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Tyrimų tikslas. Identifikuoti naujus žieminių kviečių genus, aktyvuojamus žemose temperatūrose bei atlikti šių genų sekų ir genetinės raiškos analizę. Tyrimų uždaviniai: 1. Ištirti žieminių kviečių genotipų tolerantiškumą žemoms neigiamoms temperatūroms natūraliomis ir dirbtinėmis sąlygomis. 2. Nustatyti skirtingose grūdinimosi stadijose diferenciškai ekspresuojamus genus (kDNR-AFLP analizė) ir atlikti DNR sekų analizę. 3. Optimizuoti mutagenezės metodą ir sukurti dviejų perspektyvių žieminių kviečių linijų mutagenines populiacijas. 4. Nustatyti skirtingu intensyvumu ekspresuojamų genų mutacijas HRM metodu, įvertinti nustatytų mutacijų įtaką genų ekspresijai grūdinimosi metu ir žemų neigiamų temperatūrų tolerancijai. / Research objective: To identify new genes of winter wheat induced at low temperatures, to perform sequence analysis of these genes and to quantify their expression. Experimental tasks: 1. To evaluate freezing tolerance of various winter wheat genotypes under field and controlled conditions. 2. To identify differentially expressed genes at subsequent time points of cold acclimation and to perform analysis of their DNA sequences. 3. To optimize mutagenesis method and to create Targeting Induced Local Lesions in Genomes (TILLING) population of two winter wheat lines. 4. To identify mutations in differentially expressed genes by High Resolution melting (HRM) method, to estimate the impact of mutations on the gene expression during cold acclimation and tolerance to freezing.

Research objective: To identify new genes of winter wheat induced at low temperatures, to perform sequence analysis of these genes and to quantify their expression. Experimental tasks: 1. To evaluate freezing tolerance of various winter wheat genotypes under field and controlled conditions. 2. To identify differentially expressed genes at subsequent time points of cold acclimation and to perform analysis of their DNA sequences. 3. To optimize mutagenesis method and to create Targeting Induced Local Lesions in Genomes (TILLING) population of two winter wheat lines. 4. To identify mutations in differentially expressed genes by High Resolution melting (HRM) method, to estimate the impact of mutations on the gene expression during cold acclimation and tolerance to freezing. / Tyrimų tikslas. Identifikuoti naujus žieminių kviečių genus, aktyvuojamus žemose temperatūrose bei atlikti šių genų sekų ir genetinės raiškos analizę. Tyrimų uždaviniai: 1. Ištirti žieminių kviečių genotipų tolerantiškumą žemoms neigiamoms temperatūroms natūraliomis ir dirbtinėmis sąlygomis. 2. Nustatyti skirtingose grūdinimosi stadijose diferenciškai ekspresuojamus genus (kDNR-AFLP analizė) ir atlikti DNR sekų analizę. 3. Optimizuoti mutagenezės metodą ir sukurti dviejų perspektyvių žieminių kviečių linijų mutagenines populiacijas. 4. Nustatyti skirtingu intensyvumu ekspresuojamų genų mutacijas HRM metodu, įvertinti nustatytų mutacijų įtaką genų ekspresijai grūdinimosi metu ir žemų neigiamų temperatūrų tolerancijai.

