teve por objetivo investigar defeitos genético-moleculares de pacientes brasileiros com SCID. Foram incluídos 13 pacientes, todos com início precoce dos sintomas e manifestações clínicas esperadas em SCID (principalmente infecções respiratórias, de pele, diarreia crônica e atraso de crescimento). Os patógenos isolados foram vírus, bactérias e fungos oportunistas comumente encontrados em pacientes SCID. A partir da quantificação de TRECS e KRECs e imunofenotipagem de linfócitos, foi montado o perfil imunológico de cada paciente, que guiou o sequenciamento direto de Sangerdos genes mais frequentemente mutados em cada imunofenótipo de SCID. Mutações em 3 pacientes foram identificadas por Sanger e, posteriormente, 8 pacientes cujas mutações não foram encontradas no Sanger foram encaminhados para o sequenciamento completo de exoma, que resultou na identificação do gene afetado em 62,5% dos casos. Ao todo, foram identificadas mutações patogênicas em 8 dos 13 pacientes. Os resultados revelaram 6 alterações em 5 genes de SCID clássica (IL7R, RAG2, DCLRE1C, JAK3, IL2RG), 1 mutação no gene CD3G e 2 alterações em CECR1. Das 9 mutações encontradas, 5 não possuíam registro na literatura. O estudo genético de SCID em nosso país é problemático, principalmente porque ainda hoje, a esmagadora maioria dos pacientes não é diagnosticada. A implementação da quantificação de TRECs e KRECs como triagem neonatal para linfopenias graves é uma ferramenta fundamental para que os pacientes SCID possam ser identificados, investigados e tratados adequadamente. / Primary immunodeficiencies are a heterogeneous group of genetic diseases that lead to increased susceptibility to infections and affect mostly children. Severe Combined Immunodeficiency (SCID) is the most severe of all these diseases and is characterized by profound T cell deficiency, which affects cellular and humoral immunities and leads to severe abnormalities in the development and function of the immune system. Newborns with SCID present the disease in the first months of life and are highly susceptible to infections. Without treatment, these conditions are invariably fatal, but if recognized early, there is the possibility of hematopoietic stem cell transplantation, the curative treatment, which makes SCID a pediatric emergency. Identifying the genetic defect of SCID patients is a prerequisite for proper transplant conditioning, gene therapy, genetic counseling and prenatal diagnosis. Knowledge about SCID is still incipient in Brazil, and there are virtually no molecular data on patients with the disease. Therefore, this study aimed to investigate genetic-molecular defects of Brazilian patients with SCID. Thirteen patients were recruited, all with early onset of symptoms and clinical manifestations expected of classic SCIDs (mainly respiratory and skin infections, chronic diarrhea and failure to thrive). The pathogens isolated were opportunistic viruses, bacteria and fungi often reported in SCID patients. The immunological profile from each patient was defined by the quantification of TRECS and KRECs and lymphocyte immunophenotyping, which was meant to guide direct sequencing by Sanger of the most frequently mutated genes of each SCID immunophenotype. Mutations in 3 patients were identified by Sanger and, subsequently, 8 patients whose mutations were not identified by Sanger were referred for whole exome sequencing, which resulted in the identification of the affected gene in 62,5% of cases. Pathogenic mutations were identified in 8 of the 13 patients. The results revealed 6 mutations in 5 genes associated to classical SCID genes (IL7R, RAG2, DCLRE1C, JAK3, IL2RG), 1 mutation in the CD3G gene, and 2 mutations in CECR1. Five of the 9 mutations found had no record in the literature. SCID genetic investigation in our country is troublesome, mainly because even nowadays, the vast majority of patients are not diagnosed properly. Newborn screening for SCID and other severe lymphopenias by the quantification of TRECs and KRECs is key for the identification, investigation and proper treatment of SCID patients.

