Les dysplasies frontonasales (DFN) sont un groupe de malformations rares de la face résultant d’une anomalie de développement du processus frontonasal, et se manifestant cliniquement par l’association variable d’une fente faciale médiane, d’un hypertélorisme, et d’anomalies nasales. Elles s’intègrent généralement dans un cadre syndromique, la plupart étant peu spécifiques et non caractérisées. Une douzaine d’entités ont été décrites ; les bases moléculaires sont connues pour sept d’entre elles seulement. Pour les autres entités, les hypothèses initiales étaient celles de pathologies autosomiques dominantes liées à des mutations de novo.Ce travail s’est fondé sur une cohorte de 80 patients présentant une DFN, recrutés au niveau national et international, avec l’objectif d’identifier les bases moléculaires de plusieurs entités de DFN. Une caractérisation phénotypique a d’abord été effectuée. Deux stratégies moléculaires ont ensuite été poursuivies en parallèle : une approche « phenotype-first », visant à étudier les patients classés par cohortes homogènes cliniquement, et une approche « genotype-first », visant à réaliser des études moléculaires chez des patients présentant un tableau aspécifique.Lorsque le diagnostic était celui d’un syndrome dont le gène causal était connu, nous avons réalisé un séquençage ciblé dudit gène (EFNB1, ZSWIM6). Nous avons effectué un séquençage haut-débit d’exome (SHD-E) chez 11 patients présentant un syndrome de Pai (5 en trio, 5 en solo, un en profondeur sur tissu atteint en paire), trois patients avec syndrome oculoauriculofrontonasal (en trio), et respectivement un patient avec syndrome oculocérébrocutané et syndrome de Teebi (en trio). Nous avons réalisé un séquençage haut-débit de génome (SHD-G) chez 3 patients avec un syndrome de Pai, ainsi qu’une patiente avec syndrome oculoauriculofrontonasal. Enfin, nous avons séquencé les gènes ALX1, ALX3 et ALX4 chez 13 individus avec DFN aspécifique ; réalisé un SHD-E en profondeur chez une patiente avec DFN et hypomélanose d’Ito, ainsi que trois SHD-E en trio chez des patients avec DFN aspécifique ou non classée.Nous avons réalisé un travail de caractérisation phénotypique des patients de la cohorte, décrivant les diagnostics différentiels principaux et les chevauchements phénotypiques. Nous avons décrit une nouvelle entité de DFN, identifiée chez 4 de nos patients, sans base moléculaire à l’heure actuelle. Nous avons confirmé les diagnostics cliniques lorsque le gène causal était connu, chez 5 patients. Nous avons retrouvé des variants candidats dans deux gènes de la voie du TGFβ chez quatre patients avec syndrome de Pai : un de novo dans le gène TGFBRAP1, deux de novo et un hérité d’un parent asymptomatique dans le gène PCSK7. Nous avons identifié les mutations dans TFE3 comme étant à l’origine d’un syndrome neurocutané de mosaïcisme pigmentaire chez une patiente et 6 patients additionnels. Enfin, nous avons identifié un variant dans le gène POLR2A chez un fœtus avec DFN aspécifique. Au total, 34 individus avec un syndrome connu et 34 avec une DFN aspécifique restent à l’heure actuelle sans piste moléculaire identifiée.Au total, ce travail a permis de démontrer l’intérêt d’une meilleure connaissance clinique de ces syndromes rares, pour le diagnostic et le conseil génétique. Il a permis l’individualisation et la description de deux syndromes pouvant s’accompagner d’une DFN – dont un à l’échelle moléculaire –, et la démonstration du rôle du gène TFE3 dans le développement. Enfin, des hypothèses sont émises concernant les résultats incertains et négatifs : celles d’un oligogénisme, d’une anomalie épigénétique, d’une mutation post-zygotique ou de l’influence de l’environnement. / Frontonasal dysplasias (FND) are a group of rare facial malformations due to an abnormal development of the frontonasal process, clinically resulting in the variable association of median facial cleft, hypertelorism and nasal anomalies. Most of them are syndromic, but non-specific and not characterized. A dozen entities have been described; molecular bases are known for only seven of them. Regarding the other entities, the hypothesis of dominant disorders due to de novo mutations had been raised.This work was based on a cohort of 80 patients presenting with FND, nationally and internationaly recruited with the goal of identifying molecular bases of FND entities. We first phenotypically characterized the individuals. Then two molecular strategies were performed in parallel: a “phenotype-first” approach, aiming to study clinically homogeneous cohorts of patients, and a “genotype-first” approach, aiming to perform molecular studies on patients with an aspecific phenotype.When the causative gene for the disorder was known, we performed targeted sequencing of the gene (EFNB1, ZSWIM6). We performed whole-exome sequencing (WES) in 11 patients presenting with Pai syndrome (5 trio WES, 5 solo WES, one deep-sequencing pair-WES on affected tissue), 3 individuals presenting with oculoauriculofrontonasal syndrome (OAFNS) (trio WES), and respectively one patient with oculocerebrocutaneous syndrome and Teebi syndrome (both trio WES). We performed whole-genome sequencing (WGS) on 3 patients with Pai syndrome and one patient with OAFNS. Finally, we performed ALX1, ALX3 and ALX4 genes sequencing in 13 individuals with aspecific FND; deep-WES in one patient with FND and Ito hypomelanosis; as well as 3 trio WES in individuals with aspecific or non characterized FND.We achieved a phenotypic characterization of the patients from the cohort, describing major differential diagnosis and clinical overlaps. We described a new FND entity, identified in 4 individuals, with no molecular basis so far. We confirmed the clinical diagnosis when the causative gene was known, for 5 patients. We identified candidate variants in two genes from the TGFβ pathway in four patients with Pai syndrome: one de novo variant in the TGFBRAP1 gene, two de novo and one inherited from an asymptomatic parent in the PCSK7 gene. We identified mutations in TFE3 as causative for a neurocutaneous syndrome of pigmentary mosaicism in a female patient and six additional individuals. Finally, we identified a variant in the POLR2A gene in a fetus with aspecific FND. A total of 34 individuals with a known syndrome and 34 with an aspecific FND still have no identified molecular basis so far.In conclusion, this work allowed proving the importance of a better clinical knowledge of these rare disorders, in terms of diagnosis and genetics counseling. It allowed the delineation of two syndromes with FND – one at a molecular level –, and the demonstration of a role for TFE3 in development. Finally, four hypotheses are raised regarding the negative or uncertain results: oligogenism, epigenetic anomaly, post-zygotic mutation or environmental influence.

