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Des anomalies biochimiques de la voie sérotonine-N-acétylsérotonine-mélatonine ont été observées dans les Troubles du Spectre Autistique (TSA) et la prématurité. Cependant, les mécanismes moléculaires de régulation de cette voie et les causes des anomalies biochimiques observées dans ces maladies sont encore mal connus. Afin de mieux comprendre les bases génétiques de la voie sérotonine-N-acétylsérotonine-mélatonine, nous avons utilisé une approche de génétique quantitative au travers de deux populations d’étude indépendantes, dans lesquelles des paramètres de cette voie ont été mesurés. Ces deux cohortes, composées d’une part de plus de 250 familles avec autisme et plus de 300 témoins et d’autre part, de 183 nouveau-nés dont 93 nés très prématurés, incluent ainsi des individus présentant deux situations pathologiques différentes associées à des anomalies de cette voie. Une première étude de la voie sérotonine-N-acétylsérotonine-mélatonine dans les familles avec TSA a permis d’obtenir des estimations de l’héritabilité au sens strict, allant de 0,22 pour la mélatonine à 0,72 pour la N-acétylsérotonine (NAS). Des études d’association portant dans un premier temps sur une liste de 812 gènes candidats pour la régulation de la voie sérotonine-NAS-mélatonine et dans un second temps sur tout le génome, n’ont pas permis d’identifier des variants significativement associés aux traits biochimiques. Cependant, des études d’association par gènes ont permis d’identifier trois nouveaux gènes candidats (IL21R, JMJD7 et MAPKBP1) pour la régulation de cette voie dans les familles avec TSA ainsi qu’un nouveau gène (RAET1G) dans la cohorte de nouveau-nés prématurés et témoins. Enfin une étude biochimique des phénol-sulfotransférases (PST) dans les familles avec TSA a mis en évidence une faible activité enzymatique chez 29% des patients en comparaison avec les témoins (5ème percentile). Le séquençage et le génotypage du nombre de copies des gènes de la famille SULT1A1 n’ont pas permis d’identifier des variations génétiques associées aux TSA, à l’activité PST, ou aux taux de sérotonine et de mélatonine. En conclusion, ces résultats confirment la complexité de l’architecture génétique de la voie sérotonine-NAS-mélatonine. D’autre part, ils ont permis de mettre en évidence une héritabilité élevée de cette voie et d’identifier de nouveaux gènes candidats pour comprendre la diversité inter-individuelle de cette voie chez les personnes avec TSA, les enfants prématurés et la population générale. / Biochemical abnormalities of the serotonin-N-acetylserotonin-melatonin pathway have been reported in many clinical conditions such as Autism Spectrum Disorders and preterm birth. However, molecular mechanisms underlying this pathway regulation, as well as the causes of these biochemical abnormalities remain largely unknown. The aim of this study was thus to characterize the genetic basis of the serotonin-N-acetylserotonin-melatonin pathway. To do so, we used a quantitative genetic approach in two independent populations that were previously biochemically explored for this pathway. One cohort consisted of more than 250 families with ASD and more than 300 controls and the other was composed of 183 infants including 93 very preterm newborns. Both cohorts included individuals with clinical conditions associated with disruptions of the serotonin-N-acetylserotonin-melatonin pathway. Narrow sense heritability analysis of this pathway showed relatively high estimates, ranging from 0.22 for melatonin to 0.72 for N-acetyserotonin (NAS). First, candidate-gene association studies including 812 genes related to the serotonin-NAS-melatonin pathway, then genome-wide association studies were conducted. These analyses did not identify any variant associated at the genome-wide significance level. However, a gene-based approach identified three new candidate genes (IL21R, JMJD7 and MAPKBP1) for the regulation of the pathway in families with ASD as well as one gene (RAET1G) in the cohort of preterm and term newborns. Finally, a biochemical exploration of the phenol-sulfotransferases (PST) in families with ASD revealed a decreased enzyme activity in 29% of patients compared with controls (5th percentile). SULT1A1-4 genes were then sequenced and copy number variants (CNV) were genotyped. No genetic variant could be significantly associated with PST activity, melatonin and serotonin levels, or ASD status. In conclusion, these results confirm the complexity of serotonin-NAS-melatonin pathway genetic architecture. Furthermore, this study revealed high heritability of this pathway and identified new candidate genes to understand the inter-individual variability of this pathway in ASD, preterm birth and the general population.