Depuis déjà plusieurs décennies, nous sommes en mesure d'identifier les mutations responsable de diverses maladies mendéliennes. La découverte des gènes responsables de ces maladies permet non seulement un meilleur diagnostic clinique pour ces familles, mais aussi de mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques de ces maladies ainsi que mieux définir la fonction normale des gènes causales. Ultimement, ces découvertes mènent à l'identification de cibles thérapeutiques pour le traitement de ces maladies. Les progrès technologiques sont depuis toujours un facteur très important dans la découverte de ces gènes mutés. De l'approche traditionnelle de clonage positionnel en passant par la première séquence du génome humain et maintenant les technologies de séquençage à grande échelle, de plus en plus de maladies ont maintenant une entité génétique. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous avons utilisé tant les approches traditionnelles (leucodystrophies) que les nouvelles technologies de séquençage (polyneuropathie douloureuse) qui ont mené à l'identification du gène causal pour plusieurs de nos familles. L'efficacité de ces deux approches n'est plus à démontrer, chacune d'entre elles possèdent des avantages et des inconvénients. Dans le cadre de ces projets, nous avons utilisé la population canadienne-française connue pour ces effets fondateurs et la présence, encore aujourd'hui, de grandes familles. Les différents projets ont permis d'établir certains avantages et inconvénients quant à l'utilisation de ces techniques et de la population canadienne-française. Dans le cadre d'un phénotype assez homogène et bien défini comme celui du projet leucodystrophie, l'approche traditionnel par gène candidat nous a permis d'identifier le gène causal, POLR3B, sans trop de difficulté. Par contre, pour les autres projets où nous sommes en présence d'une hétérogénéité clinique et génétique une approche non-biaisée utilisant le séquençage exomique a obtenu un plus grand succès. La présence de grandes familles est un grand avantage dans les deux approches. Dans le projet polyneuropathie douloureuse, une grande famille originaire du Saguenay-Lac-St-Jean nous a permis d'identifier le gène NAGLU comme responsable suite à l'exclusion des autres variants candidats par analyse de ségrégation. Comme NAGLU était déjà associé à un phénotype qui diffère sur plusieurs points à celui de notre famille, une approche traditionnelle n'aurait pas été en mesure d'identifier NAGLU comme le gène causal. Dans l'analyse de nos données de séquençage exomique, nous avons observé que plusieurs variants rares, absents des bases de données, étaient partagés entre les différents individus Canadiens français. Ceci est probablement dû à la démographie génétique particulière observée chez les Canadiens français. En conclusion, les technologies de séquençage à grande échelle sont avantageuses dans l'étude de maladies hétérogènes au niveau clinique et génétique. Ces technologies sont en voie de modifier l'approche d'identification de gènes en permettant une analyse de génétique inversée, c'est-à-dire de la génétique vers la clinique. / Since many decades we are able to identify mutations responsible for Mendelian diseases. The identification of the causative gene not only allows a better diagnostic to these families, but also allows a better understanding of the pathophysiological mechanisms of these disorders and of the normal function of a gene. Ultimately, those discoveries lead to the identification of therapeutic targets that will enable clinicians to treat these diseases. Technological progress has forever driven gene identification. Starting with traditional approaches like positional cloning passing through the first sequence of the human genome and finally the recent high-throughput sequencing technologies, more and more diseases are now linked to a genetic cause. During my PhD, I had the opportunity to use traditional approaches (leukodystrophy) as well as new sequencing technologies (painful sensory polyneuropathy) which both led to gene identification for some of our families. The efficiency of these approaches is well known, each of them has advantages and disadvantages. In these projects, we used the french-canadian population well known for its founder effect and the presence, still today, of large families. Working on these projects allowed us to establish advantages and disadvantages concerning the use of those technologies and the french-canadian population. In the presence of a homogenous and well defined phenotype, like the leukodystrophy project, the traditional approach enables us to rapidly identify the causative gene (POLR3B). On the other hand, the unbiased exome sequencing approach has had more success for diseases characterized with clinical and genetic heterogeneity. Large families are a great advantage for both methods. In the painful sensory polyneuropathy project, a large family originated from the Saguenay-Lac-St-Jean region allowed us to identify the NAGLU gene as responsible for the disease after exclusion of the candidate variants by segregation analysis. NAGLU has already been associated with a phenotype that differs in many points with the clinical features observed in our family. In this case a traditional approach would have failed to identify NAGLU as the causative gene. In the analysis of our exome sequencing results, we observed many rare variants absent from databases but shared between french-canadian individuals. This enrichment in rare variants is probably due to the particular genetic demography of Quebec. In conclusion, high-throughput sequencing technologies are advantageous in the study of clinically and genetically heterogeneous diseases. These technologies are changing the gene identification approach towards reverse genetics, meaning genetics towards clinic.

