The evolutionary origin and the phylogeny of higher metazoan taxa is still under debate although considerable progress has been made in the past 20 years. Metazoa represents a monophyletic group of highly diverse animals including Bilateria, Cnidaria, Porifera, Ctenophores, and Placozoa. Bilateria comprises the majority of metazoans and consists of three major clades: Deuterostomia, Spiralia (= Lophotrochozoa sensu lato), and Ecdysozoa, whereas the sister group taxa Spiralia and Ecdyzozoa form the monophyletic clade Protostomia. Molecular data have profoundly changed the view of the bilaterian tree of life. One of the main questions concerning bilaterian phylogeny is the on-going debate about the evolution of complexity in Bilateria. It was assumed that the last common ancestor of Deuterostomia, Ecdysozoa and Spiralia had a segmented and coelomate body organization resembling that of an annelid. On the contrary, the traditional view is the evolution of Bilateria from a simple body organization towards more complex forms, assuming that the last common ancestor of Bilateria resembles a platyhelminth-like animal without coelomic cavities and segmentation. To resolve this question, it is necessary to unravel the phylogenetic relationships within Bilateria. By using mitogenomic and phylogenomic data, this thesis had a major contribution to clarify phylogenetic relationships within problematic metazoan taxa: (1) the phylogeny of Deuterostomia, (2) the questionable monophyly of Platyzoa, and first assumptions concerning the phylogeny of Gnathostomulida, Gastrotricha and Polycladida, (3) phylogenetic relationships within annelid taxa, especially Terebelliformia, Diurodrilidae, and Syllidae, with new insights into the evolution of mitochondrial gene order, and (4) new insights into the evolution of annelids, especially the interstitial ones, as well as the colonization of the interstitial realm.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Reliable detection of low-frequency single nucleotide variants (SNVs) carries great significance in many applications. In cancer genetics, the frequencies of somatic variants from tumor biopsies tend to be low due to contamination with normal tissue and tumor heterogeneity. Circulating tumor DNA monitoring also faces the challenge of detecting low-frequency variants due to the small percentage of tumor DNA in blood. Moreover, in population genetics, although pooled sequencing is cost-effective compared with individual sequencing, pooling dilutes the signals of variants from any individual. Detection of low frequency variants is difficult and can be cofounded by multiple sources of errors, especially next-generation sequencing artifacts. Existing methods are limited in sensitivity and mainly focus on frequencies around 5%; most fail to consider differential, context-specific sequencing artifacts. To face this challenge, we developed a computational and experimental framework, RareVar, to reliably identify low-frequency SNVs from high-throughput sequencing data. For optimized performance, RareVar utilized a supervised learning framework to model artifacts originated from different components of a specific sequencing pipeline. This is enabled by a customized, comprehensive benchmark data enriched with known low-frequency SNVs from the sequencing pipeline of interest. Genomic-context-specific sequencing error model was trained on the benchmark data to characterize the systematic sequencing artifacts, to derive the position-specific detection limit for sensitive low-frequency SNV detection. Further, a machine-learning algorithm utilized sequencing quality features to refine SNV candidates for higher specificity. RareVar outperformed existing approaches, especially at 0.5% to 5% frequency. We further explored the influence of statistical modeling on position specific error modeling and showed zero-inflated negative binomial as the best-performed statistical distribution. When replicating analyses on an Illumina MiSeq benchmark dataset, our method seamlessly adapted to technologies with different biochemistries. RareVar enables sensitive detection of low-frequency SNVs across different sequencing platforms and will facilitate research and clinical applications such as pooled sequencing, cancer early detection, prognostic assessment, metastatic monitoring, and relapses or acquired resistance identification.

Development of nanochemical tools targeting receptors in the tumor microenvironment Targeting the receptors in the tumor microenvironment is crucial for the future development of targeted therapies, precision medicine and immunotherapy of cancer. The options available now are, however, limited by the availability of specific ligands. The advances in the field strongly rely on the use of antibodies and genetic modifications of immune cells. Availability of small molecules targeting the receptors of interest would allow further development of alternative strategies as well as deepen our understanding of the underlying mechanisms of cancer development, progression and clearance. In the search for new small-molecule ligands and their use for receptor targeting, the prostate-specific membrane antigen (PSMA) and the immune receptors CD3 and CD64 were selected as model targets. The selected method - the phage display of bicyclic peptides - utilizes chemical modification of the displayed three-cysteine peptides to achieve their cyclization and formation of bicycles. The panning of a peptide library displayed on the phages and probed with PSMA revealed a reproducibly-selected amino acid sequence. Interestingly, the phage clone carrying this sequence was a specific binder of PSMA, but the synthesized peptide alone...