Les cellules tumorales circulantes (CTC) représentent une source de matériel tumoral accessible de manière non invasive, susceptible de fournir des informations cliniques et fondamentales. Ces cellules issues de tumeurs primitives ou métastatiques représentent une population hétérogène d’éléments très rares circulant dans le sang. La personnalisation des traitements en oncologie repose sur la caractérisation moléculaire de biopsies tumorales mais celles-ci peuvent être difficiles à réaliser ou peu informatives. De ce fait, la caractérisation moléculaire et fonctionnelle des CTC présente un double intérêt, clinique pour identifier des biomarqueurs de sensibilité à des traitements, et fondamental pour étudier les mécanismes qui sous-tendent leur potentiel à initier des tumeurs.Les objectifs de ma thèse ont été d’une part de caractériser par séquençage de l’exome (WES) les CTC à l’échelle de cellule unique de patients atteints de cancers de la prostate (PCa) métastatiques et d’autre part d’établir puis caractériser des modèles de xénogreffes dérivés de CTC (CDX) chez des patients atteints de cancers bronchiques non à petites cellules (CBNPC) ou de PCa.Pour répondre au premier objectif, nous avons développé une méthode expérimentale globale incluant trois approches technologiques permettant d’enrichir et d’isoler des CTC individuelles de différents phénotypes (épithélial, épithélio-mésenchymateux et mésenchymateux), d’amplifier la totalité du génome (WGA) et de le séquencer. Le WES a été réalisé pour 34 échantillons de CTC sélectionnés sur des critères de qualité du WGA, ainsi que pour les biopsies de métastases correspondantes chez sept patients. Deux patients présentant une hétérogénéité phénotypique de leurs CTC, ont été analysés en profondeur. Nous avons mis en évidence des mutations partagées entre les CTC et les biopsies tumorales correspondantes ainsi que des mutations uniquement retrouvées dans les CTC. Ces mutations spécifiques aux CTC sont présentes dans tous les phénotypes et affectent particulièrement les gènes impliqués dans le remodelage du cytosquelette, la réparation de l’ADN ou l’invasion. L’existence de mutations communes entre les CTC de différents phénotypes suggère une relation phylogénique entre ces cellules mais une évolution divergente pendant le processus métastatique. Ce travail est soumis pour publication.Dans la seconde partie de ma thèse, nous avons implantés les CTC de 67 patients atteints de CBNPC et 24 patients atteints de PCa chez des souris immunodéprimées. Nous avons établis quatre CDX de CBNPC et un CDX de PCa. La caractérisation de ces modèles, des biopsies tumorales, des CTC collectées au moment de la xénogreffe, des CDX et des lignées cellulaires établies à partir du CDX, ont révélé que les CTC, le CDX et les lignées cellulaires « miment » le phénotype et le profil mutationnel des biopsies tumorales. La caractérisation plus approfondie de l’une des lignées cellulaires montre la présence d’un stress réplicatif et d’une instabilité génomique élevée. Ce résultat nous oriente sur l’hypothèse d’un rôle éventuel de l’instabilité génomique dans la tumorigénicité des CTC.Dans ce travail, nous avons montré que le profil mutationnel des CTC présente de fortes similitudes avec les biopsies tumorales des patients dans les patients atteints de PCa étudiés. De plus, nous avons observé l’existence de mutations spécifiques aux CTC, non détectées dans les biopsies tumorales. Également, nous montrons que des CTC issues de CBNPC et de PCa sont tumorigéniques in vivo et qu’elles reflètent le profil mutationnel des biopsies tumorales des patients. Ces modèles constituent des outils originaux et intéressants pour identifier de nouvelles cibles thérapeutiques et stratégies anti-cancéreuses, et comprendre les mécanismes qui supportent le potentiel des CTC à initier des tumeurs. / Circulating tumor cells (CTCs) represents an non invasive source of tumor material which may provide clinical and basic information. These cells derived from primary or metastatic tumors represents an heterogeneous population of very rare events which circulates in the blood. Oncology personnalized medicine is based on biopsies molecular characterization but these are sometimes which difficult to realize and poorly informative. Thereby molecular and functional characterization of CTCs presents a double interest, clinical to identify treatments biomarkers sensitivity and basic to study mechanisms underlying their tumor inititiating cell (TIC) potential. The two goals of my thesis were on the one hand to characterize by whole-exome sequencing (WES) at the single level the CTCs from patients with metastatic prostate cancers (mPCa) and on the other hand to establish and characterize CTC-derived xenografts (CDX) from patients with non-small-cell lung cancer (NSCLC) or mPCa. For the first goal we developped a global workflow which include three technological approaches to enrich and isolate individual CTCs from different phenotype (epithelial, epithelial and mesenchymal, mesenchymal), to perform whole genome amplification (WGA) and to sequence them. WES was performed on 34 CTC samples selected according to WGA quality and on corresponding metastasis biopsies from seven patients. Two patients with phenotypic heterogeneity of CTCs were deeply analyzed. We highlighted shared mutations between CTCs and matched biopsies as well as mutations only detected in CTCs. These private CTC mutations are detected in all phenotype and particularly affect genes invlved in cytoskeleton remodeling, DNA repair or invasion. The existence of common mutations between CTCs from various phenotype suggests a phylogenic link between these cells but a divergent evolution during metastatic process. This work is submitted for publication. For the second goal, we implanted CTCs from 67 NSCLC patients and 28 mPCa patients in immunocompromised mice. We established four NSCLC CDX and one mPCa CDX. The characterization of tumor biopsies, CTCs collected at the time of xenograft, CDX and CDX-derived cell lines revealed that CTCs, CDX and cell lines miror the phenotype and mutational landscape of tumor biopsies. The more deeply characterization of one cell line show the presence of a high replicative stress and genomic instability. This result directs us to the hypothesis of a possible role of the genomic instability in CTC tumorigenicity.We demonstrated in this work that CTCs mutational landscape harbors high similairities with patients tumor biopsies in mPCa. Furthermore we observed CTC private mutations not detected in tumor biopsies. Also we showed that some CTCs from NSCLC and mPCa are tumorigenic in vivo and that these CTCs mirror mutational profile of patients tumor biopsies. These models are original and interesting tools to identify new therapeutic targets and anti-tumoral strategies and understand mechanisms underlying the TIC potential of CTCs.