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L’Hypertension Hyperkaliémique Familiale (HHF) est une forme rare d’hypertension associée à une hyperkaliémie et une acidose métabolique hyperchlorémique, très sensible aux diurétiques thiazidiques. Les premières analyses génétiques ont permis d’identifier deux gènes responsables, WNK1 et WNK4, mais qui n’expliquaient que 8 % de notre cohorte. L’objectif de ma thèse était de rechercher de nouveaux gènes ou variants à l’origine de l’HHF. Notre stratégie initiale a été de combiner une analyse de liaison à un séquençage d’exome entier sur trois grandes familles atteintes. Nous avons ainsi identifié un nouveau gène responsable de la maladie codant pour un acteur jusque là insoupçonné, KLHL3 (Kelch-like 3), responsable de 39% des cas de notre cohorte. La majorité des mutations sont présentes à l’état hétérozygote entrainant un phénotype modéré, alors que les rares patients porteurs d’une mutation homozygote, tous issus de familles consanguines, présentent un phénotype plus marqué. Le spectre des mutations a montré l’importance des structures en boucles de cette protéine qui joue un rôle d’adaptateur de substrat dans un complexe d’ubiquitination (publié dans Nature Genetics, 2012). La découverte d’un type unique de mutations sur le gène CUL-3 par une équipe concurrente a été confirmée dans notre cohorte, entrainant un phénotype plus précoce et plus sévère. Ces mutations ont mis en lumière l’importance de ces deux protéines dans la constitution du complexe E3 ubiquitine-ligase et la dégradation des WNKs dans le néphron, par le protéasome après ubiquitination. Nous avons aussi identifié des mutations faux-sens dans le domaine acide de WNK1 très conservé chez des patients ayant un phénotype HHF mais sans hypertension artérielle. Ce motif, similaire à celui porteur de mutations sur WNK4 est responsable de la liaison à l’adaptateur de substrat KLHL3. Les sujets atteints présentent un âge plus précoce d’apparition de la maladie avec des valeurs de pression artérielle normales. La comparaison phénotypique avec les cas porteurs d’une mutation WNK4 et d’une délétion de l’intron 1 de WNK1 a montré des différences de pression artérielle significatives. La transfection d’ARNc mutés dans les œufs de Xénope, effectuées en collaboration, a permis de démontrer que ces nouvelles mutations faux-sens de WNK1 entrainent une accumulation de son isoforme rénale KS-WNK1 (soumis à J Am Soc Nephrol). L’ensemble de ces résultats ouvre une nouvelle voie de compréhension moléculaire de la régulation du transport des ions sodium, potassium et chlore au niveau du rein et par conséquence de la pression artérielle. / Familial Hyperkalemia Hypertension (FHHt), also known as Gordon syndrome is a rare form of hypertension associated with hyperkalemia and hyperchloremic metabolic acidosis, very sensitive to thiazide diuretics. In 2001, the first genetic analysis identified two genes, coding for two serine/threonine kinases WNK1 and WNK4, which explained only 8% of our cohort. The aim of my thesis was to search new genes or variants responsible for FHHt. We decided to combine a linkage analysis and a whole exome sequencing in three affected families. We identified a new gene responsible for the disease coding for an unsuspected actor KLHL3 (Kelch-like 3), responsible for 39% of our cohort. The majority of the mutations are present at a heterozygous state leading to a moderate phenotype, whereas patients with homozygous mutation, all from consanguineous families, displayed a stronger phenotype. The spectrum of mutations showed the importance of the loop structures of this protein playing an adaptor role in an ubiquitination complex (published in Nature Genetics, 2012). The discovery of a particular type of mutations in CUL-3 by another team was confirmed in our cohort, leading to an earlier and more severe phenotype. These changes have highlighted the importance