Proper eye development depends on expression and mutual regulation of many genes. Anterior segment dysgenesis (ASD) are a highly heterogeneous group of diseases exhibiting all types of Mendelian inheritance, which manifest as combination of congenital abnormalities of the cornea, iris, anterior chamber angle or lens. Screening of genes associated with ASD does not often lead to the identification of the underlying genetic cause implying that there are still novel variants or genes to be discovered. Molecular genetic analysis in 12 probands with ASD using Sanger and whole-exome sequencing were performed. Functional analysis by Exon trapping assay was provided in variants predicted to effect pre-mRNA splicing. Four PAX6 mutations evaluated as pathogenic or likely pathogenic in a heterozygous state were found in four probands c.183C˃G; p.(Tyr61*), c.1032+1G>A, c.1183+1G>T and c.622C>T; p.(Arg208Trp). One proband was found to be a compound heterozygote for c.244A>G; p.(Met82Val) and c.541delG; p.(Glu181Lysfs*26) mutations in FOXE3. In 7 probands, no potentially pathogenic variants were identified. Exon trapping assay confirmed that mutations c.1032+1G>A and c.1183+1G>T have an effect on pre-mRNA splicing of the PAX6 gene. Detailed molecular-genetic analysis in patients with ASD may contribute to...

Le microbiote intestinal est constitué d’un écosystème complexe de microorganismes appartenant à différents règnes. Cependant, la majorité de ces microorganismes sont d’origine bactérienne. Par conséquent, de nombreuses études, y compris la présente, se concentrent sur l’étude des communautés bactériennes. Les microorganismes ont développé une relation mutualiste avec le corps humain et agissent de plusieurs manières sur sa santé. Une perturbation du microbiote intestinal, nommée dysbiose, est reliée au développement d’une multitude de problèmes de santé chez diverses espèces animales. La transplantation de microbiote fécal suscite l’intérêt dans le domaine de la médecine vétérinaire. La préparation et l’entreposage affectent la composition et la viabilité bactérienne des fèces destinées à la transplantation de microbiote fécal (TMF). Jusqu’à présent, il demeure l’absence d’un protocole vétérinaire pour effectuer la préparation et l’entreposage des transplants fécaux canins. Par conséquent, l’objectif de cette étude était de comparer la viabilité bactérienne d’échantillons fécaux en présence et en absence d’oxygène et d’effectuer la congélation à l’aide de deux cryoprotecteurs différents. Les hypothèses de ce projet étaient les suivantes : la préparation des échantillons en absence d’oxygène préservera la viabilité bactérienne, l’utilisation d’un cryoprotecteur contenant des antioxydants pour la congélation générera le meilleur taux de viabilité, et le microbiote de chaque individu n’aura pas la même capacité à résister aux effets de la préparation et de l’entreposage. Les fèces de 10 chiens en santé ont été collectées et immédiatement transférées à l’intérieur d’une chambre anaérobique. Des aliquotes de 1,8 g ont été diluées dans 7,2 ml d’un cryoprotecteur contenant du glycérol à 10% (Gly) ou des antioxydants (Cryo). Les échantillons ont été homogénéisés et filtrés en condition aérobique (Ae) et en condition anaérobique (An) à l’intérieur d’une chambre anaérobique, simulant la préparation de la TMF. Les échantillons ont été congelés à -20 °C durant 90 jours (F) pour l’évaluation des effets de l’entreposage. La viabilité bactérienne des échantillons a été déterminée à l’aide de la cytométrie de flux. L’analyse de la composition bactérienne chez les 10 donneurs de matières fécales a été réalisée par le séquençage de la région V4 du gène de l’ARNr 16S à l’aide de la plateforme Illumina MiSeq. Les échantillons non congelés, préparés en absence d’oxygène et dilués avec Cryo présentaient les plus grands taux de viabilité (66,78 %) par rapport aux autres groupes (p < 0,05). Les échantillons exposés à l’oxygène avaient une viabilité bactérienne inférieure (p < 0,01). Toutefois, les échantillons dilués avec Cryo