Une des plus grandes avancées en cancérologie et en génétique au cours des vingt dernières années fût l'identification des formes héréditaires de cancer et des gènes deprédisposition impliqués. Chez une majorité de patients soupçonnés de présenter une formehéréditaire de cancer, les analyses centrées sur les gènes connus pour être impliqués dansles prédispositions mendéliennes au cancer restent bien souvent négatives. Aujourd'hui,grâce à l'émergence du séquençage à haut-débit (NGS), il est possible de séquencerl'ensemble des exons (exome) d'un individu ou plusieurs centaines de gènes dans un lapsde temps court et à des coûts raisonnables. Dans ce contexte, nous avons appliqué plusieurs stratégies basées sur ces nouveaux outils, avec l'objectif d'identifier de nouvellesbases moléculaires des cancers héréditaires à survenue précoce. Tout d’abord, nous avons employé une stratégie d'analyse exomique intrafamiliale dans une famille atypique présentant des chondrosarcomes de localisation thoracique pour lesquels aucune base moléculaire n'avait pu être mise en évidence. Grâce à cette stratégie, nous avons pu identifier une altération tronquante du gène EXT2 (NM_000401.3; c.237G>A; p.Trp79*). Les altérations perte de fonction documentées pour ce gène sont impliquées dans la maladie des ostéochondromes multiples (OM), des tumeurs bénignes. Or, dans cette famille, aucun signe clinique d'OM n'était présent. Ces travaux nous ont donc permis d'étendre le spectre phénotypique des mutations EXT2 et de modifier la prise en charge clinique de cette famille. Nous avons ensuite employé une stratégie d'analyse exomique soustractive de trio enfant malade / parents sains dans le but d’identifier des mutations de novo potentiellement responsables de la prédisposition génétique au cancer observée chez un jeune patient ayant développé un médulloblastome du cervelet à l’âge de 8 ans, suivi d’un méningiome à 22 ans. L’analyse exomique du trio a révélé l’existence chez ce patient d'une mutation de novo faux-sens affectant un acide aminé très conservé de la protéine HID-1. Cette dernière est particulièrement exprimée dans les cellules neuronales et sécrétrices, et semble fonctionner autour de l’appareil de Golgi pour réguler le tri des vésiculesnouvellement formées. Ainsi, notre hypothèse est qu’un défaut de la protéine HID-1, lié à une mutation du gène HID-1, perturberait la voie de sécrétion et participerait à la genèse du médulloblastome. Ces travaux, toujours en cours, démontrent à la fois la force de la stratégie exomique de trio pour identifier rapidement des mutations de novo et illustre toute la difficultéd'interprétation des variants détectés dans des gènes non impliqués dans le cancer. Par ailleurs, nous avons appliqué une stratégie exomique soustractive et interfamiliale à une cohorte de dix patients ayant développé un corticosurrénalome à un âge très précoce et pour lesquels aucune base moléculaire n'a pu être mise en évidence. Malheureusement, nous n'avons pas pu identifier de nouvelles bases moléculaires du corticosurrénalome de l'enfant par ces techniques. Enfin, sous l'hypothèse que des mutations rares ou privées dans un nombre limité de gènes impliqués dans le cancer contribueraient à des formes héréditaires de cancer, nous avons entrepris un projet visant à séquencer à haut débit 201 gènes fortement impliqués dans le cancer chez des patients ayant développé des tumeurs à un âge pédiatrique. Les premiers résultats de ce projet toujours en cours ont permis de confirmer la robustesse de cette technique et suggèrent une extension phénotypique du spectre des mutations DICER1 ainsi qu'une contribution oligogénique des gènes de réparation de l'ADN dans les tumeurs pédiatriques. L'ensemble de ces résultats seront bientôt compilés au sein d'une base de données et bénéficieront d'une analyse statistique fine avec l'objectif d'identifier des enrichissements en variants rares dans des gènes ou voies biologiques. / One of the greatest advances in oncology and genetics over the past 20 years has been the identification of hereditary forms of cancer and of the cancer genes. Nevertheless, in a majority of patients suspected to present an inherited form of cancer, analyses of the genes known to be involved in the Mendelian predispositions to cancer often remain negative. Today, thanks to the emergence of high-throughput sequencing (NGS), it is now possible to sequence all exons of an individual (exome) or several hundred genes in a short period of time and for a reasonable cost. In this context, we have applied several strategiesbased on these new tools in order to identify new molecular basis of early-onset cancers. First, we applied an intra-familial exome analysis strategy to an atypical family with chondrosarcomas of the chest, for which no molecular basis could be identified. Using this strategy, we were able to identify a truncating alteration of the EXT2 gene NM_000401.3; c.237G> A; p.Trp79 *). The documented loss of function alterations of this gene are implicated in a disease called multiple osteochondromas (OM), associated with benign lesions. Interestingly, these patients showed no clinical signs of OM indicating a potential phenotypic extension of EXT2 mutations. Plus, this work allowed us to change the clinical management of this family. We then used a strategy of subtractive exomic analysis of trio sick child/healthy parents in order to identify de novo mutations in a young patient who developed a medulloblastoma of the cerebellum at 8 years-old followed by a meningioma at 22 years-old. The analysis of the trio revealed the existence of a de novo mutation affecting a highly conserved amino acid of the HID-1 protein. HID-1 is specifically expressed in neuronal and secretory cells, and seems to function around the Golgi apparatus to regulate the sorting of newly formed vesicles. Our hypothesis is that a defect of the HID-1 protein linked to a mutation of the HID-1 gene, could alter the secretory pathway therefore contributing to the development of the tumor. This work, which is still ongoing, demonstrates both the strength of the trio strategy for the rapid identification of de novo mutations and illustrates all the difficulty of interpreting variants detected in genes not yet involved in cancer. Then, thanks to the recruitment of the Laboratory of Molecular Genetics of the CHU of Rouen, we have collected a cohort of 10 patients who developed an adrenocortical carcinoma (ACC) at a very early age and for which no molecular basis could be identified. Despite subtractive and inter-familial exomic analyses, we were unable to highlight new molecular bases for these cases of pediatric ACC. Finally, under the assumption that rare or private mutations in a limited number of genes involved in cancer could contribute to inherited forms of cancer, we undertook a project to sequence 201 genes involved in cancer in patients who developed tumors at a pediatric age. The first results of this project confirmed the robustness of this technique and suggested a phenotypic extension of the DICER1 mutation spectrum as well as an oligogenic contribution of DNA repair genes in pediatric tumors. Soon, these results will be compiled in a database and will benefit from a statistical analysis with the objective to identify enrichment of rare variants in specific genes or biological pathways in these patients compared to control individuals.

