Novel technologies for genome analysis have provided almost unlimited opportunities to uncover structural gene variants behind human disorders. Whole exome sequencing (WES) is especially useful for understanding rare Mendelian conditions, because it reduces the requirements for a priori clinical data, and can be applied on a small number of patients. However, supporting functional data on the effect of specific gene variants are often required to power these findings. A variety of methods and biological model systems exists for this purpose. Among those, induced pluripotent stem cells (iPSCs), which are capable of self-renewal and differentiation, stand out as an alternative to animal models. In papers I and II we took advantage of WES to identify gene variants underlying autosomal recessive pure hair and nail ectodermal dysplasia (AR PHNED) as well as autosomal dominant familial visceral myopathy (FVM). We identified a homozygous variant c.821T>C (p.Phe274Ser) in the KRT74 gene as the causative mutation in AR PHNED, supported by the fact that Keratin-74 was undetectable in hair follicles of an affected family member. In a family segregating FVM we found a heterozygous tandem base substitution c.806_807delinsAA (p.(Gly269Glu)) in the ACTG2 gene in the affected members. This novel variant is associated with a broad range of visceral symptoms and a variable age of onset. In Paper III we explored the similarity between clonally derived iPSC lines originating from a single parental fibroblast line and we highlighted the necessity to use lines originating from various donors in disease modeling because of biological variation. Paper IV focused on how the genomic integrity of iPSCs is affected by the choice of reprogramming methods. We described several novel cytogenetic rearrangements in iPSCs and we identified a chromosome 5q duplication as a candidate aberration for growth advantage. In summary, this doctoral thesis brings novel findings on unreported disease-causing variants, as supported by extensive genetic analysis and functional data. A novel molecular mechanism behind AR PHNED is presented and the phenotypic spectrum associated with FVM is expanded. In addition, the thesis brings novel understanding of benefits and limitations of the iPSC technology to be considered for disease modeling.

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Mitochondria are responsible for many fundamental biological pathways and metabolic processes, including aerobic ATP production by the mitochondrial respiratory chain. In humans, mitochondrial dysfunction can lead to severe disorders of energy metabolism, which are collectively referred to as mitochondrial disorders and affect approximately 1:5,000 individuals. These disorders are clinically heterogeneous and can affect multiple organ systems, often within a single individual. Symptoms can include myopathy, exercise intolerance, hearing loss, blindness, stroke, seizures, diabetes, and GI dysmotility. Mutations in over 150 genes in the mitochondrial DNA (mtDNA) and nuclear genome are known to cause mitochondrial diseases and an additional ~1,000 nuclear-encoded mitochondrial proteins have the potential to underlie mitochondrial disorders but have not yet been linked to human disease. As a result, determining a molecular diagnosis for patients with suspected mitochondrial disorders remains a challenge.

La déficience intellectuelle (DI) correspond à un défaut des performances intellectuelles et des fonctions adaptatives, débutant dans l’enfance. Il est estimé que 2-3% des individus développeront une DI, ce qui représente un enjeu médical important puisque les personnes avec DI sont fréquemment en situation de dépendance sociale. Dans l’ensemble, on estime majoritaire l’implication de facteurs génétique dans cette pathologie. A ce jour, plusieurs centaines de gènes sont connus pour être responsables de DI. La DI est notamment caractérisée par une extrême hétérogénéité clinique et génétique, qui l’a rendue résistante aux études génétiques classiques. Toutefois, on différencie les DI syndromiques, qui peuvent être cliniquement reconnaissables en raison des anomalies du développement qui lui est associées ; des DI isolées, sans signe distinctif.L’objectif de cette thèse est d’identifier des bases moléculaires de DI par la combinaison de deux approches. La première repose sur l’application systématique d’une recherche de microréarrangements chromosomiques par CGH-array dans un groupe de patients avec DI pour constituer a posteriori des groupes de patients homogènes. La seconde est basée sur une cohorte de patients avec DI syndromique homogène, porteurs d’un syndrome de Shprintzen-Goldberg de diagnostic clinique, étudiée par séquençage haut débit d’exome. Cette thèse définit de nouvelles entités cliniques par l’identification de variations génétiques récurrentes entre plusieurs patients comprenant la description de deux syndromes microdélétionnels, et de deux gènes candidats à la DI. De plus, nous avons pu identifier la base moléculaire du syndrome de Shprintzen-Goldberg par la mise en évidence d’un hotspot mutationnel du gène SKI. / Intellectual disability (ID) corresponds to abnormal intellectual performances and adaptive functions, beginning in childhood. It is estimated that 2-3% of individuals develop a ID, which represents a significant medical challenge since people with ID are frequently in situations of social dependence. Overall, a critical involvement of genetic factors in this disease is suspected. To date, several hundreds of genes are known to be responsible for ID. The ID is particularly characterized by extreme clinical and genetic heterogeneity, that made it resistant to conventional genetic studies. However, it is classicaly separated between syndromic ID, which may be clinically recognizable due to associated congenital anomalies; isolated ID, without disctinctive features.The objective of this thesis was to identify the molecular basis of ID by combining both approaches. The first is based on the systematic identification of chromosomal microrearrangements using array-CGH in a group of patients with ID, to constitute a posteriori homogeneous cohorts. The second is based on a cohort of patients with a clinical diagnosis of Shprintzen-Goldberg syndrome studied by high throughput sequencing.This thesis defines new clinical entities by identifying recurrent genetic variations between different patients including the description of two microdeletionnal syndromes, and two candidate genes to the ID. In addition, we identified the molecular basis for the Shprintzen-Goldberg syndrome by highlighting a mutational hotspot in the SKI gene.