L’hypothyroïdie congénitale (HC), qui se traduit par une insuffisance d’hormone thyroïdienne (HT) à la naissance, est la maladie endocrinienne congénitale la plus fréquente avec une prévalence d’un cas sur 2,500 naissances vivantes. Non-traitée, cette insuffisance peut entrainer un retard de développement sévère, surtout au niveau cognitif. L’HC est le plus souvent due à un défaut lors du développement de la thyroïde (dysgénésie thyroïdienne (DT)) ou lors de la production des hormones thyroïdiennes (dyshormonogenèse (D)). La majorité des cas d’HC par dysgénésie thyroïdienne (HCDT) ont une ectopie, soit une glande mal positionnée. Contrairement aux dyshormonogenèses, qui s’expliquent fréquemment par des mutations dans les gènes responsables de la production des HT, selon un modèle autosomique récessif, les causes de l’HCDT demeurent largement inconnues. Certains arguments sont en faveur d’une prédisposition génétique (le risque relatif chez les parents de premier degré est de 40 fois supérieur à celui de la population générale) mais l’HCDT ne suit pas un modèle Mendélien: 98 % des cas sont sporadiques et 92 % des jumeaux monozygotiques sont discordants pour l’HCDT. De ce fait, nous avons suggéré une hypothèse de double-hit pour expliquer les HCDT, hypothèse combinant une prédisposition germinale (héritée ou de novo) à un évènement somatique (génétique ou épigénétique). Par le passé, nous avons étudié l’évènement somatique, mais nous n’avions pas encore étudié la prédisposition germinale. Le séquençage d’exome complet peut permettre d’identifier la cause génétique dans des formes familiales d’HC, mais aussi déterminer si les cas avec une HCDT isolée sont enrichis en variants délétères, tel qu’observé chez des patients avec une malformation cardiaque congénitale, patients qui partagent des caractéristiques similaires avec ceux atteints d’HCDT. De plus, cette technique pourrait permettre d’identifier de nouveaux gènes de prédisposition associés à l’HCDT. D’une part, nous avons séquencé l’exome d’un trio (parent-enfant) afin d’identifier la cause de l’HC dans une famille avec plusieurs enfants sévèrement atteints d’HC. D’autre part, nous avons comparé les données d’exome d’une cohorte de cas avec une HCDT isolée (HCDT non syndromique, HCDT-NS) à celles d’une cohorte contrôle, à l’aide d’une approche biaisée (gene-based burden) et non biaisée (gènes candidats). Finalement, nous avons développé le modèle de poisson-zèbre afin de pouvoir valider, in vivo, l’implication de potentiels gènes candidats, dans le développement thyroïdien. L’analyse de l’exome du trio a révélé un variant dans le gène TSHR qui co-ségrégait parfaitement avec le phénotype, et les études de minigène ont permis de montrer que ce variant intronique loin des sites d’épissage traditionnels introduisait un pseudo-exon dans la séquence du TSHR, créant ainsi un récepteur tronqué et inactif. L’analyse par comparaison de cohorte (cas-contrôle) a montré que les cas avec une HCDT-NS n’ont pas davantage de variants rares délétères comparé aux contrôles. De plus, après correction, le gene-based burden n’a pas identifié de gène candidat. Par contre, des variants rares pathogéniques ou probablement pathogéniques dans des gènes liés à l’hypothyroïdie congénitale ont été identifiés chez 42% des cas. Les études réalisées chez le poisson-zèbre sur un gène candidat, IKBKE, identifié par une analyse préliminaire de l’exome dans la cohorte de cas, confirme que les vaisseaux sanguins sont importants pour le bon positionnement de la glande thyroïde chez le poisson-zèbre, mais ne permet pas d’établir le rôle d’IKBKE dans la migration thyroïdienne. Nous avons d’abord montré que l’exome est une bonne technique pour identifier la cause de l’HC dans une famille avec plusieurs enfants atteints. Toutefois, une connaissance approfondie de la maladie et des isoformes du gène d’intérêt s’est avérée essentielle afin de bien analyser les données d’exome. Ensuite, nos résultats suggèrent que les cas avec une HCDT-NS n’ont pas davantage de variants délétères que les contrôles et que l’exome complet n’est pas suffisant pour identifier des gènes de prédisposition. Le séquençage du génome est peut-être nécessaire pour trouver une prédisposition génétique à l’HCDT-NS. Par contre, il est aussi possible que la génétique ne joue pas un rôle majeur dans les dysgénésies thyroïdiennes. Finalement, nous avons validé que le poisson-zèbre est un bon modèle pour étudier le développement de la thyroïde. / Congenital hypothyroidism (CH) is a disorder with a prevalence of one in 2,500 live births. CH can lead to severe intellectual disability if left untreated. It is most commonly caused by a defect during thyroid development (thyroid dysgenesis), which results in an ectopic gland in the majority of cases. A defect in thyroid hormone production (dyshormonogenesis) is the second most common cause of CH. In contrast to dyshormonogenesis, which generally has an identified cause and follows a Mendelian mode of inheritance, the cause of CHTD remains mostly unknown. CHTD is generally sporadic (98%) and has a high discordance rate (92%) between monozygotic twins. However, first-degree relatives are affected more often than by chance alone (40x) and there is an ethnic and female predominance. We thus hypothesized that CHTD is a disorder caused by two events, one germinal (a necessary but not sufficient predisposing factor) becoming pathogenic only if a second genetic or epigenetic event occurs at the somatic level. Whole exome sequencing (WES) can allow for identification of the genetic cause of CHTD in familial forms, but may also reveal if non-syndromic CHTD (NS-CHTD) cases are enriched in rare protein-altering variant, as seen in congenital heart malformations, a developmental defect that shares several characteristics with CHTD. Moreover, it might also identify new predisposing genes. First, we performed WES on a trio (parent-child) in a family with several siblings affected with severe CH. Second, we compared WES data of a NS-CHTD cohort with data from a control cohort, using a gene-based burden (unbiased) approach and a candidate gene (biased) approach to evaluate whether WES analysis allows to identify new predisposing genes in a well-characterized cohort. Finally, we developed the zebrafish model to test the roles of candidate genes, that will be identified by WES, in thyroid development. We first identified a variant in TSHR that segregated perfectly with the phenotype in the family with CHTD and a mini gene assay showed that this deep intronic variant induced a pseudo-exon, leading to a truncated protein missing the transmembrane domain, thus an inactive TSH receptor. Next, we found that NS-CHTD cases are not enriched in rare protein-altering variants and gene-base burden analysis did not identify novel candidate genes. However, WES data revealed pathogenic or likely pathogenic variants in CH-related genes in 42% of the NS-CHTD cases. Finally, zebrafish is a good model to study thyroid development and our results on IKBKE confirm the importance of vessels in thyroid positioning, but not its role in thyroid migration. First, we showed that WES analysis is a good tool to identify the causative variant in a family with several siblings affected by CH. However, the interpretation of the exome analysis required knowledge of the expression of the relevant isoforms and of the biology of the disease. Second, while a gene-based burden test, using WES data from a well-characterised NS-CHTD cohort, did not identified new predisposing genes, it identified pathogenic or likely pathogenic variants in 42% of the NS-CHTD cases. Whole genome sequencing might be required to identify the genetic causes in NS-CHTD. However, our result may indicate that genetics does not play a major role in thyroid dysgenesis. Finally, we have established that zebrafish is a good model to study thyroid development and may help, in the future, identify pathways implicated in this process.

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This thesis further delineates the molecular genetic basis of a relatively common craniofacial condition, coronal craniosynostosis. It used whole-exome sequencing to identify novel disease genes in patients with non-syndromic coronal synostosis and negative genetic testing. Initially, 2 patients were identified with damaging, frameshift mutations in a gene not previously linked with craniosynostosis – Transcription Factor 12 (TCF12). A further intronic mutation was identified in a third patient. This gene encodes a transcription factor that dimerises with TWIST1, mutations of which cause Saethre-Chotzen syndrome, also associated with coronal synostosis. Screening 344 undiagnosed patients identified 35 further mutations, all with coronal synostosis with 14 cases arising de novo. This work was published and testing for TCF12-related craniosynostosis was translated clinically. Significant non-penetrance (60%) was identified in mutation-positive relatives and the genetic background was investigated. Firstly, analysis of parental origins of de novo mutations identified 6 of paternal origin and helped refine haplotype assignment. Secondly, haplotype analysis of TCF12-mutation carriers revealed modest correlation with phenotypic status, but this was insufficient to be useful in clinical testing. Thirdly, TCF12 haplotypes were analysed for association with non-syndromic coronal synostosis, but no significant association was found. Further exome sequencing revealed a de novo frameshift mutation in Transcription Factor 20 (TCF20) in a patient with coronal synostosis and autism, although the mutation only correlated with the latter phenotype. Analysis of 5 trios revealed a novel variant in myosin heavy chain 4 (MYH4) in 1 family, although its role in suture development is uncertain. Reviewing pooled exome data from 19 mutation-negative patients revealed no further disease genes. In summary, this thesis describes novel gene discovery, defines a new clinical entity and investigates genetic background of penetrant and non-penetrant individuals. Further exome sequencing identified another disease gene, a de novo mutation and compiled lists of damaging variants to allow future work.