of these two proteins in the formation of the E3 ubiquitin-ligase-complex and in the WNKs degradation in the nephron by the proteasome after ubiquitination. We have also identified missense mutations in the acidic motif of WNK1, highly conserved in patients with FHHt without hypertension. This pattern is similar to the WNK4 mutations and is responsible for the binding of the substrate adaptor KLHL3. Affected individuals have an earlier age of onset with normal blood pressure values for most of them. Phenotypic comparison with cases carrying WNK4 mutations and deletion of the intron 1 of WNK1 showed significant differences in blood pressure values. Transfection of mutated cRNA in Xenopus laevis oocyte demonstrated that these new WNK1 missense mutations result in the accumulation of the renal isoform KS-WNK1 (submitted to J Am Soc Nephrol). Taken together, these results open a new pathway for understanding the molecular regulation of ion transport and WNK kinases in the kidney and consequently the regulation of blood pressure.

La pratique du mariage entre apparentés au sein de la population libanaise, favorisée par des raisons sociales, religieuses, géographiques et aussi politiques, a vu apparaître des sous-groupes de populations de taille plus ou moins réduite, parfois à la limite d’isolats génétiques. Ceci a engendré une augmentation de la prévalence des maladies autosomiques récessives fréquentes mais aussi et surtout rares. Parmi ces dernières, les chondrodysplasies ont retenu notre attention. Elles sont caractérisées par un retard statural dû à un défaut du processus d’ossification endochondale, qui est responsable de la croissance des os longs. Au cours de ces dernières décennies, plus de 230 gènes responsables d’environ 400 maladies osseuses constitutionnelles ont été identifiés. Cependant, les bases moléculaires d'une centaine de dysplasies osseuses restent, à ce jour, inconnues. L’identification de gènes codant pour des protéines de nature extrêmement variée a contribué à la compréhension du mécanisme complexe d’ossification endochondrale. Mon travail de thèse, réalisé en cotutelle entre l’équipe de recherche « Bases moléculaires et physiopathologiques des chondrodysplasies » de l’hôpital Necker enfants-malades, à Paris en France et l’Unité de Génétique Médicale (UGM) de l’Université Saint-Joseph au Liban, a consisté à identifier des gènes impliqués dans des dysplasies osseuses autosomiques récessives dans quatre familles libanaises consanguines. Dans ce cadre, différentes stratégies ont été adoptées. La première a été une stratégie d’intersection des variations détectées par le séquençage de l’exome de deux patients, atteints d’une forme sévère de dysplasie spondylodysplastique létale et issus de deux familles libanaises consanguines et non apparentées (Familles A et B). Nous avons identifié une mutation homozygote du gène MAGMAS (NM_016069, p.Asn76Asp) (Mitochondria-associated granulocyte macrophage CSF-signaling molecule) à l’origine de la maladie dans les deux familles A et B. MAGMAS est une protéine associée à la mitochondrie et impliquée dans la régulation de l’import actif des protéines vers la matrice mitochondriale. Par immunohistochimie, nous avons montré que MAGMAS est spécifiquement exprimée au niveau de l’os et de la zone hypertrophique du cartilage. MAGMAS, ayant une fonction cruciale pour la survie, est très conservé entre les espèces. Après avoir généré des souches de levures exprimant une copie normale ou mutée du gène humain MAGMAS, nous avons validé l’effet délétère de la mutation p.Asn76Asp, i) sur la croissance des levures, en montrant que les souches portant le gène humain muté présentent un caractère thermosensible, ii) sur la fonction d’import des protéines vers la matrice mitochondriale, qui est altérée dans les souches mutées et iii) sur la stabilité de la protéine. Nous avons également observé un effet de la mutation sur la