présentaient une viabilité plus élevée (65,26 %) que les échantillons dilués dans Gly (55,20 % ; p < 0,001) en présence d’oxygène. La viabilité bactérienne a diminué en raison de la congélation des échantillons (p < 0,001). L’ensemble des échantillons frais avaient une viabilité médiane de 62,23 % et, à la suite de la congélation, elle était de 22,68 %. Cependant, les échantillons congelés à l’aide de glycérol avaient une viabilité plus élevée (30,61 % ; p < 0,001). Le genre Prevotella était fortement corrélé à la viabilité (R = 0,731 ; p < 0,05, R = 0,756 ; p < 0,05, R = 0,834 ; p < 0,01, R = 0,752 ; p < 0,05). Ces résultats indiquent que la viabilité bactérienne est optimale lors de l’utilisation de matières fécales en absence d’oxygène et lors d’une dilution à l’aide d’un cryoprotecteur contenant des antioxydants. La congélation a significativement réduit la viabilité bactérienne, mais le glycérol semble mieux préserver les bactéries. La présence de certaines espèces plus résistantes et l’impact de la composition du microbiote sur l’efficacité de la TMF nécessitent une enquête plus approfondie. / The intestinal microbiota is made up of a complex ecosystem of microorganisms belonging to different kingdoms. However, bacterial cells are much more numerous. Therefore, many studies, including the present one, focus on the study of bacterial communities. Microorganisms have developed a mutualistic relationship with the animal body and act in several ways on its health. A disturbance of the intestinal microbiota, called dysbiosis, is linked to the development of a multitude of health problems in various animal species. There is an emerging interest in the transplantation of fecal microbiota in veterinary medicine. Preparation and storage affect the quality of transplants intended for faecal microbiota transplantation (FMT). Considering the absence of a protocol in veterinary medicine, the objective of this study was to optimize bacterial viability during the preparation and storage of canine fecal transplants. The hypotheses of this project were that the preparation of samples in the absence of oxygen will preserve bacterial viability, that the use of a cryoprotectant containing antioxidants for freezing will yield the best viability rate and the microbiota of individuals does not have the same ability to withstand the effects of preparation and storage. Feces from ten healthy dogs were collected, and immediately transferred inside an anaerobic chamber. Aliquots of 1.8 g were diluted in 7.2 ml of a cryoprotectant containing glycerol (Gly) or antioxidants (Cryo). The samples were homogenized and filtered, simulating the TMF preparation. To evaluate the impact of oxygen on bacterial viability, the procedures were performed outside (Ae) and inside (An) the anaerobic chamber. Samples were frozen at -20°C for 90 days (F) to evaluate effect of freezing. The bacterial viability of samples was determined using flow cytometry. Analysis of the bacterial composition was performed by sequencing the V4 region of the 16S rRNA gene, using the Illumina MiSeq platform. Fresh samples prepared under anaerobiosis and diluted with Cryo had the highest viability (66.78%) compared to the other groups (p < 0.05). Bacterial viability was affected by oxygen (p < 0.01) but solutions prepared with Cryo had higher viability (65.26%) than samples diluted in Gly (55.20%; p < 0.001). Freezing decreased bacterial viability from 62.23% to 22.68% (p < 0.001). However, samples frozen using glycerol showed higher viability (30.61%; p < 0.001). The genus Prevotella was strongly correlated with viability (R = 0.731; p < 0.05, R = 0.756; p < 0.05, R = 0.834; p < 0.01, R = 0.752; p < 0.05). These results show that bacterial viability is optimal when preparing feces under anaerobic conditions and using a cryoprotectant containing antioxidants. If freezing is necessary, glycerol seems to preserve the bacteria better. The presence of some more resilient species and the impact of microbiota composition on the efficacy of TMF requires further investigation.