Next generation sequencing technologies are changing the way scientific experiments and diseases diagnostics are performed and thus will allow what is called personalized medicine. The sense of presented thesis is to make survey of new approaches to DNA sequencing and demonstrate usage and constraints of bioinformatic analytical tools available to day. Discussed techniques are then applied to the case study of finding molecular basis for rare hereditary disease. Introductory part deals with overview of commercially available sequencing techniques (454 Life Science, Applied Biosystems, Illumina, Helicos). Fundamentals of each method are described and possible further development is outlined. Post sequencing data analysis is than discussed in details. In practical section we demonstrate genome analysis techniques successfully used to reveal causal mutation in the gene responsible for adult form of autozomal neuronal ceroid lipofuscinosis (ANCL). Combination of linkage analysis (Merlin), copy number variant analysis (Genome-Wide Human SNP Array 6.0), analysis of expression profiles (HumanRef-8 v2 Expression BeadChips) and exome sequencing (SOLiD™ 4 System) has been applied to members of one ANCL family. We also paid attention to comparison, evaluation and selection of available mapping algorithms used in...

Glioblastome machen etwa 47% aller intrinsischen Tumore des zentralen Nervensystems aus. Sie sind durch ein aggressives und invasives Wachstumsverhalten gekennzeichnet. Als erster wegweisender Schritt zur Therapie der Glioblastome gilt die frühe und möglichst vollständige Resektion, gefolgt von einer simultanen Radiochemotherapie. Dennoch sind Tumorrezidive binnen weniger Monate die Regel und es bestehen trotz intensiver Forschung bis heute kaum alternative Behandlungsoptionen. Das Verständnis für die Pathogenese der Glioblastome erfuhr in den letzten Jahren tiefgreifende Änderungen. Nach Berücksichtigung der molekularen Marker in der WHO- Klassifikation, wurden Glioblastome in zwei molekulare Gruppen unterteilt: die IDH-Wildtyp (95% der Fälle) und die IDH-mutierten Glioblastome. IDH-Wildtyp Glioblastome treten bei Patienten mit einem medianen Alter von 64 Jahren auf und gehen mit einer ungünstigen Prognose (medianes Überleben 14,2 Monate) einher. IDH-mutierte Glioblastome kommen vor allem bei jüngeren Patienten mit einem medianen Alter von 45 Jahren vor und weisen eine vergleichsweise bessere Prognose mit einem medianen Überleben von 4-5 Jahren auf. Bei IDH-Wildtyp Glioblastomen wurden am häufigsten TERTp-, und PTEN-Mutationen sowie EGFR-Amplifikationen beschrieben. Dabei stellt die TERTp-Mutation die häufigste somatische Alteration im Genom der IDH-Wildtyp Glioblastome dar. Die oben genannten molekularen Marker bieten eine solide Grundlage für die molekulare Diagnose der IDH- Wildtyp Glioblastome. Dennoch bleibt die Frage unbeantwortet, warum IDH-Wildtyp Glioblastome vor allem bei älteren Patienten auftreten und jüngere Patienten eine bessere Prognose besitzen. Unter der Annahme, dass IDH-Wildtyp Glioblastome ein altersspezifisches molekulargenetisches Profil aufweisen, welches wohlmöglich die Prognose beeinflusst, wurden daher die Tumor- und korrespondierenden Blutproben von 55 Patienten mittels Whole Exome Sequencing untersucht. Nach Filterung der Rohdaten wurden verschiedene Mutationen und Copy Number Variations identifiziert. Zur Validierung der Methode wurde zum einen ein Literaturabgleich der detektierten Alterationen durchgeführt und zum anderen einzelne Kandidatengene mittels Sanger Sequenzierung manuell bestätigt. Insgesamt wurden 1841 Mutationen auf 1544 verschiedenen Genen detektiert. Obwohl viele der 1544 Mutationen ohne Relevanz für die Pathogenese waren, konnte eine enorme Vielzahl an verschiedenen Treibermutationen nachgewiesen werden. Die manuell sequenzierte TERTp-Mutation war mit 76,4% am häufigsten aufgetreten. Weitere Treibermutationen, beispielsweise EGFR, TP53, PTEN, PI3K-Gruppe, NF1 und PDGFRA zeigten mit der Literatur vergleichbare Prävalenzen und betonten die Validität der Methode. Die aufgetretenen Copy Number Variations belegten sowohl auf chromosomaler (Chromosom 7-Amplifikation und Chromosom 10-Deletion), als auch auf genspezifischer Ebene (EGFR-, CDK6-, MET-, PDGFRA-Amplifikation und CDKN2A/B-, und PTEN-Deletion) die molekulargenetischen Charakteristika des IDH-Wildtyp Glioblastoms. Über eine Clusterung dieser Alterationen und Gegenüberstellung mit klinischen Eigenschaften konnten die typischen, publizierten Glioblastomsignaturen (proneural, klassisch, mesenchymal) beschrieben und mit dem Erkrankungsalter in Verbindung gebracht werden. Besonders eindrücklich zeigten unsere Daten, übereinstimmend mit der Literatur, dass eine proneurale Signatur mit einem jungen Erkrankungsalter und günstiger Prognose assoziiert war. Unerwartet zeigte ein Patient mit pädiatrischer Signatur und hohem Erkrankungsalter dennoch ein überdurchschnittlich vorteilhaftes Überleben, verglichen mit seiner Altersgruppe. Unabhängig von molekulargenetischen Alterationen, war ein junges Erkrankungsalter alleinstehend mit einer günstigeren Prognose verknüpft. Für einzelne molekulargenetische Alterationen konnte kein Zusammenhang mit dem Erkrankungsalter oder dem (Progressionsfreien-) Überleben hergestellt werden. Ein alterspezifisches, prognosebeeinflussendes Mutationsmuster konnte demnach nicht identifiziert werden. Limitierend