morphologie des mitochondries et des peroxysomes des cellules de levures, suggérant une induction de l’autophagie dans les souches de levures portant la mutation p.Asn76Asp. L’identification de mutations de MAGMAS dans une dysplasie osseuse sévère, permet d’attribuer à cette protéine un rôle spécifique dans le processus complexe d’ossification endochondrale. La deuxième stratégie a été une combinaison, au sein d’une même famille, d’une stratégie de cartographie par homozygotie et du séquençage de l’exome d’un seul patient. Cette approche a été utilisée dans une famille consanguine avec 3 enfants atteints porteurs d’une dysplasie rhizomélique (Famille C). Nous avons identifié une mutation homozygote du gène NWD1 (NACHT and WD repeat domain containing 1) (NM_001007525, p.Cys1376Tyr) responsable de la maladie dans cette famille C. Ce gène code pour une protéine ayant des domaines WD répétés qui lui confèrent un rôle dans divers mécanismes comme la transduction de signal, la régulation de la transcription, le transport vésiculaire et le contrôle du cycle cellulaire. (...) / Social, religious, geographic and political reasons have favored the consanguineous marriage in the Lebanese population. This led to an increase in the prevalence of autosomal recessive disorders, especially the rare entities including chondrodysplasias. This group of diseases is due to an impairment of the endochondral ossification process. Causative mutations have now been identified in over 230 different genes in more than 400 unique skeletal phenotypes. However, the genetic basis of over 100 different entities remains to be determined. My PhD research project, held between the research group « Bases moléculaires et physiopathologiques des chondrodysplasies » of Necker enfants-malades hospital (INSERM U781, PARIS, France) and the Medical Genetics Unit of Saint-Joseph University (Lebanon), aims to identify genes involved in autosomal recessive skeletal dysplasias in four consanguineous Lebanese families. Different strategies were carried out: the first consists in overlapping data from whole exome sequencing of two patients affected by a new lethal type of spondylodysplastic dysplasia and issued from two consanguineous unrelated Lebanese families (Families A and B). Here, we report a homozygous missense mutation in the Mitochondria-associated granulocyte macrophage CSF-signaling gene (MAGMAS: NM_016069, p.Asn76Asp) in this severe skeletal dysplasia. MAGMAS, also referred to as PAM16, is a mitochondria-associated protein, involved in pre-proteins import into mitochondria and essential for cell growth and development. We demonstrate that MAGMAS is expressed in trabecular bone and cartilage at early developmental stages underlining its specific role in skeletogenesis. We also give strong evidence of the deleterious effect of the identified mutation on the stability of the protein, its in-vivo activity and the viability of yeast strains. We also show that the mutation is able to induce autophagy in yeast cells. Reporting deleterious MAGMAS mutation in a skeletal dysplasia supports a key and specific role for this mitochondrial protein in ossification. Additional studies would be of interest to further understand the specific role of magmas in ossification. The second strategy was to combine, in a consanguineous family, homozygosity mapping with whole exome sequencing of one of the patients. This strategy was undertaken in family C with 3 patients affected by a rhizomelic dysplasia. It allowed us to identify a homozygous missense mutation in the NWD1 gene (NACHT and WD repeat domain containing 1: NM_001007525, p.Cys1376Tyr) as responsible for the skeletal dysplasia in this family. NWD1 belongs to a large group of WD-repeat domain-containing proteins that are involved in different physiological mechanisms such as signal transduction, transcription regulation, vesicular transport and cell cycle control. (...)