The Brisbane Longitudinal Twin Study (BLTS) was being conducted in Australia and was funded by the US National Institute on Drug Abuse (NIDA). Adolescent twins were sampled as a part of this study and surveyed about their substance use as part of the Pathways to Cannabis Use, Abuse and Dependence project. The methods developed in this dissertation were designed for the purpose of analyzing a subset of the Pathways data that includes demographics, cannabis use metrics, personality measures, and imputed genotypes (SNPs) for 493 complete twin pairs (986 subjects.) The primary goal was to determine what combination of SNPs and additional covariates may predict cannabis use, measured on an ordinal scale as: “never tried,” “used moderately,” or “used frequently”. To conduct this analysis, we extended the ordinal Generalized Monotone Incremental Forward Stagewise (GMIFS) method for mixed models. This extension includes allowance for a unpenalized set of covariates to be coerced into the model as well as flexibility for user-specified correlation patterns between twins in a family. The proposed methods are applicable to high-dimensional (genomic or otherwise) data with ordinal response and specific, known covariance structure within clusters.

Les études d'associations en génome entier ("GWAS") ont récemment permis la découverte de nombreux polymorphismes génétiques impliqués dans la susceptibilité aux maladies multifactorielles. Cependant, ces polymorphismes n'expliquent qu'une faible part de l'héritabilité génétique de ces maladies, nous poussant ainsi à explorer de nouvelles pistes de recherche. Une des hypothèses envisagées serait qu'une partie de cette héritabilité manquante fasse intervenir des phénomènes d'interactions entre polymorphismes génétiques. L'objectif de cette thèse est d'explorer cette hypothèse en adoptant une stratégie de recherche d'interactions basée sur des critères statistiques et biologiques à partir de données issues de différentes études "GWAS". Ainsi, en utilisant différentes méthodes statistiques, nous avons commencé par rechercher des interactions entre polymorphismes qui pourraient influencer le risque de thrombose veineuse. Cette recherche n'a malheureusement pas abouti à l'identification de résultats robustes vis à vis du problème des tests multiples. Dans un deuxième temps, à partir d'hypothèses "plus biologiques", nous avons tenté de mettre en évidence des interactions entre polymorphismes impliqués dans les mécanismes de régulation de l'expression génique associés aux microARNs. Nous avons pu ainsi montrer de manière robuste dans deux populations indépendantes qu'un polymorphisme au sein de la séquence du microARN hsa-mir-219-1 interagissait avec un polymorphisme du gène HLA-DPB1 pour en moduler l'expression monocytaire. Nous avons également montré que l'expression monocytaire du gène H1F0 était influencée par un phénomène d'interaction impliquant un polymorphisme du microARN hsa-mir-659. En apportant sa propre contribution à l'engouement récent que suscite la recherche d'interactions entre polymorphismes dans les maladies dites complexes, ce travail de thèse illustre clairement la difficulté d'une telle tâche et l'importance de réfléchir à de nouvelles stratégies de recherches.