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Proteininteraktionen sind entscheidend für zelluläre Funktion. Interaktionen reflektieren direkte funktionale Beziehungen zwischen Proteinen. Veränderungen in spezifischen Interaktionsmustern tragen zur Entstehung von Krankheiten bei. In dieser Arbeit werden funktionale und pathologische Aspekte von Proteininteraktionen analysiert, um Funktionen für bisher nicht charakterisierte Proteine vorherzusagen und Proteine mit Krankheitsphänotypen zu assoziieren. Verschiedene Methoden wurden in den letzten Jahren entwickelt, die die funktionalen Eigenschaften von Proteinen untersuchen. Dennoch bleibt ein wesentlicher Teil der Proteine, insbesondere menschliche, uncharakterisiert. Wir haben eine Methode zur Vorhersage von Proteinfunktionen entwickelt, die auf Proteininteraktionsnetzwerken verschiedener Spezies beruht. Dieser Ansatz analysiert funktionale Module, die über evolutionär konservierte Prozesse definiert werden. In diesen Modulen werden Proteinfunktionen gemeinsam über Orthologiebeziehungen und Interaktionspartner vorhergesagt. Die Integration verschiedener funktionaler Ähnlichkeiten ermöglicht die Vorhersage neuer Proteinfunktionen mit hoher Genauigkeit und Abdeckung. Die Aufklärung von Krankheitsmechanismen ist wichtig, um ihre Entstehung zu verstehen und diagnostische und therapeutische Ansätze zu entwickeln. Wir stellen einen Ansatz für die Identifizierung krankheitsrelevanter Genprodukte vor, der auf der Kombination von Proteininteraktionen, Proteinfunktionen und Netzwerkzentralitätsanalyse basiert. Gegeben einer Krankheit, werden krankheitsspezifische Netzwerke durch die Integration von direkt und indirekt interagierender Genprodukte und funktionalen Informationen generiert. Proteine in diesen Netzwerken werden anhand ihrer Zentralität sortiert. Das Einbeziehen indirekter Interaktionen verbessert die Identifizierung von Krankheitsgenen deutlich. Die Verwendung von vorhergesagten Proteinfunktionen verbessert das Ranking von krankheitsrelevanten Proteinen. / Protein interactions are essential to many aspects of cellular function. On the one hand, they reflect direct functional relationships. On the other hand, alterations in protein interactions perturb natural cellular processes and contribute to diseases. In this thesis we analyze both the functional and the pathological aspect of protein interactions to infer novel protein function for uncharacterized proteins and to associate yet uncharacterized proteins with disease phenotypes, respectively. Different experimental and computational approaches have been developed in the past to investigate the basic characteristics of proteins systematically. Yet, a substantial fraction of proteins remains uncharacterized, particularly in human. We present a novel approach to predict protein function from protein interaction networks of multiple species. The key to our method is to study proteins within modules defined by evolutionary conserved processes, combining comparative cross-species genomics with functional linkage in interaction networks. We show that integrating different evidence of functional similarity allows to infer novel functions with high precision and a very good coverage. Elucidating the pathological mechanisms is important for understanding the onset of diseases and for developing diagnostic and therapeutic approaches. We introduce a network-based framework for identifying disease-related gene products by combining protein interaction data and protein function with network centrality analysis. Given a disease, we compile a disease-specific network by integrating directly and indirectly linked gene products using protein interaction and functional information. Proteins in this network are ranked based on their network centrality. We demonstrate that using indirect interactions significantly improves disease gene identification. Predicted functions, in turn, enhance the ranking of disease-relevant proteins.

Les maladies inflammatoires de l’intestin (MICIs) incluent la maladie de Crohn et la colite ulcéreuse et affectent plus de 270 000 personnes au Canada. L’origine des MICIs est associée à des facteurs génétiques, des facteurs environnementaux et à une perturbation du microbiome intestinal. Plus de 200 régions génomiques ont précédemment été associées aux MICIs. Des études subséquentes ont permis d’identifier le gène causal de plusieurs de ces régions et les voies de signalisation cellulaires associées telles que l’autophagie, la réponse aux molécules bactériennes et la production de cytokines. Toutefois, dans la plupart des cas, les gènes causaux des régions génomiques ne sont pas identifiés. L’identification de ces gènes et des voies cellulaires qu’ils régulent permettrait d’identifier de nouvelles cibles pharmaceutiques qui renforceraient l’éventail de traitements disponibles contre les MICIs et augmenteraient la proportion de patients qui répondent aux traitements. Mon projet de doctorat se divise en deux parties, dans un premier temps, j’ai étudié le rôle de C1ORF106 et de son variant codant rare Y333F, tous deux associés aux MICIs, dans l’épithélium intestinal. Pour