muss dabei die geringe Kohortengröße (n=55) angemerkt werden. Eine Vergrößerung der Studienpopulation war aufgrund der geringen Inzidenz von jungen Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastomen in diesem Studiendesign nicht möglich und könnte perspektivisch in einem multizentrischen Ansatz oder einer langen Akquirierungsphase verwirklicht werden. Die Fülle an identifizierten Treibermutationen verdeutlichte nichtsdestotrotz die große intratumorale Heterogenität des Glioblastoms. Zusätzlich ermöglichte die enorme diagnostische Tiefe der verwendeten Methode die Identifikation der bisher nicht im Zusammenhang mit dem IDH-Wildtyp Glioblastom beschriebenen TET1-Deletion. Obwohl die detaillierte Rolle der TET1-Deletion für das Glioblastom nicht verstanden ist, liefern unsere Daten einen vielversprechenden Hinweis, dass ein Funktionsverlust des TET1-Enzyms, in Kombination mit EGFR-Amplifikation oder Deletion von PTEN oder CDKN2A/B, eine Auswirkung auf die Pathogenese des IDH-Wildtyp Glioblastoms besitzt und die Prognose negativ beeinflusst. Zukünftige molekulargenetische Sequenzierungen sind indiziert, um die Rolle der TET1- Deletion zu bestätigen und darüber hinaus die Pathogenese des Glioblastoms auf molekulargenetischer Ebene noch besser zu verstehen und weitere individualisierte Therapieansätze abzuleiten.:Abkürzungsverzeichnis 5 1 Einleitung 8 1.1 Klinische Grundlagen des Glioblastoms 8 1.1.1 Epidemiologie/Ätiologie 8 1.1.2 Symptomatik und Diagnostik 9 1.1.3 Therapie 10 1.1.4 Prognose 12 1.2 Pathologie und Molekulargenetische Veränderungen des Glioblastoms 12 1.2.1 Treibergene 13 1.2.2 Subgruppen 17 1.3 Fragestellung 18 2 Materialien 19 3 Methoden 23 3.1 Patientenrekrutierung 23 3.1.1 Erweiterte Einschlusskriterien 25 3.1.2 Ausschlusskriterien 25 3.2 Kohortendesign 25 3.3 Klinische Daten 26 3.4 Materialgewinnung 27 3.4.1 Proben-Lagerung 27 3.4.2 DNA-Extraktion 27 3.5 Sanger Sequenzierung Prä-WES 29 3.5.1 Primer-Design 29 3.5.2 Polymerase Kettenreaktion 29 3.5.3 Elektrophorese 31 3.5.4 Aufreinigung PCR-Produkt 33 3.5.5 Sequenzierreaktion 35 3.6 WES 38 3.6.1 Datensatz 41 3.6.2 CNV-Analyse 42 3.7 Sanger Sequenzierung Validierung 42 3.8 Statistische Auswertung 45 4 Ergebnisse 47 4.1 Deskriptive klinisch-pathologische Beschreibung der Kohorte 47 4.1.1 Klinisch-pathologische Zusammenhänge 54 4.2 TERTp-Sequenzierung 58 4.3 Datensatz WES 58 4.3.1 Somatische Mutationen 59 4.3.2 CNV-Analyse 67 4.4 Altersbezogene molekulargenetische Unterschiede 74 4.5 Zusammenhang zwischen Genotyp und OS sowie PFS 77 4.5.1 Somatische Mutationen 77 4.5.2 CNV-Analyse 78 5 Diskussion 82 5.1 Klinische Charakteristika von Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastom 82 5.2 Der prognostische Stellenwert von Tumoreigenschaften 84 5.3 Molekulargenetisches Profil des IDH-Wildtyp Glioblastoms 85 5.3.1 Somatische Mutationen und Copy Number Variations 85 5.3.2 Chromosomale Aberrationen 94 5.4 10q21.3-Deletion 95 6 Zusammenfassung 97 6.1 Deutsch 97 6.2 Englisch 99 Anlagen 101 Darstellung zur Geschlechtsneutralität im geschriebenen Wort 101 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahren 102 Erklärung zur Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben 104 Anhang 105 Literaturverzeichnis 113 Abbildungsverzeichnis 125 Tabellenverzeichnis 127 Danksagung 128 / Glioblastomas account for approximately 47% of all intrinsic central nervous tumors. They are characterized by an aggressive and invasive growth pattern. Early and, if possible, complete resection followed by simultaneous radiochemotherapy is crucial for treatment success. However, tumor recurrence within a few months are very frequent. Despite intensive research, there are still hardly any alternative treatment options. The understanding of the pathogenesis of glioblastomas underwent profound changes in recent years. After considering molecular markers in the WHO classification, glioblastomas have been divided into two molecular groups: IDH-wild-type (95% of cases) and IDH-mutated glioblastomas. IDH-wild-type glioblastomas occur in patients with a median age of 64 years and are associated with an unfavorable prognosis (median survival 14.2 months). On the other hand, IDH-mutated glioblastomas are mainly associated with young patients with a median age of 45 years and have a rather good prognosis with a median survival of 4-5 years. In IDH- wild-type glioblastomas, TERTp-, and PTEN-mutations as well as EGFR-amplifications have been described most frequently. Among them, TERTp-mutation represents the most frequent somatic alteration in the genome of IDH-wild-type glioblastomas. The above molecular markers provide a solid basis for molecular diagnosis of IDH-wild-type glioblastomas. To date, however, the reason why IDH-wild-type glioblastomas appear primarily in older patients with younger patients having a better prognosis remains unclear. Assuming that IDH-wild-type glioblastomas have an age-specific molecular signature with possible impact on the outcome, we analyzed tumor and corresponding blood samples from 55 patients by whole exome sequencing. After filtering the raw data, various mutations and copy number variations were identified. To validate the method, a literature review as well as Sanger Sequencing of selected candidate genes was performed. A total of 1841 mutations on 1544 different genes were detected. Although many mutations appeared to be background