Abstract Low back pain (LBP) is a highly prevalent musculoskeletal condition and the leading cause for workplace absenteeism. Lumbar disc degeneration (DD) is considered as a contributing factor to LBP. The role of genetic factors in the development of lumbar DD has been demonstrated to be significant, with heritability estimates ranging from 64% to 81%. Modic change (MC), a distinct phenotype of lumbar DD, is a subchondral and vertebral bone marrow change revealed only by magnetic resonance imaging (MRI). MC has been associated with LBP in both clinical samples and the general population. The genetic background of MC is largely unknown, and the heritability of MC has not previously been assessed. The aim of this study was to assess the heritability of MC using a twin study, identify predisposing genetic factors for MC in a family-based design using whole-exome sequencing and to identify genetic loci associated with MC using genome-wide association study (GWAS) meta-analysis. An additional aim was to study the prevalence, incidence and morphology of MC. The data consisted of two general population samples, the Northern Finland Birth Cohort 1966 (NFBC1966) and TwinsUK from the United Kingdom, as well as two Finnish families from the Oulu region. MC was found to be partly heritable with a heritability estimate of 30%. Two novel candidate genes, HSPG2 and MAML1, were found co-segregating with MC in two Finnish families. Both genes are important in the growth and differentiation of chondrocytes. Finally, a genetic locus on chromosome 9 was found to be significantly associated with MC using genome-wide meta-analysis of NFBC1966 and TwinsUK. These results showed that genetic factors play a role in the development of MC. In conclusion, this thesis increased the knowledge on the genetics of MC. However, the specific roles of these genes need to be studied further. / Tiivistelmä Alaselkäkivun kansaterveydellinen merkitys on suuri, sillä jopa 84% aikuisista kärsii siitä elämänsä aikana. Selkäkivun vuoksi Suomessa kertyy yli 2 miljoona sairauslomapäivää vuodessa. Välilevyrappeumaa pidetään merkittävänä tekijänä alaselkäkivun synnyssä ja perinnölliset tekijät selittävät välilevyrappeuman synnystä jopa 74%. Modic-muutokset ovat selkärangan välilevyjen päätelevyjen ja subkondraalisen luun muutoksia, jotka voidaan havaita ainoastaan magneettikuvauksella. Niitä pidetään välilevyrappeuman alatyyppinä. Modic-muutosten on osoitettu olevan yhteydessä alaselkäkipuun, mutta etiologia tunnetaan huonosti. Perinnöllisyyden osuutta Modic-muutoksien synnyssä ei ole aiemmin tutkittu ja niiden taustalla vaikuttavat geneettiset tekijät ovat pääasiassa tuntemattomia. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida perinnöllisyyden osuutta Modic-muutoksissa kaksoisaineistossa, tunnistaa Modic-muutoksille altistavia geneettisiä muutoksia perheaineistossa käyttäen eksomisekvensointia ja tunnistaa genomin alueita, jotka assosioituvat Modic-muutoksiin. Tutkimus perustui kahteen väestöperäiseen aineistoon: Pohjois-Suomen Syntymäkohorttiin 1966 ja TwinsUK-kaksosaineistoon Yhdistyneistä kuningaskunnista sekä kahteen pohjois-suomalaiseen perheeseen. Tutkimuksessa osoitettiin, että Modic-muutokset ovat perinnöllisiä ja, että perinnölliset tekijät selittävät noin 30% niiden ilmenemisestä. Lisäksi tutkimuksessa tunnistettiin kaksi uutta alttiusgeeniä; HSPG2- ja MAML1-geenit. Molemmilla geeneillä on tärkeä rooli rustosolujen kasvamisessa ja erilaistumisessa. Tutkimuksessa myös tunnistettiin kromosomista 9 genomin alue, joka assosioituu Modic-muutoksiin. Väitöskirjassani osoitettiin, että perinnöllisillä tekijöillä on merkitystä Modic-muutosten synnyssä. Kokonaisuudessaan tämä väitöskirja kasvattaa ymmärrystä Modic-muutoksista, mutta lisätutkimusta aiheesta tarvitaan.

Statistical heterogeneity refers to differences among results of studies combined in a meta-analysis beyond that expected by chance. On the one hand, excessive heterogeneity can diminish power to discover genetic signals; on the other, moderate heterogeneity can reveal important biological differences among studies. Given its double-edged nature, this thesis dissects heterogeneity in genetic association meta-analyses from three vantage points. First, a novel multi-variant statistic, M is proposed to detect genome-wide (systematic) heterogeneity patterns in genetic association meta-analyses. This was motivated by the limited availability of appropriate methodology to measure the impact of heterogeneity across genetic signals, since traditional metrics (Q, I² and T²) measure heterogeneity at individual variants. Second, given that meta-analyses comprising small numbers of studies typically report imprecise summary effect estimates; GWAS-derived empirical heterogeneity priors are used to improve precision in estimation of average genetic effects and heterogeneity in smaller meta-analyses (e.g. ≤ 10 studies). Third, a critical evaluation of the Han-Eskin random-effects model shows how it can identify small effect heterogeneous loci overlooked by traditional fixed and random-effects methods. This work draws attention to the existence of genome-wide heterogeneity patterns, to reveal systematic differences among the ascertainment criteria of participating studies in a meta-analysis of coronary disease (CAD) risk. Furthermore, simulation studies with the Han-Eskin random-effects model revealed inflated genetic signals at small effect loci when heterogeneity levels were high. However, it did reveal an additional CAD risk variant overlooked by traditional meta-analysis methods. We therefore recommend a holistic approach to exploring heterogeneity in meta-analyses which assesses heterogeneity of genetic effects both at individual variants with traditional statistics and across multiple genetic signals with the M statistic. Furthermore, it is critically important to review forest plots for small effect loci identified using the Han-Eskin random-effects model amidst moderate-to-high heterogeneity (I² ≥ 40%).