There are more than 7000 described rare genetic disorders; however, the molecular basis underlying approximately half of these disorders is unknown, and the majority are currently untreatable. Stature and growth abnormalities are a common clinical feature of many rare disorders including: Floating-Harbor syndrome (FHS), a short stature syndrome characterized by delayed osseous maturation, language deficits, and unique dysmorphic facial features; Weaver syndrome, an overgrowth syndrome characterized by advanced osseous maturation, developmental delay, and macrocephaly; and Sotos syndrome with cutis laxa, an overgrowth syndrome with marked tissue laxity in addition to the typical Sotos characteristics of developmental delay, macrocephaly, and a unique facial gestalt. The genetic basis underlying these three rare stature conditions were unknown at the outset of this study. We utilized high-throughput exome sequencing approaches to investigate the molecular etiology of these rare disorders and identified truncating mutations in the final exon of SRCAP as the genetic cause underlying FHS, missense mutations in EZH2 in Weaver syndrome, and novel mutations in the Sotos syndrome gene NSD1 in Sotos syndrome with cutis laxa. Next, we investigated the spectrum of SRCAP mutations in FHS and established the clustering of truncating SRCAP mutations in the final exon as being highly suggestive of a non-haploinsufficiency mutational mechanism in FHS. Finally, global methylation array analysis identified a unique methylation ‘epi-signature’ in FHS individuals, providing further insight into FHS disease mechanism and a diagnostic signature. These studies have delineated the molecular etiology of these three rare stature/growth disorders, furthered our understanding of the associated clinical spectrum, and provided biological insight into disease pathogenesis.

La malformation anévrysmale de la veine de Galien (MAVG) est une malformation vasculaire cérébrale congénitale qui représente près d’un tiers des anomalies vasculaires pédiatriques. Au sein d’une cohorte de 51 patients atteints d’une MAVG, nous avons identifié 5 individus porteurs de mutations hétérozygotes pathogéniques d’EPHB4. Ces mutations incluent une mutation tronquante survenue de novo ainsi que des mutations d’épissage et faux-sens hétérozygotes délétères héritées d’un parent. L’invalidation d’EPHB4 chez les embryons de Danio rerio est à l’origine d’anomalies vasculaires cérébrales spécifiques impliquant la veine dorsale longitudinale, la veine orthologue médiane du prosencéphale (précurseur embryonnaire de la veine de Galien). La co-injection de l’ARNm tronqué a permis la restauration d’un phénotype sauvage démontrant que le phénotype vasculaire observé est la conséquence d’une perte de fonction d’EPHB4. L’ensemble de ces données indique qu’EPHB4 est un gène déterminant chez un sous-groupe de patients atteints d’une MAVG, comme chez Danio rerio. Les mutations perte de fonction d’EPHB4 sont à l’origine d’anomalies spécifiques du développement vasculaire cérébral. L’identification de mutations pathogéniques d’EPHB4 chez des patients présentant des malformations capillaires implique une surveillance attentive de la grossesse. Cette surveillance échographique renforcée pourrait permettre la détection précoce d’une MAVG et une prise en charge anténatale et néonatale optimale. / Vein of Galen aneurysmal malformation (VGAM) is one of the most common fetal brain vascular malformations. We conducted whole exome sequencing in 19 unrelated VGAM patients and subsequently screened candidate gene in a cohort of 32 additional patients. We found 5 affected individuals with heterozygous mutations in EPHB4 including de novo frameshift or inherited deleterious splice or missense mutations predicted to be pathogenic by in silico tools. Knockdown of EPHB4 in zebrafish embryos leads to specific anomalies of dorsal cranial vessels including dorsal longitudinal vein, the ortholog of the median prosencephalic vein, the embryonic precursor of the vein of Galen. This model allowed todemonstrate EPHB4 loss of function mutations in VGAM by the ability to rescue the brain vascular defect in knockdown zebrafish co-injected with wild type but not truncated EPHB4 mimicking the frameshift mutation. Our data showed that in both species, loss of function mutations of EPHB4 result in specific and similar brain vascular development anomaliesThe identification of EPHB4 pathogenic mutation in patients presenting capillary malformation or VGAM should lead to careful follow up of pregnancy of carriers for early detection of VGAM in order to propose optimal neonatal care. Endovascular embolization indeed greatly improved the prognosis of VGAM patients.