L’asplénie ou l’absence de la rate peut être congénitale, c’est- à -dire absente dès la naissance, ou bien acquise, par exemple lors d’une opération après un accident. L’asplénie congénitale est le plus souvent associée à d’autres problèmes développementaux. En particulier l’asplénie congénitale est associée à des problèmes de développement du cœur, dans le cadre des syndromes d’hétérotaxie. Ces syndromes d’hétérotaxie sont caractérisés par des problèmes de latéralité droite-gauche. Ainsi une personne ayant deux parties ‘droites’ n’aura pas de rate. A contrario, l’asplénie congénitale isolée est caractérisée par l’absence de rate et aucune autre malformation. L’asplénie congénitale isolée est une maladie très rare. Nous avons estimé la fréquence de la maladie à un cas pour un million de naissances. C’est aussi une maladie extrêmement mortelle. La grande majorité des patients ayant une asplénie congénitale isolée souffrent d’infections bactériennes sévères lors de l’enfance et la moitie des cas reportés sont décédés dus à une infection bactérienne, le plus souvent du à une infection par Streptococcus pneumoniae. Malgré la sévérité de cette maladie, celle-ci reste très peu connue et très peu étudiée. Ainsi le diagnostique est souvent trop tardif. Parmi les quelques dizaines de cas décrits dans la littérature, la moitié sont des cas familiaux avec plusieurs membres de la même famille affectée. Le mode de transmission semble être autosomique dominant dans la majorité des cas. En outre aucune preuve n’existe concernant un facteur environnemental pour cette maladie. Enfin des travaux récents ont montrés que l’absence de pancréas chez l’homme était une maladie génétique, et due à des mutations dans le gène GATA6 chez la moitié des patients. L’objectif de cette thèse est donc de déterminer l’origine génétique de l’asplénie congénitale isolée chez l’homme. J’ai fait l’hypothèse que l’asplénie congénitale isolée chez l’homme est due à des mutations mendéliennes dans un gène important pour le développement de la rate. Afin de tester notre hypothèse nous avons recruté des patients à travers des collaborations avec des médecins étrangers ainsi qu’un partenariat avec toutes les unités pédiatriques de France. Nous avons finalement pu recruter 37 patients appartenant à 24 familles différentes. La littérature sur le développement de la rate chez la souris et encore plus sur l’homme étant minimale, il était difficile d’identifier de bons gènes candidats pour être responsables de l’asplénie. Nous avons donc opté pour une stratégie portant sur le génome entier, sans biais lier a la littérature. La stratégie était d’utiliser le séquençage de l’exome de tous les patients. Le séquençage de l’exome est en fait le séquençage de tous les exons du génome, ou au moins 90% des exons du génome. La technique du séquençage de l’exome est arrivée à la fin de l’année 2009 et nous avons été un des premiers laboratoires à l’utiliser. Il fallait donc que nous l’essayons en premier sur un cas facile afin de vérifier que cette technique fonctionnait. Nous avons donc fait une étude préliminaire sur un cas ‘facile’. Par cas facile, il faut comprendre un cas où la probabilité que ce soit une mutation mendélienne dans un gène qui soit responsable de la maladie soit la plus forte possible, et où le nombre de gènes à regarder soit le plus faible possible. Un cas ‘facile’ est donc le cas d’une famille avec de nombreux patients, et de surcroit une famille consanguine. Dans le cas d’une famille consanguine la probabilité que ce soit une mutation récessive qui soit responsable de la maladie génétique est très importante. On peut alors se restreindre à analyser les régions du génome ou toutes les variations sont homozygotes. Nous avions une famille dans ce cas. Il y avait 4 patients dans cette famille souffrant d’infections bactériennes sévères dues à une asplenie fonctionnelle, ainsi que d’infections virales / Isolated congenital asplenia (ICA) is a rare primary immunodeficiency, first described in 1956, thattypically manifests in childhood with sudden, life-threatening, invasive bacterial disease. Patients withICA do not display any other overt developmental anomalies. The genetic etiology of ICA has remainedelusive. I hypothesized that ICA results from single-gene inborn errors of spleen development. I aimedto decipher the molecular genetic basis of ICA by pursuing a genome-wide approach, based on thesequencing of the whole-exome and the detection of copy number variations in all patients of ourcohort. I found that heterozygous mutations in RPSA, ribosomal protein SA, were present in more thanhalf of ICA patients (19/33). I then showed that haploinsufficiency of RPSA led to ICA in one kindredat least. RPSA is a protein involved in pre-rRNA processing and is an integral part of the ribosome. Thechallenge is, now, to understand the pathogenesis of the disease. How does a mutation in a ubiquitousand highly expressed gene lead to a spleen specific phenotype? This discovery will set the basis for abroader understanding of the development of the spleen in humans and the function of a ribosomalprotein. This discovery will also be beneficial to the families of patients with ICA, guiding geneticcounseling. It will lead to prevention of infections in newborns with mutations in RPSA. Finally themethod we used to analyze the exomes of the ICA cohort will be useful to discover the genetic etiologyof other genetic diseases.