Le syndrome de Joubert est une maladie récessive caractérisée par une malformation congénitale distincte du tronc cérébral et du cervelet, associée à une anomalie des mouvements oculaires (apraxie oculomotrice), une respiration irrégulière, un retard de développement, et une ataxie à la démarche. Au cours de la dernière décennie, plus de 20 gènes responsables ont été identifiés, tous ayant un rôle important dans la structure et la fonction des cils primaires. Ainsi, le syndrome de Joubert est considéré une ciliopathie. Bien que le Syndrome de Joubert ait été décrit pour la première fois dans une famille canadienne-française en 1969, le(s) gène(s) causal demeurait inconnu dans presque tous les cas de syndrome de Joubert recensés en 2010 dans la population canadienne-française, soit début de mon projet doctoral. Nous avons identifié un total de 43 individus canadiens-français (35 familles) atteints du syndrome de Joubert. Il y avait un regroupement de familles dans la région du Bas-Saint-Laurent de la province de Québec, suggérant la présence d'un effet fondateur. L’objectif de ce projet était de caractériser la génétique du syndrome de Joubert dans la population canadienne-française. Notre hypothèse était qu’il existait un effet fondateur impliquant au moins un nouveau gène JBTS. Ainsi, dans un premier temps, nous avons utilisé une approche de cartographie par homozygotie. Cependant, nous n’avons pas identifié de région d’homozygotie partagée parmi les individus atteints, suggérant la présence d’une hétérogénéité génétique ou allélique. Nous avons donc utilisé le séquençage exomique chez nos patients, ce qui représente une approche plus puissante pour l’étude de conditions génétiquement hétérogènes. Nos travaux ont permis l’identification de deux nouveaux gènes responsables du syndrome de Joubert: C5orf42 et TMEM231. Bien que la localisation cellulaire et la fonction de C5orf42 soient inconnus au moment de cette découverte, nos résultats génétiques combinés avec des études ultérieures ont établi un rôle important de C5orf42 dans la structure et la fonction ciliaire, en particulier dans la zone de transition, qui est une zone de transition entre le cil et le reste de la cellule. TMEM231 avait déjà un rôle établi dans la zone de transition ciliaire et son interaction avec d’autres protéines impliquées dans le syndrome de Joubert était connu. Nos études ont également identifié des variants rares délétères chez un patient JBTS dans le gène ciliaire CEP104. Nous proposons donc CEP104 comme un gène candidat JBTS. Nous avons identifié des mutations causales dans 10 gènes, y compris des mutations dans CC2D2A dans 9 familles et NPHP1 dans 3 familles. Au total, nous avons identifié les mutations causales définitives chez 32 des 35 familles étudiées (91% des cas). Nous avons documenté un effet fondateur complexe dans la population canadienne-française avec de multiples mutations récurrentes dans quatre gènes différents (C5orf42, CC2D2A, TMEM231, NPHP1). Au début de ce projet de recherche, l’étiologie génétique était inconnue chez les 35 familles touchées du syndrome de Joubert. Maintenant, un diagnostique moléculaire définitif est identifié chez 32 familles, et probable chez les 3 autres. Nos travaux ont abouti à la caractérisation génétique du syndrome de Joubert dans la population canadienne-française grâce au séquençage exomique, et révèlent la présence d'un effet fondateur complexe avec une l'hétérogénéité allélique et intralocus importante. Ces découvertes ont éclairé la physiologie de cette maladie. Finalement, l’identification des gènes responsables ouvre de nouvelles perspectives diagnostiques ante-natales, et de conseils génétique, très précieuses pour les familles. / Joubert syndrome (JBTS) is a primarily autosomal recessive disorder characterized by a distinctive mid-hindbrain/cerebellum malformation, eye movement abnormalities (oculomotor apraxia), irregular breathing, developmental delay, and ataxia. Over the past decade, over 20 causal genes have been identified, all of which have an important role in the structure and function of the primary cilia. Thus, JBTS joins an expanding category of diseases termed “ciliopathies”. Though JBTS was first described in affected siblings of a French Canadian (FC) family in 1969, the underlying genesis basis of the disorder was unknown in the overwhelming majority of FC cases at the onset of this doctoral project in 2010. We identified a total of 43 FC individuals with JBTS from 35 families. We observed a clustering of the affected families in the Lower Saint-Lawrence region of the province of Quebec, suggesting the presence of a founder effect. The aim of this doctoral project was to characterize the genetic landscape of JBTS in the FC population, and we hypothesized the presence of a founder effect in novel JBTS gene(s). Therefore, we initially used a homozygosity mapping approach. However, we did not identify any shared regions of homozygosity amongst affected individuals, suggesting the presence of genetic and/or allelic heterogeneity. We therefore primarily used a whole exome sequencing approach in our JBTS patients, a strategy that is better suited for the study of genetically heterogeneous conditions. Our work has resulted in the identification of two novel JBTS genes: C5orf42 and TMEM231. In total, we have identified causal mutations in C5orf42 in 14 families (including the original JBTS family described in 1969), and TMEM231 in 2 families. Though the function and cellular localization of C5orf42 was not known at the time of the publication of our manuscript, our genetic findings combined with subsequent animal and cellular work establish the important role of C5orf42 in ciliary structure and function, particularly at the ciliary transition zone. TMEM231 had been previously shown to localize to the ciliary transition zone and interact with several JBTS gene products. We also identified deleterious rare variants in one JBTS patient in the ciliary gene CEP104, implicating CEP104 as a strong candidate JBTS gene. We identified causal mutations in 10 JBTS genes, including CC2D2A in 9 families and NPHP1 in 3 families. Definite causal mutations were identified in 32 of 35 families (91% of cases). We documented a complex founder effect in the FC population with multiple recurrent mutations in 4 different genes (C5orf42, CC2D2A, TMEM231, NPHP1). Prior to the start of this research endeavor, the underlying genetic etiology of Joubert syndrome was unknown in all 35 families. Now, a definite molecular diagnosis has been identified in 32 families, and a probable molecular diagnosis in the remaining 3. Therefore, our work has resulted in the unraveling of the genetic basis of JBTS in the French-Canadian population using WES, and reveals the presence of a complex founder effect with substantial locus and allelic heterogeneity.