mutations with no relevance to pathogenesis, an enormous number of different driver mutations remained. The manually sequenced TERTp-mutation was the most abundant at 76.4%. Other driver mutations, for example EGFR, TP53, PTEN, PI3K group, NF1 and PDGFRA showed prevalence comparable to published data and emphasized the validity of the method. The copy number variations that occurred concurred previously described molecular genetic characteristics of IDH wild-type glioblastoma at both chromosomal (chromosome 7 amplification and chromosome 10 deletion) and gene-specific levels (EGFR-, CDK6-, MET-, PDGFRA-amplification and CDKN2A/B-, and PTEN-deletion). Via clustering of these alterations and juxtaposition with clinical features, the typical glioblastoma signatures (proneural, classic, mesenchymal) could be described and related to age of diagnosis. In line with the literature, our data showed that a proneural signature was associated with younger patients and favorable prognosis. Unexpectedly, a patient with a pediatric signature and high age of diagnosis, showed a survival above average compared with his age group. Regardless of molecular alterations, young age was an independent characteristic of favorable prognosis. For individual genetic alterations, no association with age of diagnosis or (progression-free) survival could be established. Thus, an age-specific mutational pattern could not be identified. The relatively small cohort size (n=55) must be noted as a limiting factor. An increase of the study population was not possible in this study design due to the low incidence of young patients with IDH wild-type glioblastoma and could be realized in a multicenter approach or a long acquisition phase in the future. Nevertheless, the abundance of identified driver mutations highlighted the large intratumoral heterogeneity of glioblastoma. In addition, the tremendous diagnostic depth of the method used enabled the identification of the TET1-deletion not previously described in the context of IDH wild-type glioblastoma. Although the detailed role of TET1-deletion in glioblastoma is not yet understood, our data provides promising evidence that loss of function of the TET1-enzyme in combination with EGFR-amplification or deletion of PTEN or CDKN2A/B has an impact on the pathogenesis of IDH wild-type glioblastoma and negatively affects prognosis. Future genetic sequencing is indicated to confirm the role of TET1-deletion and moreover to get further understanding of the genomic pathogenesis of glioblastoma with the aim to derive individualized therapeutic approaches.:Abkürzungsverzeichnis 5 1 Einleitung 8 1.1 Klinische Grundlagen des Glioblastoms 8 1.1.1 Epidemiologie/Ätiologie 8 1.1.2 Symptomatik und Diagnostik 9 1.1.3 Therapie 10 1.1.4 Prognose 12 1.2 Pathologie und Molekulargenetische Veränderungen des Glioblastoms 12 1.2.1 Treibergene 13 1.2.2 Subgruppen 17 1.3 Fragestellung 18 2 Materialien 19 3 Methoden 23 3.1 Patientenrekrutierung 23 3.1.1 Erweiterte Einschlusskriterien 25 3.1.2 Ausschlusskriterien 25 3.2 Kohortendesign 25 3.3 Klinische Daten 26 3.4 Materialgewinnung 27 3.4.1 Proben-Lagerung 27 3.4.2 DNA-Extraktion 27 3.5 Sanger Sequenzierung Prä-WES 29 3.5.1 Primer-Design 29 3.5.2 Polymerase Kettenreaktion 29 3.5.3 Elektrophorese 31 3.5.4 Aufreinigung PCR-Produkt 33 3.5.5 Sequenzierreaktion 35 3.6 WES 38 3.6.1 Datensatz 41 3.6.2 CNV-Analyse 42 3.7 Sanger Sequenzierung Validierung 42 3.8 Statistische Auswertung 45 4 Ergebnisse 47 4.1 Deskriptive klinisch-pathologische Beschreibung der Kohorte 47 4.1.1 Klinisch-pathologische Zusammenhänge 54 4.2 TERTp-Sequenzierung 58 4.3 Datensatz WES 58 4.3.1 Somatische Mutationen 59 4.3.2 CNV-Analyse 67 4.4 Altersbezogene molekulargenetische Unterschiede 74 4.5 Zusammenhang zwischen Genotyp und OS sowie PFS 77 4.5.1 Somatische Mutationen 77 4.5.2 CNV-Analyse 78 5 Diskussion 82 5.1 Klinische Charakteristika von Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastom 82 5.2 Der prognostische Stellenwert von Tumoreigenschaften 84 5.3 Molekulargenetisches Profil des IDH-Wildtyp Glioblastoms 85 5.3.1 Somatische Mutationen und Copy Number Variations 85 5.3.2 Chromosomale Aberrationen 94 5.4 10q21.3-Deletion 95 6 Zusammenfassung 97 6.1 Deutsch 97 6.2 Englisch 99 Anlagen 101 Darstellung zur Geschlechtsneutralität im geschriebenen Wort 101 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahren 102 Erklärung zur Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben 104 Anhang 105 Literaturverzeichnis 113 Abbildungsverzeichnis 125 Tabellenverzeichnis 127 Danksagung 128

Breast cancer (BCa) is a leading cause of cancer-related female deaths worldwide and is a complex disease consisting of many different subtypes with varying clinical course and outcomes. Triple negative breast cancer (TNBC), an aggressive and highly metastatic subtype, is most prevalent in women of African ancestry (WAA) but the causes of this disparity are not fully understood. The goal of this study was to investigate the epidemiological and genetic profiles in ancestrally-related WAA in Barbados and Nigeria to advance knowledge and lay the foundation for development of improved or novel BCa therapeutics. To gain insight about TNBC across the African continent, a systematic review and meta-analysis was conducted. TNBC frequencies on average across Africa were estimated at 26.8% but were highest in West African countries (46.0%). We also sought to identify the epidemiological profile of BCa in Barbados—a Caribbean island with significant West African ancestry. We reviewed pathological reports for BCa from the sole public hospital in Barbados and compared those data with USA population-based data. We found a high prevalence of high prevalence of TNBC amongst women diagnosed with breast cancer in Barbados (25%), compared to 21% in non-Hispanic Black and 10% in non-Hispanic White women in the USA for the 2010-2016 period. We also investigated the somatic mutational profile of WAA with TNBC in Barbados and Nigeria using whole exome sequencing (WES) of formalin-fixed paraffinembedded TNBC tissues. This investigation revealed novel and pathogenic variants in well-known cancer-associated genes such as TP53, BRCA1 and MDC1. The somatic mutation signature in Nigerian tissues correlated with aflatoxin signature, implying a role for environmental factors influencing the genomics profile in this cohort. Copy number variants were revealed at high frequencies for PIK3CA, FGFR2 and HIF1AN genes. Collectively, these findings uncovered novel epidemiological and genetic trends in WAA with high prevalence of the aggressive TNBC subtype / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Breast cancer (BCa) is a leading cause of cancer-related death in women worldwide. Although Caucasian women are diagnosed with BCa more than women of African ancestry (WAA), more WAA unfortunately die from BCa. The reasons for this disparity are currently unknown, however, a higher proportion of WAA are diagnosed with an aggressive type of BCa called triple negative breast cancer (TNBC). This might partially explain the high cancer death rate in WAA. To understand this disparity in BCa incidence and outcomes, we investigated TNBC disease trends across the African continent and in Barbados (a Caribbean island with predominantly African ancestry) and found a high proportion of TNBC diagnoses in Barbados and West African countries. We also discovered a novel genetic profile within these groups that may be useful to develop new cancer therapies that would decrease TNBC aggressiveness and death in these populations.

Background: Rare genetic mutations cause familial early-onset stroke disorders, known as “Mendelian strokes”. The broader relevance of rare mutations in unrelated young stroke patients is uncertain. We hypothesize that rare mutations in known and novel genes are important risk factors for stroke. Methods: Exome sequencing was used to characterize rare disruptive protein-altering mutations in 185 young cases and 185 matched controls from INTERSTROKE, a large and globally representative stroke study. The major objectives were: 1) to precisely define the role of known Mendelian stroke genes and 2) to discover novel gene and pathway associations. Results: A focused assessment of known Mendelian stroke genes revealed a significant contribution from NOTCH3, the causal gene for Cerebral Autosomal Dominant Arteriopathies with Subcortical Infarcts and Leucoencephalopathies (CADASIL). CADASIL mutations were identified in six cases and no controls (P=0.03). The clinical presentation of CADASIL mutation carriers deviated from known symptomatology, consisting of small-vessel ischemic strokes (SVIS) accompanied by secondary features including migraine and depression. A novel role for non-CADASIL NOTCH3 mutations in ICH was also elucidated (OR=2.86; 95% CI, 1.13 to 7.93, P=0.02). Such mutations were present in 22% of ICH cases and 8% of matching controls. An agnostic evaluation of all genes did not reveal any genome-wide significant associations. However, NOTCH3 was among the top ICH genes out of 13,706 tested, and many others were also biologically relevant, notably, AARS2 and NBEAL2. A protective association was identified for the renin angiotensin system (P=8.1x10-4), whereas type II diabetes mellitus was associated with increased risk (P=1.9x10-2). Conclusion: Rare mutations influence risk of early-onset stroke. CADASIL mutations play an important role in unrelated stroke patients. Beyond CADASIL, a novel role was uncovered for other NOTCH3 mutations as common and significant risk factors for ICH. Novel biologically relevant genes and pathways may also affect stroke susceptibility. / Thesis / Master of Science in Medical Sciences (MSMS)

RIPPLY2 is an essential part of the formation of somite patterning during embryogenesis and in establishment of rostro-caudal polarity. Here, we describe three individuals from two families with compound-heterozygous variants in RIPPLY2 (NM_001009994.2): c.238A > T, p.(Arg80*) and c.240-4 T > G, p.(?), in two 15 and 20-year-old sisters, and a homozygous nonsense variant, c.238A > T, p.(Arg80*), in an 8 year old boy. All patients had multiple vertebral body malformations in the cervical and thoracic region, small or absent rib involvement, myelopathies, and common clinical features of SCDO6 including scoliosis, mild facial asymmetry, spinal spasticity and hemivertebrae. The nonsense variant can be classified as likely pathogenic based on the ACMG criteria while the splice variants must be classified as a variant of unknown significance. With this report on two further families, we confirm RIPPLY2 as the gene for SCDO6 and broaden the phenotype by adding myelopathy with or without spinal canal stenosis and spinal spasticity to the symptom spectrum.