« Myopathie héréditaire » est un terme générique pour les maladies génétiques rares caractérisées par une faiblesse musculaire et une hypotonie avec ou sans atrophie musculaire. Les personnes atteintes d'une forme légère peuvent présenter des contractures, une scoliose, une hyporéflexie ou des caractéristiques dysmorphiques, et les plus sévères peuvent être accompagnées de symptômes cardiaques ou respiratoires pouvant s'avérer mortel. Alors que les méthodes de séquençage de nouvelle génération basées sur l'ADN ont considérablement accéléré la découverte de gènes responsables de maladies rares, de nombreux patients demeurent sans diagnostiques génétiques. L'une des principales raisons de ce problème est le grand nombre de variants de signification inconnue identifiés, où l’impact biologique est peu ou pas connu. Ce mémoire de maîtrise contient trois projets distincts dont l'objectif global est d'augmenter le rendement diagnostique pour les patients atteints de myopathies héréditaires rares. La première étude porte sur trois frères et soeurs atteints d'une dystrophie musculaire non diagnostiquée. Une combinaison de techniques « omic » a été utilisée pour identifier un variant faux-sens dans le gène IARS accompagné d’un déséquilibre allélique spécifique aux tissus musculaires. L’inhibition de iars-1 chez le C. elegans a entraîné une désorganisation progressive du muscle de la paroi corporelle, mais sans perte significative de la motilité. Ainsi, nous avons conclu que iars-1 joue clairement un rôle dans l'organisation des myotubes. La pathogénicité du variant, cependant, nécessite une enquête plus approfondie. La deuxième étude porte sur une femme présentant une myopathie statique congénitale se manifestant par une faiblesse proximale et distale. En utilisant le séquençage de l’ARN, nous avons identifié pour la première fois un profil d'expression génique compatible avec une prédominance des fibres musculaires de type I, focussant l’intérêt sur un variant dans le gène RYR1. La troisième étude englobe une cohorte de vingt-huit patients porteurs de la même mutation RYR1, mais présentant une hétérogénéité clinique significative. Des modèles « knock-in » de C. elegans pour les études deux et trois ont démontrés des changements en transmission synaptique, la durée de vie, la taille corporelle et la locomotion. Ainsi, nous avons conclu que les deux variants identifiés dans RYR1 ont probablement également des conséquences cliniques chez les porteurs humains. En fin de compte, ces études mettent en évidence l'utilité du séquençage de l’ARN en tant qu'outil de diagnostic complémentaire, capable de restreindre la liste de candidats potentiellement pathogéniques, ainsi que le pouvoir du C. elegans en tant que modèles pour des tests rapides et coordonnés de variants candidats. / “Hereditary myopathies” is an umbrella term for rare inherited diseases characterized by muscle weakness and hypotonia with or without muscle atrophy. Individuals with a mild affliction may present with contractures, scoliosis, hyporeflexia or dysmorphic features, while those more severely affected may present cardiac or respiratory involvement that could prove deadly. While traditional DNA-based next-generation sequencing techniques have greatly accelerated discovery of genes causing rare diseases, many patients remain without a known genetic cause. The main reason for this diagnostic shortfall is the vast number of variants of unknown significance identified whose biological functions are unknown. This master’s thesis contains three separate projects with an overarching goal to increase the diagnostic yield of patients with rare hereditary myopathies. The first study focuses on three siblings with an undiagnosed muscular dystrophy. A combination of “omic” techniques were used to identify a missense variant as well as a muscle-specific allelic imbalance in the gene IARS leading to the exclusive expression of the mutant allele. Iars-1 knock-down in C. elegans resulted in progressive disorganization of the body wall muscle but with no significant loss of motility. Thus, we concluded that iars-1 likely plays a role in the organization of myotubes. The pathogenicity of the variant, however, requires further investigation. The second study involves a woman with a congenital static myopathy exhibited as proximal and distal weakness. Using RNA-sequencing, we identified for the first time a gene expression profile consistent with type I fiber predominance in the proband which guided the search for the causative RYR1 variant. The third study encompasses a cohort of twenty-eight patients who carry the same RYR1 mutation but display significant clinical heterogeneity. Knock-in models of C. elegans for both studies demonstrated altered synaptic transmission, lifespan, body size and locomotion. Thus, we concluded that both variants identified in RYR1 likely have consequences for human carriers as well. Ultimately, these studies highlight the utility of RNA-seq as a complimentary diagnostic tool capable of narrowing the search for novel pathogenic mutations as well as the value of C. elegans as models for rapid and coordinated testing of candidate variants.