Le syndrome d'Evans est défini par l'existence concomitante ou séquentielle de cytopénies auto-immunes, le plus souvent, anémie hémolytique et thrombopénie immunologique. Chez l'enfant, il peut être secondaire à une infection, une maladie auto-immune systémique ou un déficit immunitaire primitif. Alternativement, chez une grande partie des patients, l'étiologie n'est pas clairement identifiée. Les patients atteints de syndrome d'Evans présentent parfois d'autres atteintes, telles une auto-immunité d'organe, une lymphoprolifération bénigne ou un déficit immunitaire. L'objectif de ce travail était d'identifier des causes génétiques chez des enfants présentant un syndrome d'Evans sans étiologie sous-jacente identifiée. Nous avons centré notre étude sur des formes sévères à début pédiatrique en faisant l'hypothèse qu'une maladie monogénique serait plus fréquente dans ce groupe de patients. Nous avons mis à profit les technologies de séquençage haut débit « nouvelle génération » (NGS) pour réaliser et analyser le séquençage de l'exome de patients et de certains de leurs apparentés afin de mettre en évidence des gènes candidats potentiels. Ce travail a permis l'identification de 4 gènes candidats : LRBA, CTLA-4, STAT3 (mutations gain de fonction) et NFKBIA. L'implication des 3 premiers gènes dans de nouvelles maladies monogéniques où l'auto-immunité est au premier plan a été confirmée par d'autres équipes au cours de ce travail. Pour chacun de ces gènes, nous avons poursuivi 2 objectifs complémentaires : d'une part, tenter de valider l'implication des gènes identifiés dans la maladie des patients. Nous avons pour cela utilisé des approches et techniques variées : biochimie et protéomique afin d'identifier des partenaires protéiques, microscopie confocale pour localiser les protéines et leurs interactions, tests cellulaires in vitro pour mettre en évidence un défaut fonctionnel, marquages en cytométrie en flux pour identifier des modifications dans les sous-populations lymphocytaires. D'autre part, nous avons recherché d'autres mutations de ces gènes chez des patients de phénotype clinique similaire. Nous avons ainsi constitué et exploré 3 cohortes de patients présentant des mutations de LRBA, CTLA-4 ou STAT3. Nous avons rassemblé une cohorte de 18 patients porteurs d'une mutation de LRBA, répartis dans 11 familles. Cela nous a permis de préciser et d'étendre le spectre clinique de cette maladie de découverte récente, avec en particulier des atteintes articulaires sévères s'associant à un diabète précoce, ou des entéropathies. Nous avons identifié 15 nouvelles mutations de transmission autosomique récessive dans le gène LRBA, codant une protéine de fonction inconnue dont l'absence entraine une maladie principalement caractérisée par une poly-auto-immunité. Nous avons identifié 29 partenaires protéiques potentiels de LRBA et précisé la localisation de LRBA dans les différents compartiments cellulaires. Nous avons également établi une cohorte de 12 patients dans 10 familles présentant un déficit en CTLA-4 par haplo-insuffisance. Au delà de la mise en évidence de 9 nouvelles mutations, nous avons décrit une famille où la variation est transmise de façon autosomique récessive. Dans les déficits en LRBA et CTLA-4, nous avons mis en évidence une diminution du pourcentage de lymphocytes T régulateurs parmi les PBMC et une diminution de l'expression de CTLA-4 dans les lymphocytes T activés. Ceci corrobore l'interaction entre ces 2 protéines décrite en parallèle par une autre équipe. Nous avons montré que les spectres cliniques des déficits en LRBA et CTLA-4, fortement chevauchant dans les premières descriptions publiées, pourraient se différencier, malgré l'implication des lymphocytes T régulateurs dans ces 2 maladies. (...) / Evans syndrome is defined by the occurence of autoimmune cytopenias, either at the same time or sequential, mainly autoimmune hemolytic anemia and immune thrombocytopenia. In children, it may be secondary to infections, systemic autoimmune disease, or primary immune deficiency, though in most patients, its etiology isn't obvious. Patients affected with Evans syndrome can also present other features, such as autoimmunity toward a particular organ, benign lymphoproliferation or immunodeficiency. The main goal of this work was to identify genetic causes in children presenting an Evans syndrome without a known underlying etiology. We focused our study on severe, early onset forms of the disease, with the hypothesis that a monogenic disease would be more frequent in this group of patients. Taking advantage of high throughput "Next Generation" sequencing (NGS) techniques, we sequenced and analyzed exome from patients and their relatives in search for adequate candidate genes. We identified 4 candidate genes: LRBA, CTLA-4, STAT3 (gain-of-function mutations), and NFKBA. Implication of the first 3 genes in new monogenic diseases with autoimmunity as a key feature was also confirmed by others during the course of this work. For each gene, we pursued 2 complementary goals: First, we sought to validate the implication of the gene in the patients' disease. To do so, we used various techniques and approaches: biochemistry and proteomics to identify protein partners, confocal microscopy to localize proteins and interactions, in vitro cellular assays to bring to light functional defect, flow cytometry to identify changes in lymphocytes subpopulations. We also looked for other mutations of each gene in patients with a similar clinical presentation. Hence we created and explored 3 cohorts of patients presenting with mutations of LRBA, CTLA-4 or STAT3. We constituted a cohort of 18 patients with LRBA mutations within 11 families. We then were able to precise and extend the clinical spectrum of this recently described disease. In particular, we observed patients with severe chronic arthritis associated with diabetes mellitus or enteropathies. We identified 15 new mutations of autosomal recessive transmission in the LRBA gene, coding a protein of unknown function, which absence is responsible for a disease mainly characterized by autoimmune features. We identified 29 candidate protein partners of LRBA and precized LRBA localisation in cell compartiments. We also established a cohort of 12 patients within 10 families presenting CTLA-4 haploinsufficiency. Beyond describing 9 new mutations, we report a family with autosomal recessive transmission.In LRBA and CTLA-4 deficiencies, we showed a decrease of regulatory T lymphocyte subset proportion among PBMC and a decrease of CTLA-4 expression in activated T cells. These results support the interaction between these 2 proteins, described concurrently by another team. We showed that the clinical spectra of these 2 diseases, although widely overlapping in first published reports, could be different despite a role of regulatory T cells in both. Hence, organ-specific autoimmunity and lymphoproliferation are more frequent in LRBA deficiency whereas granuloma and hypogammaglobulinemia are more present in CTLA-4 deficiency. Theses results suggests a role of genetic modifyers, which remain to identify. Among our cohort of patients with Evans syndrome, we also identified 5 patients within 5 families presenting gain-of-function mutations of STAT3. 3 of those mutations were reported by others during our work and appeared de novo in our patients. Functional validation of the 4th one is in progress. The last mutation follows a recessive transmission and could exemplify a new transmission modality of this disease. (...)