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Les études d'association à grande échelle consistent à étudier la corrélation de plusieurs millions de polymorphismes nucléotidiques avec un risque de cancer chez des milliers d'individus, sans avoir besoin de connaissances préalables sur la fonction biologique de ces variants. Ces études ont été utiles pour établir des hypothèses étiologiques et comprendre l'architecture génétique sous-jacente de plusieurs maladies humaines. Cependant, la plupart des facteurs héréditaires de ces maladies restent inexpliqués. Une partie de cette variation pourrait venir de variants rares qui ne sont pas ciblés par les puces de génotypage actuelles ou encore de variants avec un effet plus modéré voire faible pour lesquels une détection par les études d'association actuelles n'est pas envisageable. Dans ce contexte et comme illustré dans cette thèse, les récentes études d'association peuvent maintenant servir de point de départ pour de nouvelles découvertes, en mettant en place des stratégies innovantes pour étudier à la fois les variants rares et les maladies rares. Nous avons plus particulièrement exploré ces techniques dans le cadre du cancer du poumon, des voies aérodigestives et du lymphome de Hodgkins. L'utilisation de la bioinformatique pour combiner les résultats des études avec d'autres sources d'information, l'intégration de différents types de données génomiques ainsi que l'investigation de la relation entre altérations germinales et somatiques représentent les principales opportunités poursuivies dans ce travail de thèse / Genome-wide association (GWA) studies consist in testing up to one million (or more) single nucleotide polymorphisms (SNPs) for their association with cancer risk in thousands of individuals, without requiring any prior knowledge on the functional significance of these variants. These studies have been valuable for establishing etiological hypotheses and understanding the underlying genetic architecture of human diseases. However, most of the heritable factors of these traits remain unexplained. Part of this variation may come from rarer variants that are not targeted by current genotyping arrays or variants with moderate to low effects for which detection by current GWA studies is impractical. In this context and as illustrated in this thesis, GWA studies can now serve as starting points towards further discoveries, looking for new strategies to study both rarer variants and rarer diseases. We have specifically explored these approaches in the context of lung cancer, head and neck cancer and Hodgkin's lymphoma. The use of bioinformatics to combine recent GWA study results with other sources of information, the integration of different types of genomic data as well as the investigation of the interrelationship between germline and somatic alterations represent the main opportunities pursued in this thesis work

Sexual conflicts arise when there is a difference in how females and males of a species or population achieve their maximum reproductive fitness. In intralocus sexual conflicts, alleles at a given locus are exposed to conflicting, or antagonistic, selection pressures. Based on a Genome-wide association study on sexually antagonistic genes in Drosophila melanogaster (fruit flies), the aim of this study was to investigate whether the candidate gene CG3598 exhibits sexually antagonistic effects on fitness between the 2 identified alleles of the gene. The study was performed on females from a Canton-S population of D. melanogaster who, by genetic manipulation through CRISPR Cas9, carried one of the 2 alleles of the CG3598. 6 excision lines of females had allele 1 and 5 excision lines had allele 2. The females were mated with "wild type" males from a Canton-S population in mediums prepared with about 6 mg of live dry yeast, after which the females were moved to separate mediums to lay their eggs. After 12 days, the adult offspring were counted and statistical calculations were performed on the average number of offspring per female for each line and allele. An Independent sample t-test showed that the females’ average fecundity did not differ between alleles (p = 0.059) and a Nested ANOVA analysis indicated that the average fecundity for each line within each allele differed (p = 0.023). Due to the fact that similar studies have found the same result, it may be necessary to investigate and possibly change the experimental design of the method to enable competition between females with different genetic conditions in order to observe a difference in fertility based on the females' ability to compete. / Sexuella konflikter uppstår när det finns en skillnad i hur honor och hanar i en art eller population uppnår sin maximala reproduktiva fitness. Vid intralocus sexuella konflikter utsätts alleler vid ett givet locus för motstridiga, eller antagonistiska, selektionstryck. Baserat på en Genome-wide association study om sexuellt antagonistiska gener hos Drosophila melanogaster (bananflugor) syftade denna studie till att undersöka huruvida genkandidaten CG3598 uppvisar sexuellt antagonistiska effekter på fitness mellan de 2 identifierade allelerna av genen. Undersökningen utfördes på honor från en CantonS-population av D. melanogaster som genom genmodifiering av CRISPR Cas9 bar en av de olika alleler av genen CG3598. 6 linjer av honor bar allel 1 och 5 linjer bar allel 2. Honorna parades med ”wild type”-hanar från en CantonS-population i rör preparerade med ca 6 mg levande torrjäst, varpå honorna förflyttades till separata rör för att lägga sina ägg. Efter 12 dagar räknades de vuxna avkommorna och statistiska beräkningar utfördes på det genomsnittliga antalet avkommor per hona för respektive linje och allel. Ett oberoende t-test visade att honornas genomsnittliga fekunditet inte skiljde sig mellan alleler (p=0,059) och en Nested ANOVA-analys indikerade att genomsnittlig fekunditet för varje linje inom respektive allel skiljde sig (p=0,023). Då även liknande studier funnit samma resultat kan det vara nödvändig att studera och eventuellt förändra den experimentella designen av metoden för att möjliggöra konkurrens mellan honor med olika genetiska förutsättningar för att kunna observera en skillnad i fekunditet baserat på honornas förmåga att konkurrera.

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