La 5-azacytidine (AZA) est un médicament approuvé pour le traitement des leucémies myéloïdes aiguës des patients qui ne sont pas éligibles à une greffe de cellules souches hématopoïétiques. Bien que l’AZA est augmenté significativement le pronostic des patients, le mécanisme d’action précis de l’AZA demeure nébuleux. En plus de son activité d’hypométhylation, il a été montré que l’AZA a aussi des effets immunologiques. Des études précédentes suggèrent que ces réponses immunitaires sont causées par des modifications du répertoire de peptides présentés par le CMH-I (MAPs), dont l’expression de MAPs dérivés de rétroéléments endogènes (EREs) et des cancer-testis antigens (CTAs). Ces gènes sont généralement réprimés par la méthylation de l’ADN. Dans cette thèse, nous avons testé cette hypothèse à l’aide de séquençage à haut débit et de spectrométrie de masse appliqués à quatre lignées cellulaires d’AML différentes. Notre approche protéogénomique d’avant-garde a révélé que l’AZA induit la présentation de MAPs dérivés de CTAs, mais pas d’EREs, malgré le fait que ces deux groupes de séquences soient surexprimés au niveau transcriptomique. Ces résultats indiquent que les réponses des lymphocytes T observées chez les patients suite au traitement à l’AZA dépendent probablement des MAPs dérivés des CTAs, et non pas des EREs. Les EREs stimulés par l’AZA ont tout de même un impact sur la réponse immunitaire en formant des ARN double-brins menant à une activation de l’immunité innée. L’incorporation de l’AZA et l’inhibition subséquente de la DNMT2 mène cependant à des agrégats protéiques et à l’autophagie, qui dégrade les transcrits EREs et limite leur surexpression. Nous avons démontré que les effets immunologiques de l’AZA peuvent être amplifiés par un traitement combiné de l’AZA et d’inhibiteurs de l’autophagie. De plus, le travail contenu dans cette thèse a montré que bien qu’elles soient un modèle expérimental pratique, les lignées cellulaires ont des limitations et doivent être utilisés avec prudence. Des différences majeures ont été observées entre des lignées cellulaires supposément identiques provenant de fournisseurs établis. Nos analyses ont permis de démontrer quelle lignée cellulaire était la plus similaire à la lignée parentale. Ainsi, ce travail fourni des recommandations pour améliorer les lignes directrices d’utilisation des lignées cellulaires en recherche. / 5-azacytidine (AZA) is approved for the treatment of acute myeloid leukemia (AML) patients ineligible for hematopoietic cell transplantation. Although AZA treatment has substantially improved patient outcomes, there remains a lack of clear understanding of the mechanisms driving these responses. In addition to its hypomethylating activity, AZA has been shown to have immunological effects. Previous reports suggest that these immune responses occur due to alterations in the repertoire of MHC-I-associated peptides (MAPs), including the expression of MAPs deriving from endogenous retroelements (EREs) and cancer-testis antigens (CTAs). These genes are typically silenced by methylation. With this thesis, we aimed to test this hypothesis using high-coverage RNA sequencing and mass spectrometry in four different AML cell lines. Our state-of-the-art proteogenomic approach uncovered that AZA treatment induced MAPs deriving from CTAs, but not EREs, despite both being upregulated at the RNA level. This indicates that T-cell responses post-AZA treatment are more likely to be dependent on CTA- than ERE-derived MAP presentation. AZA-induced EREs produced at the RNA level still contributed to immune responses by forming double-stranded RNA leading to a state of viral mimicry. However, AZA incorporation into RNA and subsequent DNMT2-inhibition led to protein aggregation and autophagy responses. These responses were responsible for degrading EREs, which limited their upregulation. We further demonstrate that the immune effects of AZA can be enhanced by the combination of AZA with autophagy inhibitors. Additionally, the work in this thesis has shown that although a practical model, cell lines have their caveats and must be used with caution. This work has highlighted the grave discrepancies between supposedly identical cell lines supplied by established repositories. Moreover, our analyses determine which of the two is closer to the parental cell line. Finally, this work provides recommendations for improving the current guidelines for cell line-based research.

Diese Arbeit beschreibt die Kombination von Phagen-Display-Biopanning und Illumina Next-Generation DNA-Sequencing (NGS) zur Identifizierung peptidbasierter Adhäsionsdomänen für Polypropylen (PP). Eine Biopanning-Runde gefolgt von NGS liefert PP-bindende Peptide, die durch Sanger-Sequenzierung nicht erkennbar sind. NGS bietet den Vorteil eines enorm umfangreichen Datensatzes, welcher tiefgreifende Sequenzanalysen erlaubt. Die selektierten Sequenzen werden als wasserbasierte Primer für PP–Metallhaftung zur Vorbehandlung von PP-Oberflächen eingesetzt und erhöhen die Haftfestigkeit um 100 % gegenüber nicht vorbehandeltem PP. / This thesis describes the combination of phage display biopanning and Illumina Next-Generation DNA-Sequencing (NGS) to identify peptide-based adhesion domains for polypropylene (PP). One round of biopanning followed by NGS yields PP-binding peptides that are undetectable by Sanger sequencing. NGS has the advantage of an extensive data set, which allows in-depth sequence analysis. The selected peptide sequences are then used as water-based primers for PP metal adhesion for the pretreatment of PP surfaces and increase the adhesion by 100% compared to non-pretreated PP.

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