La dysplasie fibromusculaire artérielle (DFM) est un groupe de pathologies vasculaires non inflammatoires, et non athéromateuses de la paroi artérielle. Elle est caractérisée par la sténose, l'occlusion, l’anévrisme ou la dissection des artères de petit et moyen calibres, en particulier les artères rénales et le tronc supra-aortique. La DFM est un facteur de risque de l’hypertension et de l’accident vasculaire cérébral. Elle touche essentiellement les femmes (80% des cas) de moins de 50 ans. La prévalence en population générale est inconnue et les estimations varient de 0.4% pour les formes cliniques à 4% dans une cohorte de donneurs de reins. Une agrégation familiale a été démontrée et une composante génétique suggérée. L'objectif de mon travail de thèse était de caractériser les bases génétiques la DFM. Dans la première partie, nous avons analysé des variants génétiques rares générés par séquençage d'exomes chez 16 cas apparentés de DFM issus de 7 fratries. Aucun gène majeur n’était muté pour l’ensemble des fratries ou pour au moins 3 fratries sur 7. Cependant, nous avons pu mettre en évidence puis validé un enrichissement en variants rares à fort potentiel fonctionnel de quatre gènes candidats pour la DFM (MYLK, OBSCN, DYNC2H1, RNF213) en combinant l’approche de séquençage d’exomes et l’étude d’association gène entier de 62767 variants rares (MAF < 5%) générés par génotypage avec la puce Exome-chip chez 249 cas non apparentés de DFM et 689 témoins. Cependant, l’implication de ces gènes dans la DFM doit être confirmée dans d’autres familles, et par des études de validations fonctionnelles. Dans la seconde partie, nous avons étudié l'association avec la DFM de 25606 variants fréquents (MAF ≥ 5%) de l’Exome-chip. Les résultats majeurs obtenus ont été répliqués dans une première étude (402 cas de DFM et 2537 témoins) puis dans 3 autres études incluant 512 cas de DFM et 669 témoins. La méta-analyse de l’ensemble a permis d’associer à la DFM le polymorphisme rs9349379-A situé dans l’intron du gène PHACTR1 (OR=1,39 [1,39-1,54] ; P=7,36 ×10-10). Ce variant est aussi un facteur de risque pour la maladie coronaire, la migraine et la dissection de l’artère cervicale. Des études complémentaires conduites chez 2458 volontaires non malades ont permis de montrer que l’allèle à risque pour la DFM, rs9349379-A est associé avec une augmentation de l’épaisseur intima média (P=1,97×10-4) et du rapport de la paroi sur la lumière artérielle (P=0,002), deux paramètres décrits comme augmentés chez les cas de DFM dans des études antérieures. Ensuite, PHACTR1 a été détecté par immunohistochimie dans l’endothélium et les cellules musculaires lisses de carotides dysplasiques et non dysplasiques avec une expression augmentée de PHACTR1 pour les porteurs de l’allèle à risque de DFM dans des cultures primaires de fibroblastes humains (N=86, P=0,003). Enfin, l’invalidation de Phactr1 chez le poisson zèbre conduit à une dilatation des vaisseaux indiquant un défaut du développement vasculaire. Ce travail confirme le caractère multifactoriel et hétérogène de la DFM et ouvre de nouvelles perspectives pour évaluer l’ensemble de la variabilité génomique des patients de DFM par des approches massives de génétique épidémiologique. / Fibromuscular dysplasia (FMD) is a group of nonatherosclerotic and noninflammatory vascular diseases leading to stenosis, aneurysm, dissection and/or occlusion of medium-sized arteries, in particular the renal and extracranial cervical arteries. Clinical manifestations of FMD are hypertension, dizziness, pulsatile tinnitus, transient ischemic attack or stroke, according to the involved arterial beds. FMD occurs predominantly (80% of cases) in females under 50 years with a variable prevalence estimation from 0.4% for asymptomatic clinical relevant forms to 4% in potential renal donors. The pathogenesis of FMD is unknown and a genetic origin is suspected given its demonstrated familial aggregation. The aim of my thesis work was to characterize genetic basis of FMD. In the first part of this thesis, we analyzed whole exome sequencing data in 16 related FMD cases from seven families. No gene harbors variants that were shared by all affected members in at least three out seven families. Using combined strategy of whole exome sequencing and gene based association study of 62,767 rare variants (MAF < 5%) generated by Exome‐chip arrays in 249 unrelated FMD cases and 689 controls, we have identified and validated an enrichment of rare and putatively functional variants in four candidates genes (MYLK, OBSCN, DYNC2H1 and RNF213). This results need to be validated in other FMD families and by functional analysis. In the second part, we analyzed 25,606 common variants (MAF ≥ 5%) generated by Exome‐chip array. Top loci were replicated in first replication study (402 cases and 2,537 controls) and in 3 others studies (512 cases and 669 controls). Meta-analysis of all including 1,154 unrelated FMD cases and 3,895 controls allowed identification of association between FMD and rs9349379-A (OR=1.39 [1.39-1.54]; P=7.4×10‐10). rs9349379 is intronic to PHACTR1, a risk locus for coronary artery disease, migraine, and cervical artery dissection. The analyses of geometrical parameters of carotids from 2,458 healthy volunteers indicated higher intima media thickness (P = 1.97×10‐4) and wall to lumen ratio (P = 0.002) in rs9349379‐A carriers, suggesting indices of carotid hypertrophy as previously described in carotids of FMD patients. Immunohistochemistry detected PHACTR1 in endothelium and smooth muscle cells of FMD and normal human carotids. The expression of PHACTR1 by genotypes in primary human fibroblasts showed higher expression in rs9349379‐A carriers (N=86, P=0.003). Phactr1 knockdown in zebrafish resulted in dilated vessels indicating subtle impairment of vascular development. This work confirms the multifactorial and heterogeneous genetic architecture of the FMD and opens new opportunities to evaluate all of genomic variability of FMD patients with massive genetic epidemiology approaches.

