Congenital Hypothyroidism (CH) is the most common endocrine disorder, affecting one out of 2000-4000 newborns. Most CH are due to a defect in thyroid embryonic development and they can lead to severe phenotypes if not treated correctly. Multiple observations argue in favor of a genetic cause in a minority of thyroid dysgenesis, but to date, only few cases could be explained by a mutation in one of the genes coding for the factors known to be important in thyroid development and/or function (NKX2-1, PAX8, FOXE1, TSHR). This is the reason why it was important to develop new models allowing the discovery of new genes/mechanisms potentially implicated in the gland organogenesis. To that purpose, we set up in the laboratory a structure enabling the use of zebrafish as an animal model. The latter is indeed more and more used by developmental biologists, including by scientists interested in thyroid development.<p><p>The first step of our project consisted in a deeper characterization of the model, notably by the study of the expression patterns of the thyroid functional differentiation markers. Furthermore, the exact role of the Tsh/Tshr signaling – main regulator of thyroid growth and function in mammals – was dissected. In a second part of the project, we generated a stable transgenic line (tg(tg:mCherry)) allowing the visualization of thyroid development in living embryos and in a dynamic manner, thanks to real-time imaging techniques. On the one hand, this tool enabled us to better understand the morphological aspect of the different stages of thyroid development, such as the budding, evagination, relocalization or folliculogenesis. On the other hand, the use of double transgenic fishes obtained by crossing tg(tg:mCherry) with other lines expressing GFP in surrounding structures of interest, allowed us to highlight the contacts between the cardiovascular system and thyroid, and this along the whole gland development. The introduction of this model within the laboratory paves the way for the discovery and the study of thyroid intrinsic and extrinsic genes/mechanisms which might play a role on its development.<p><p>L’hypothyroïdie congénitale (HC) est une maladie relativement fréquente, touchant un nouveau-né sur 2000-4000. La majorité des HC sont dues à un défaut dans le développement embryonnaire de la glande, et peuvent mener à des phénotypes sévères si elles ne sont pas correctement traitées. Il existe plusieurs arguments en faveur d’une cause génétique dans une minorité de ces dysgénésies thyroïdiennes mais, à ce jour, seuls quelques cas ont pu être reliés à une mutation dans un des gènes codant pour des facteurs connus pour être importants dans le développement/la fonction de la glande (NKX2-1, PAX8, FOXE1, TSHR). C’est pour cette raison qu’il est important de développer de nouveaux modèles pouvant permettre la découverte de nouveaux gènes/mécanismes potentiellement impliqués dans l’organogénèse de la glande. A cette fin, nous avons mis en place au sein du laboratoire une structure permettant l’utilisation du poisson-zèbre comme modèle animal. Ce dernier est en effet de plus en plus utilisé par les biologistes du développement, y compris par les scientifiques qui s’intéressent au développement thyroïdien.<p><p>La première étape de notre travail a consisté en une caractérisation approfondie du modèle, notamment par l’étude du réseau d’expression des marqueurs de différenciation fonctionnelle de la glande. En outre, le rôle exact de la signalisation par la TSH – principal régulateur de la croissance et de la fonction de la thyroïde des mammifères – a été étudié. Dans la deuxième partie du projet, nous avons généré une ligne transgénique stable (tg(tg:mCherry)) permettant la visualisation du développement thyroïdien dans des embryons vivants et ce, de manière dynamique, grâce au principe d’imagerie en temps réel. D’une part, cet outil nous a permis de mieux comprendre l’aspect morphologique des différentes étapes du développement thyroïdien, telles que la formation du bourgeon, l’invagination, la relocalisation ou la folliculogénèse. D’autre part, l’utilisation de poissons doublement transgéniques obtenus par le croisement de tg(tg:mCherry) avec d’autres lignées où les structures environnantes d’intérêt expriment la GFP nous a permis de mettre en avant les contacts entre le système cardiovasculaire et la thyroïde, et ce, tout au long de son développement. La mise en place de ce modèle au sein de notre laboratoire ouvre la voie à la découverte et à l’étude de mécanismes/gènes extrinsèques à la thyroïde mais pouvant jouer un rôle sur son développement. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’hypothyroïdie congénitale (HC) est une maladie relativement fréquente, touchant un nouveau-né sur 3000-4000, et dont la majorité des cas sont causés par un défaut dans le développement embryonnaire de la glande. Il existe plusieurs arguments en faveur d’une cause génétique dans une minorité de ces dysgénésies thyroïdiennes mais, à ce jour, seuls quelques cas ont put être reliés à une mutation dans l’un ou l’autre de trois gènes codant pour des facteurs de transcription impliqués dans le développement de la thyroïde (TITF1, PAX8 et FOXE1).<p>Au cours de notre travail de thèse, nous avons caractérisé la 6ème mutation du gène PAX8 à l’état hétérozygote, dans un cas familial d’HC. Nous avons étudié l’impact fonctionnel de cette altération qui entraîne une perte de liaison de la protéine mutée à une séquence cible spécifique, ainsi qu’une diminution drastique de la synergie de transactivation en association avec Titf1. Le phénotype des patients est également intéressant à plus d’un titre. En effet, nous avons pu observer que les mutations de PAX8 sont compatibles avec le développement d’une thyroïde en place et de taille normale à la naissance, pouvant conduire à un diagnostic erroné de dyshormonogenèse. De plus, un des trois patients présente un phénotype rénal qu’il est tentant de relier à la mutation de PAX8 étant donné que ce gène est exprimé durant le développement de cet organe, tout comme dans la thyroïde.<p>Notre travail a également consisté en l’élaboration d’une librairie SAGE du bourgeon thyroïdien en développement, afin de rechercher de nouveaux gènes candidats impliqués dans le développement de la glande thyroïde. Grâce à une technique d’amplification d’ARN, nous avons obtenu une librairie d’environ 94.000 étiquettes à partir de bourgeons thyroïdiens provenant d’embryons de souris au 11ème jour de développement. Cette librairie nous a permis d’identifier une nouvelle isoforme du transcrit de Titf1 modifiant l’extrémité 3’-non codante du messager, ainsi qu’un gène de fonction inconnue mais dont le profil d’expression ainsi que sa grande conservation au cours de l’évolution laissent suggérer un rôle important, tant dans les tissus embryonnaires que dans les tissus adultes.<p>Ces deux découvertes valident le caractère prédictif de notre librairie qui constitue un outil de choix pour l’identification de nouveaux gènes de développement thyroïdien et donc de nouveaux candidats pour l’étude des mécanismes étiopathogéniques à la base des dysgénésies thyroïdiennes.<p>/<p>Congenital hypothyroidism (CH) is a relatively frequent disease affecting 1 every 3000-4000 newborns. The majority of CH cases are caused by a defect in the embryonic development of the gland. There exists several arguments in favor of a genetic cause for a minority of these thyroid dysgeneses but, to this day, only a few cases have been related to a mutation in one of three genes coding for transcription factors implicated in thyroid development (TITF1, PAX8 and FOXE1).<p>In the course of this work, we have caracterized the 6th mutation of the PAX8 gene, in the heterozygous state, in a familial case of CH. We have studied the functional impact of this modification which leads to a loss of the protein’s DNA-binding properties and to a severe reduction in the transactivation synergy in association with Titf1. The phenotype of the patients presents also interesting features. Indeed we have observed that the PAX8 mutations are compatible with the development of an in-place, normal-sized thyroid at birth, which could lead to an erroneous diagnostic of dyshormonogenesis. Moreover, one of the three patients presents with a renal phenotype (unilateral kidney agenesis) which is tempting to relate to the PAX8 mutation, given this gene is expressed during kidney development.<p>Our work also consisted in the generation of an embryonic thyroid bud SAGE library, which we used to search for new candidate genes implicated in thyroid development. With the help of a RNA amplification technique, we obtained a library of roughly 94.000 tags starting from mous thyroid buds at E11. This library allowed us to identify a new Titf1 splicing variant modifying the 3’-UTR of the transcript, and a gene of unknown function. The latter’s expression profile and high conservation throughout evolution suggest a crucial role in embryonic as well as adult tissues.<p>These two findings validate the predictive character of our library which constitutes a powerful tool to identify new thyroid developmental genes and new candidate genes for the study of the etiopathogenic mecanisms responsible for CH.<p><p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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.

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.