ce faire, nous avons utilisé un modèle Knock-Down de C1ORF106 dans des cellules Caco-2, dans lequel nous avons diminué l’expression de C1ORF106 de 88%. Lorsque différenciées, les cellules Caco-2 forment une monocouche épithéliale étanche idéale pour l’étude de fonctions cellulaires épithéliales. Ce modèle nous a permis d’identifier les voies cellulaires régulées par C1ORF106 telles que la formation des jonctions serrées, la régulation du cytosquelette d’actine et l’établissement de la polarité cellulaire. Nous avons ensuite utilisé un modèle de cellules épithéliales dérivées de cellules souches pluripotentes induites (CSPi) provenant de patients hétérozygotes pour le variant Y333F et d’individus sains porteurs de l’allèle Y333 pour identifier l’effet du variant Y333F sur ces fonctions cellulaires. La deuxième partie de mon projet visait à déterminer quels gènes associés aux MICIs devraient être priorisés pour l’identification de nouveaux gènes causaux, et plus spécifiquement, de nouveaux gènes causaux régulant la barrière épithéliale. Pour ce faire, nous avons déterminé une liste de gènes candidats basée sur les régions génomiques précédemment associées aux MICIs, puis nous avons établi un classement basé sur la présence d’un variant génétique associé aux MICIs, sur la proximité du gène au SNP utilisé dans le GWAS et sur la connaissance de fonctions cellulaires précédemment associée aux MICIs. Nous avons ensuite établi un classement épithélial basé sur le profil d’expression cellulaire et sur l’effet que le SNP du GWAS a sur l’expression des gènes inclus dans l’étude (eQTL). Parmi les gènes les mieux classés dans ces deux classements, plusieurs gènes (IRF8, IRF6, GSDMB) sont connus pour réguler, dans d’autres types cellulaires, l’inflammasome, une voie activée par différentes molécules microbiennes. Nous avons démontré qu’IRF8 est également impliqué dans la régulation de l’inflammasome dans les cellules épithéliales intestinales. Globalement, ce projet aura identifié de nouvelles fonctions cellulaires épithéliales associées aux MICIs telles que la régulation de la polarité cellulaire et de l’inflammasome épithélial en plus d’identifier de nombreux gènes à prioriser lors de futures études génétiques. / Inflammatory bowel disease (IBD) includes Crohn disease and ulcerative colitis and affects over 270 000 people in Canada. The origin of IBD is associated with genetic factors, environmental factors and with the perturbation of the intestinal microbiota. Over 200 genomic regions have previously been associated with IBD. Subsequent studies successfully identified the causal gene of some of these regions and the associated cellular mechanisms like autophagy, response to microorganism and cytokine production. However, in most cases, the causal gene of the region have not been identified. The identification of these genes and of the cellular mechanism they are regulating would facilitate the identification of new therapeutic targets to treat IBD and increase the proportion of patients that respond to IBD treatment. My doctoral project is separated in two parts. In the first part, I studied the function of C1ORF106 and its Y333F variant, both associated with IBD, on the intestinal epithelium. We used a C1ORF106 Knock-Down model in Caco-2 cells, in which we decreased C1orf106 expression by 88%. When differentiated, Caco-2 cells form a tight epithelial monolayer ideal for the study of the epithelial barrier. Using this model, we identified the molecular pathways regulated by C1ORF106, including the regulation of junction formation, of the actin cytoskeleton and of cell polarity establishment. We then used epithelial cells derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC) from heterozygous patient for the Y333F variant and from healthy controls carrying the Y333 allele to study the impact of the Y333F variant on these pathways. The second part of my project aimed at identifying which genes located in the genomic region associated with IBD should be prioritized for future causal gene studies, and more specifically, on studies of genes regulating the epithelial barrier. Based on the genomic regions associated with IBD, we determined a list of candidate genes. We then ranked them based on the presence of an IBD-associated variant, on the proximity of the gene from the GWAS SNP, and on the knowledge of an IBD-associated function. We next realized an epithelial ranking based on the expression profiles of these genes and on the impact that the GWAS SNP has on each gene in the region (eQTL). Multiple genes (IRF8, IRF6, GSDMB) that were highly ranked in both of these rankings were associated with the regulation, in other cell types, of the inflammasome pathway, which is activated in response to microbial products. We demonstrated that IRF8 was also implicated in the regulation of the inflammasome in intestinal epithelial cells. Globally, this project identified multiple epithelial pathways associated with IBD like the regulation of cell polarity establishment and of the epithelial inflammasome. Moreover, we identified multiple genes that could be prioritized in future genetic studies.