L’association entre déficits immunitaires primitifs (DIPs) et manifestations auto-immunes peut sembler paradoxale lorsque l’on aborde les DIPs comme des défauts d’immunité opposés à l’autoimmunité vue comme excès d’immunité adaptative à l’encontre du soi. Néanmoins, loin de se résumer à un simple défaut d’une ou plusieurs composantes du système immunitaire qui prédispose aux infections par divers agents pathogènes, les DIPs sont fréquemment associés à une autoimmunité; parfois révélatrice. Ainsi, les données épidémiologiques issues de registres ou de larges séries de patients atteints de DIPs s’accordent sur une prévalence globale de 25 à 30% de complications auto-immunes (au premier rang desquelles figurent les cytopénies auto-immunes). Différentes hypothèses sont avancées pour rendre compte de l’auto-immunité dans les DIPs. On peut citer : 1°) une perturbation profonde de l’homéostasie lymphocytaire, en particulier dans les déficits immunitaires combinés sévères (CID) avec lymphopénies T et B ; 2°) des défauts intrinsèques des lymphocytes B permettant une rupture de tolérance précoce des LB auto réactifs ; 3°) un comportement aberrant des LT (défaut de maturation, excès d’activation) ; 4°) une absence de lymphocytes T ou de B régulateurs ; 5°) une production inappropriée de certaines cytokines proinflammatoires comme dans les interféronopathies. Ces hypothèses concernent surtout les DIPs pédiatriques sévères. Mon travail de thèse explore la rupture de tolérance immunitaire adaptative au cours des DIPs de l’adulte par différentes approches. Nous nous sommes en particulier attachés au plus fréquent, le DICV (Déficit Immunitaire Commun Variable), déficit immunitaire humoral pas toujours bien défini sur le plan génétique et physiopathologique qui constitue un défi thérapeutique lorsqu’il est compliqué d’une auto-immunité nécessitant un traitement immunosuppresseur. / The association between primary immune deficiency (PID) and autoimmunity may seem paradoxical when PID is considered only as an immune response defect against pathogens and autoimmunity only as an excess of immunity. Nevertheless, far from being simple immune defects increasing the risk of infections, DIPs are frequently associated with autoimmunity. Even more, autoimmunes manifestations can sometimes reveal a PID. Thus, epidemiological data from registers or large series of patients with PIDs agree on an overall prevalence of 25 to 30% of autoimmune complications (with auto-immune cytopenias as first causes). Several hypotheses have been proposed with different underlying mechanisms to explain the tolerance breakdown in PIDs. We can cite : 1°) a severe disturbance of lymphocyte homeostasis, for example in severe combined immunodeficiencies ; 2°) an impaired B-cell developpement with earlystage defects of tolerance ; 3°) a dysregulation of T cells (developpement or activation impairments) ; 4°) a dysfunction of T-reg (or B-reg) ; 5°) an excess of production of proinflammatory cytokines. These hypotheses are especially true for early-onset PIDs (in infancy). In this work (PhD), we explore the mechanisms of tolerance breakdown involved in adults PIDs. We use several approaches to describe the pathways leading to autoimmunity, focusing on the most common PID in adult : CVID (common variable immunodeficiency). This syndrome is not well defined on the genetic and physiopathological level. It is still a therapeutic challenge when complicated by autoimmunity (requiring immunosuppressive therapy).

Mechanisms underlying congenital malformations are largely unknown despite its high incidence, affecting 2-3% of liveborn infants. A broader knowledge about the causes of birth defects would provide valuable information regarding the outcome and prognosis of the anomaly, the development and establishment of diagnostic protocols, the design of therapeutic strategies and genetic counseling to the family. Different approaches have been used in the present thesis regarding technologies and model diseases to elucidate the contribution of genetic and epigenetic alterations in the etiopathogenesis of congenital malformations. Copy number variations, methylation patterns, as well as point mutations have been explored. Moreover, a study to analyze genetic counseling in relation to one of the new molecular techniques used has been performed. Obtained data reveal a relevant role of genetic and epigenetic alterations in congenital malformations, in some cases as a unique cause to explain the disease and in others as part of an oligogenic or multifactorial model. / Els mecanismes causants de les malformacions congènites són poc coneguts malgrat l’elevada incidència d’aquestes patologies, que afecten el 2-3% de recent nascuts. Un coneixement més ampli de les causes de les anomalies congènites proporcionaria informació rellevant pel que fa al pronòstic de l’anomalia, el desenvolupament i establiment de protocols diagnòstics, el disseny d’estratègies terapèutiques, així com l’assessorament genètic a la família. En la tesi que es presenta s’han utilitzat diferents estratègies, pel que fa a tecnologies i models de malalties, amb l’objectiu d’esbrinar la contribució d’alteracions genètiques i epigenètiques en l’etiopatogènia de les malformacions congènites. S’han analitzat variacions en número de còpia, patrons de metilació, així com mutacions puntuals. D’altra banda, també s’ha realitzat un estudi per aprofundir en l’assessorament genètic en relació a una de les noves tècniques moleculars utilitzades. Els resultats obtinguts indiquen que les altercacions genètiques i epigenètiques tenen una contribució molt rellevant en l’etiologia de les malformacions congènites, en alguns casos com a causa única de la malaltia i en altres com a component d’un model oligogènic o multifactorial.