No description available.

Les Inuits du Nunavik regroupent des peuples autochtones de l'Arctique qui au fil de l’histoire ont formé une petite population isolée dans la région du Nunavik (nord de la province de Québec, Canada). Le profil génétique unique des Inuits du Nunavik est le résultat d’une adaptation à leur milieu de vie et il est considéré comme lié à certaines de leurs susceptibilités pathologiques. Une évolution neutre, ainsi qu’une suite d’événements adaptatifs, ont façonné le génome de ces Inuits et indirectement engendré leur prédisposition accrue à certains troubles cardio-vasculaires et cérébro-vasculaires (ex : hypertension et anévrismes intracrâniens (AI)). Les AI sont des faiblesses cérébro-vasculaires localisées pouvant mener à des dilatations et renflements localisés de la paroi vasculaire. De telles distorsions sont susceptibles de perturber les vaisseaux et entrainer des hémorragies sous-arachnoïdiennes. Les AI sont un désordre complexe dont la prévalence est élevée (4-8%) et différentes populations (non reliées aux Inuits) ont aussi un risque accru de développer des AI. Le développement des AI est associé à la fois à des facteurs environnementaux et génétiques; plusieurs études génomiques ont identifié des régions associées aux AI. Une grande part de l'héritabilité génétique des AI demeure encore inexpliquée, en particulier dans des populations autres que les finnois et les japonais. Toutefois il est à noter que peu d’études génétiques des AI ont tenu compte de la contribution de variations génétiques spécifiques à la population étudiée. Pour améliorer nos connaissances sur la part encore inexpliquée de l'héritabilité des AI (qui implique une grande hétérogénéité génétique et des variations peu pénétrantes), nous avons combiné le séquençage à haut débit au génotypage des polymorphismes sur puces afin d’établir la signature génétique des deux populations fondatrices du Québec prédisposées aux AI (Inuits du Nunavik et Canadiens français). Comme ces populations ont des caractéristiques distinctes, nous avons utilisé des approches différentes pour tenter d’identifier des facteurs de risque génétiques. Les Inuits du Nunavik représentent une population autochtone et de nombreux aspects de leur signature génétique diffèrent de celles des principales populations, nous avons choisi d’approfondir leur histoire et profil génomique avant de vérifier si des associations génomiques pouvaient être établies avec les IA. Nous avons tout d'abord examiné les régions codantes du génome et observé de nombreuses composantes génétiques spécifiques aux Inuits du Nunavik qui reflètent que la population s’est adaptée à son environnement (ex: ascendance Inuit homogène, augmentation du déséquilibre de liaison et signature génétique). Des signes de sélection naturelle, jusqu’alors non-identifiés, ont révélé une accumulation de variations génétiques dans des gènes impliqués dans le processus d'adhésion cellulaire et de la réponse immunitaire (ex. CPNE7 et ICAM5). D'autres analyses ont révélé un variant dans le gène CCM2 qui présente une sélection positive et est significativement associé aux AI chez les Inuits du Nunavik. En ce qui concerne l'étiologie génétique des AI dans la population des Canadiens français, nous avons adopté une approche différente et utilisé des variations spécifiques aux Canadiens français, qui ont été identifiées par le séquençage complet de l'exome. Ces variations ont permis de générer une liste de gènes à risque potentiel, qui ont ensuite été priorisés en utilisant un test d'association par gène de type « burden ». RNF213 est apparu comme le meilleur gène candidat; il est vraisemblablement la conséquence d’une dérive génétique. Les mesures génétiques et fonctionnelles subséquentes ont validé la contribution possible de RNF213 au développement des AI chez les Canadiens français. Les résultats présentés dans cette thèse soulignent l'importance de prendre en compte le contexte génétique spécifique apporté par l'évolution lorsqu'une maladie complexe est étudiée. Il a également été montré que les variations d’un gène spécifique (ex. CCM2 et RNF213) peuvent contribuer au développement de différentes pathologies lorsqu'ils sont observés dans des populations distinctes. D'une manière générale, nos découvertes génétiques ont permis d’identifier de nouvelles « pièces » génétiques et pour avancer le « casse-tête » incomplet de l'héritabilité génétique des AI ; la génétique des populations a été un élément clé pour cette avancée. / Nunavik Inuit is a group of Arctic indigenous people, who have historically presented as a small and isolated population across the Nunavik region of northern Quebec (Canada). The unique genetic profile of Nunavik Inuit is the result of years of adaptation to their living condition, and it is likely responsible for their increased susceptibility to certain pathological conditions. Prior studies have shown that as a consequence of neutral evolution or past adaptive events, today’s Inuit are predisposed to cardio-cerebrovascular disorders, e.g. hypertension and intracranial aneurysm (IA). IA is defined as localized cerebrovascular weakness which leads to vascular dilation or ballooning, and such distortions are susceptible to disrupt the affected vessels and lead to subarachnoid hemorrhage. It is a complex disorder with a high prevalence (4-8%) and certain populations have been observed to present an increased risk of developing IA. Both environmental and genetic factors are deemed to contribute to the development of IA and in regards to the latter, independent genome-wide association studies (GWAS) have identified multiple loci associated with IA. Nonetheless, there is still a large portion of the genetic heritability of IA, especially in different populations other than Finnish and Japanese that remains unexplained. However, fewer IA genetic studies have taken in consideration the contribution of population specific genetic variants. To address some of the IA missing heritability that is deemed to be accountable to its genetic heterogeneity and low penetrance, we have combined high throughput sequencing (HTS) with SNP-chip