Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Phormia regina (Meigen), commonly known as the black blow fly is a dipteran that belongs to the family Calliphoridae. Calliphorids play an important role in various research fields including ecology, medical studies, veterinary and forensic sciences. P. regina, a non-model organism, is one of the most common forensically relevant insects in North America and is typically used to assist in estimating postmortem intervals (PMI). To better understand the roles P. regina plays in the numerous research fields, we re-constructed its genome using next generation sequencing technologies. The focus was on generating a reference genome through de novo assembly of high-throughput short read sequences. Following assembly, genetic markers were identified in the form of microsatellites and single nucleotide polymorphisms (SNPs) to aid in future population genetic surveys of P. regina. A total 530 million 100 bp paired-end reads were obtained from five pooled male and female P. regina flies using the Illumina HiSeq2000 sequencing platform. A 524 Mbp draft genome was assembled using both sexes with 11,037 predicted genes. The draft reference genome assembled from this study provides an important resource for investigating the genetic diversity that exists between and among blow fly species; and empowers the understanding of their genetic basis in terms of adaptations, population structure and evolution. The genomic tools will facilitate the analysis of genome-wide studies using modern genomic techniques to boost a refined understanding of the evolutionary processes underlying genomic evolution between blow flies and other insect species.

Les leucémies myéloïdes aiguës (LMA) consistent en un groupe de cancers agressifs causés par une accumulation de mutations génétiques et épigénétiques survenant dans les cellules souches ou progénitrices de la moelle osseuse. Il s’agit d’un groupe de maladies très hétérogène, caractérisé par un grand nombre de combinaisons d’altérations qui perturbent à la fois les voies de signalisation qui y sont exprimées, leur sensibilité aux différents traitements et le pronostic des patients. Le déploiement des technologies de séquençage de nouvelle génération au courant de la dernière décennie a permis l’exploration à une échelle sans précédent du paysage mutationnel et transcriptomique de différents cancers, incluant les LMA. Dans le cadre de nos travaux, nous avons voulu tester l'hypothèse selon laquelle les LMA se déclinent en plusieurs sous-groupes génétiques caractérisés chacun par des mutations distinctes et une expression génique dérégulée, ainsi qu’une réponse différentielle à des molécules qui pourraient représenter de nouvelles stratégies thérapeutiques. Nous avons testé cette hypothèse au sein de la cohorte Leucegene, qui comprend un grand nombre de LMA primaires analysées par le séquençage du transcriptome, et nous avons analysé les différences entre les différents sous-groupes en les analysant un à la fois. Cette étude des différents sous-groupes nous a permis de disséquer le profil génomique, transcriptomique et les sensibilités aux petites molécules de sept sous-groupes génétiques, représentant environ la moitié des cas de LMA de l’adulte. Notre approche a permis de découvrir plusieurs nouvelles mutations spécifiques aux différents sous-groupes, dont certaines ont été validées dans des cohortes indépendantes. Nous avons également confirmé que les gènes différentiellement exprimés dans les sous-groupes sont plus informatifs que les signatures d'expression non supervisées pour identifier les biomarqueurs de la maladie. Nous avons ainsi identifié dans la majorité des sous-groupes des gènes représentant un biomarqueur d'intérêt, ayant une pertinence fonctionnelle ou pronostique. Ces données ont également mené à des criblages chimiques ciblés qui ont identifié de nouvelles vulnérabilités dépendant du contexte génétique. Au-delà de ces observations, nos travaux pourraient avoir une portée translationnelle tandis que le séquençage de nouvelle génération est de plus en plus utilisé en clinique. La combinaison avec d’autres modalités de séquençage et l’incorporation de technologies émergentes aideront à poursuivre la dissection génomique, transcriptomique et chimique de la LMA et l’approche utilisée pourra même éventuellement s’appliquer à d’autres types de cancers. / Acute myeloid leukemias (AML) are a group of cancers caused by an accumulation of genetic and epigenetic mutations occurring in the stem or progenitor cells of the bone marrow. They represent a very heterogeneous group of diseases, characterized by a large number of combinations of alterations which disrupt to varying degrees key networks in these cells, their sensitivity to treatments and the prognosis of the patients. The deployment of next-generation sequencing technologies over the past decade has enabled exploration on an unprecedented scale of the mutational and transcriptomic landscape of various cancers, including AML. As part of our work, we tested the hypothesis according to which AMLs comprise several genetic subgroups, each characterized by distinct mutations and deregulated gene expression profiles, as well as a differential response to molecules that could represent novel therapies. We tested this hypothesis in the Leucegene cohort, which includes a large number of primary AMLs analyzed by transcriptome sequencing, which we explored one subgroup after the other, dissecting the genomic, transcriptomic or small molecule sensitivities profile of seven AML subgroups representing approximately half of adult AML cases. Our approach has allowed us to discover several new mutations specific to different subgroups, some of which have been validated in independent cohorts. We also confirmed that genes differentially expressed in subgroups are more informative than unsupervised expression signatures, and we identified genes representing potential biomarkers, or having a functional or prognostic relevance in the majority of subgroups. Generated data also led to targeted chemical screens performed on primary AML cells, which identified new context-dependent vulnerabilities. Beyond these observations, our work could have a translational scope while next-generation sequencing is paving its way in the clinic. The combination with other Omics and the incorporation of emerging technologies will help to further the multi-dimensional dissection of these groups and additional ones, as the presented approach could be applied to additional disease subsets and cancer types.