genotyping to examine the genetic signatures of two founder populations from Quebec that are predisposed to IA, including Nunavik Inuit and French-Canadians (FC). Because these populations have distinct genetic characteristics, we used different approaches for the identification of genetic risk factors. Nunavik Inuit is an indigenous population and many aspects of its genetic signatures differ from those of separate world-wide major populations; therefore we chose to conduct extensive population genetic studies in regards to their genetic history and genomic profile before we undertook to test if any association could be established between genomic loci and disease susceptibility. We observed many genetic components that are specific to the Nunavik Inuit population, including its homogeneous Inuit ancestry, increased linkage disequilibrium (LD) and genetic signatures which reflect the population had a long history of adaptations to their environment. Previously unidentified signals of natural selection, which focused on coding regions of the genome revealed an accumulation of genetic variants in genes involved in the processes of cell adhesion and immune responses (e.g. CPNE7 and ICAM5). Further analyses revealed a variant in CCM2 to be under positive selection and significantly associated with IA in Nunavik Inuit. In regard to the genetic etiology of IA in the French-Canadian population, we took a different approach and used French-Canadian specific variants that were identified by whole exome sequencing to generate a list of potential risk genes; which were further prioritized using a gene based burden association test. RNF213 emerged as a prime candidate gene that had undergone possible genetic drift and the follow-up genetic and functional examinations further supported its potential contribution to the development of IA among French-Canadians. The results presented in this thesis highlighted the importance of taking into consideration the specific genetic background brought by natural selection or genetic drift, both are driving forces of evolution, when a complex disease is being studied. It also further confirmed that variants in a specific gene (e.g. RNF213 or CCM2) may contribute to the development of different pathogenesis when examined in distinct populations. Overall as our genetic findings identified new genetic “pieces” that further completed the missing heritability “puzzle” of IA genetics; evidence for these “pieces” were interestingly highlighted through population genetics.

L’anémie falciforme est une maladie monogénique causée par une mutation dans le locus de la β-globine. Malgré le fait que l’anémie falciforme soit une maladie monogénique, cette maladie présente une grande hétérogénéité clinique. On présume que des facteurs environnementaux et génétiques contribuent à cette hétérogénéité. Il a été observé qu’un haut taux d’hémoglobine fœtale (HbF) diminuait la sévérité et la mortalité des patients atteints de l’anémie falciforme. Le but de mon projet était d’identifier des variations génétiques modifiant la sévérité clinique de l’anémie falciforme. Dans un premier temps, nous avons effectué la cartographie-fine de trois régions précédemment associées avec le taux d’hémoglobine fœtale. Nous avons ensuite effectué des études d’association pan-génomiques avec deux complications cliniques de l’anémie falciforme ainsi qu’avec le taux d’hémoglobine fœtale. Hormis les régions déjà identifiées comme étant associées au taux d’hémoglobine fœtale, aucun locus n’a atteint le niveau significatif de la puce de génotypage. Pour identifier des groupes de gènes modérément associés au taux d’hémoglobine fœtale qui seraient impliqués dans de mêmes voies biologiques, nous avons effectué une étude des processus biologiques. Finalement, nous avons effectué l’analyse de 19 exomes de patients Jamaïcains ayant des complications cliniques mineures de l’anémie falciforme. Compte tenu de la taille des cohortes de réplication disponibles, nous n’avons pas les moyens de valider statistiquement les variations identifiées par notre étude. Cependant, nos résultats fournissent de bons gènes candidats pour des études fonctionnelles et pour les réplications futures. Nos résultats suggèrent aussi que le β-hydroxybutyrate en concentration endogène pourraient influencer le taux d’hémoglobine fœtale. De plus, nous montrons que la cartographie-fine des régions associées par des études pan-génomiques peut identifier des signaux d’association additionnels et augmenter la variation héritable expliquée par cette région. / Sickle cell disease is a monogenic disease caused by a mutation in the β-globin locus. Although it is a monogenic disease, it shows a high clinical heterogeneity. Environmental and genetic factors are thought to play a role in this heterogeneity. It has been observed that a high fetal hemoglobin (HbF) levels correlates with a diminution of the severity and mortality of patients with sickle cell disease. The goal of my project was to identify genetic modifiers of the clinical severity of sickle cell disease. First, I performed the fine-mapping of three regions previously associated with HbF levels. Second, I performed genome-wide association studies with two clinical complications of sickle cell disease as well as with HbF levels. Since no new loci reached array-wide significance for HbF levels, I performed a pathway analysis to identify additional HbF loci of smaller effect size that might implicate shared biological processes. Finally, I performed the analysis of 19 whole exomes from Jamaican sickle cell disease patients with very mild complications. In conclusion, given the sample size of the replication cohorts available, we do not currently have the means to statistically validate the association signals. However, these results provide good candidate genes for functional studies and for future replication. Our results also suggest that β-hydroxybutyrate in endogenous levels could influence HbF levels. Furthermore, we show that fine-mapping the loci associated in genome-wide association studies can identify additional signals and increase the explained heritable variation.

L'hypothyroïdie congénitale par dysgénésie thyroïdienne (HCDT, ectopie dans plus de 80 %) a une prévalence de 1 cas sur 4000 naissances vivantes. L’HCDT est la conséquence d'une défaillance de la thyroïde embryonnaire à se différencier, à se maintenir ou à migrer vers sa localisation anatomique (partie antérieure du cou), qui aboutit à une absence totale de la thyroïde (athyréose) ou à une ectopie thyroïdienne (linguale ou sublinguale). Les HCDT sont principalement non-syndromiques (soit 98% des cas sont non-familiale), ont un taux de discordance de 92% chez les jumeaux monozygotes, et ont une prédominance féminine et ethnique (i.e., Caucasienne). La majorité des cas d’HCDT n’a pas de cause connue, mais est associée à un déficit sévère en hormones thyroïdiennes (hypothyroïdie). Des mutations germinales dans les facteurs de transcription liés à la thyroïde (NKX2.1, FOXE1, PAX8, NKX2.5) ont été identifiées dans seulement 3% des patients atteints d’HCDT sporadiques et l’analyse de liaisons exclue ces gènes dans les rares familles multiplex avec HCDT. Nous supposons que le manque de transmission familiale claire d’HCDT peut résulter de la nécessité d’au moins deux « hits » génétiques différents dans des gènes importants pour le développement thyroïdien. Pour répondre au mieux nos questions de recherche, nous avons utilisé deux approches différentes: 1) une approche gène candidat, FOXE1, seul gène impliqué dans l’ectopie dans le modèle murin et 2) une approche en utilisant les techniques de séquençage de nouvelle génération (NGS) afin de trouver des variants génétiques pouvant expliquer cette pathologie au sein d’une cohorte de patients avec HCDT. Pour la première approche, une étude cas-contrôles a été réalisée sur le promoteur de FOXE1. Il a récemment été découvert qu’une région du promoteur de FOXE1 est différentiellement méthylée au niveau de deux dinucléotides CpG consécutifs, définissant une zone cruciale de contrôle de l’expression de FOXE1. L’analyse d’association basée sur les haplotypes a révélé qu’un haplotype (Hap1: ACCCCCCdel1C) est associé avec le HCDT chez les Caucasiens (p = 5x10-03). Une réduction significative de l’activité luciférase est observée pour Hap1 (réduction de 68%, p<0.001) comparé au promoteur WT de FOXE1. Une réduction de 50% de l’expression de FOXE1 dans une lignée de cellules thyroïdienne humaine est suffisante pour réduire significativement la migration cellulaire (réduction de 55%, p<0.05). Un autre haplotype (Hap2: ACCCCCCC) est observé moins fréquemment chez les Afro-Américain comparés aux Caucasiens (p = 1.7x10-03) et Hap2 diminue l’activité luciférase (réduction de 26%, p<0.001). Deux haplotypes distincts sont trouvés fréquemment dans les contrôles Africains (Black-African descents). Le premier haplotype (Hap3: GTCCCAAC) est fréquent (30.2%) chez les contrôles Afro-Américains comparés aux contrôles Caucasiens (6.3%; p = 2.59 x 10-9) tandis que le second haplotype (Hap4: GTCCGCAC) est trouvé exclusivement chez les contrôles Afro-Américains (9.4%) et est absent chez les contrôles Caucasiens (P = 2.59 x 10-6). Pour la deuxième approche, le séquençage de l’exome de l’ADN leucocytaire entre les jumeaux MZ discordants n’a révélé aucune différence. D'où l'intérêt du projet de séquençage de l’ADN et l’ARN de thyroïdes ectopiques et orthotopiques dans lesquelles de l'expression monoallélique aléatoire dans a été observée, ce qui pourrait expliquer comment une mutation monoallélique peut avoir des conséquences pathogéniques. Finalement, le séquençage de l’exome d’une cohorte de 36 cas atteints d’HCDT a permis d’identifier de nouveaux variants probablement pathogéniques dans les gènes récurrents RYR3, SSPO, IKBKE et TNXB. Ces quatre gènes sont impliqués dans l’adhésion focale (jouant un rôle dans la migration cellulaire), suggérant un rôle direct dans les défauts de migration de la thyroïde. Les essais de migration montrent une forte diminution (au moins 60% à 5h) de la migration des cellules thyroïdiennes infectées par shRNA comparés au shCtrl dans 2 de ces gènes. Des zebrafish KO (-/- et +/-) pour ces nouveaux gènes seront réalisés afin d’évaluer leur impact sur l’embryologie de la thyroïde. / Congenital hypothyroidism by thyroid dysgenesis (CHTD) is a common disorder with prevalence at birth of 1 in 4000 live births. CHTD is the consequence of a failure of embryonic thyroid to differentiate or to migrate to its anatomical location (front of the neck), which leads to a total lack of thyroid (athyreosis) or an ectopic thyroid (lingual or sublingual). The most common category is ectopic thyroid diagnosis (up 85%). Most cases of CHTD have no known cause, but are associated with severe deficiency of thyroid hormones (hypothyroidism). The clinical diagnosis of hypothyroidism is usually possible only when permanent brain damage is already present. On the other hand, biochemical screening on the second day of life allows initiating replacement therapy from the second week of life, pre-empting severe intellectual deficit associated with the congenital hypothyroidism. Even with early treatment (an average of 9 days), loss of IQ, which is not exclusively due to the severity of hypothyroidism, can still be observed. Molecular markers may identify patients at risk for intellectual deficit (by e.g., genes involved in neuronal migration and the thyroid during development). These patients might benefit from early intervention to stimulate their neurocognitive development. Cases of CHTD are mainly non-syndromic and sporadic (in 98% of cases, there is no other affected in the family), have a discordant rate of 92% in monozygotic twins, and a female and ethnic (Caucasian) dominance. Germline mutations in thyroid-related transcription factors have been identified in only 3% of patients with sporadic CHTD, and linkage analysis has excluded these genes in rare multiplex families with CHTD. In addition, non-penetrating mutations among close relatives (for Nkx2.5 gene) suggest that modifying genes as germline variants de novo copy number (CNV) and / or somatic mutations are associated with CHTD. To respond to this research questions, we used two different approaches: 1) a candidate gene approach studying FOXE1, the only gene involved in ectopic thyroid in the mouse model and, 2) an approach using next generation sequencing techniques (NGS) to find genetic variants that could explain this pathology using a cohort of mostly sporadic CHTD. Variants and genes discovered by these two different approaches have been validated and their functional impact on the thyroid gland was evaluated by several experiments.