Background: Coronary Artery Disease (CAD) represents the leading cause of mortality and morbidity worldwide despite declines in the prevalence of environmental risk factors. This trend has drawn attention to the risk conferred by genetic variation. Twin and linkage studies demonstrate a profound hereditary risk for CAD, especially in young individuals. Rare genetic variants conferring high risk for extreme disease phenotypes can provide invaluable insight into novel mechanisms underlying CAD development. Methods: Whole exome sequencing was performed to characterize rare protein-altering variants in 52 early-onset CAD (EOCAD) patients encompassing the DECODE study. The enrichment of Mendelian dyslipidemias in EOCAD was assessed through interrogation of pathogenic mutations among known lipid genes. The identification of novel genetic CAD associations was conducted through case-only and case-control approaches across all protein-coding genes using rare variant burden and variance component tests. Lastly, beta coefficients for significant risk genes from the European population in the Early-onset Myocardial Infarction (EOMI) cohort (N=552) were used to construct calibrated, single-sample rare variant gene scores (RVGS) in DECODE Europeans (N=39) and a local European CAD-free cohort (N=77). Results: A 20-fold enrichment of Familial hypercholesterolemia mutation carriers was detected in EOCAD cases compared to CAD-free controls (P=0.005). Association analysis using EOMI Europeans revealed exome-wide and nominal significance for two known CAD/MI genes: CELSR2 (P=1.1x10-17) and APOA5 (P=0.001). DECODE association revealed exome-wide and nominal significance for genes involved in endothelial integrity and immune cell activity. RVGS based upon beta coefficients of significant CAD/MI risk genes were significantly increased in DECODE (z-score=1.84; p=0.03) and insignificantly decreased among CAD-free individuals (z-score=-1.61; p=0.053). Conclusion: Rare variants play a pivotal role in the development early CAD through Mendelian and polygenic mechanisms. Construction of RVGS that are calibrated against population and technical biases can facilitate discovery of single-sample and cohort-based associations beyond what is detectable using standard methods. / Thesis / Master of Science (MSc)

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts. / The association between arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant roots is one of the most widespread symbioses involving plants, and thus has an important role in terrestrial ecosystems. In exchange for carbohydrates, AMF improve plant fitness by enhancing mineral nutrient uptake, especially in particular phosphate and nitrate. Although this symbiosisDespite the fact that these symbioses contribute provides to important services toin ecosystems, the species richness, community structure and functional diversity of AMF is not well understood due to a lack of reliable molecular tools. The intra-isolate genetic polymorphism of nuclear DNA observed in AMF, combined with a lack of genomic data in a broad range of phylogenetic groups, has made it difficult to develop molecular markers and to determine evolutionary relatedness at high levels of resolution (i.e. between genetically-similar species and/or isolates). For these reasons, it seems a good alternative to use a different genetic system by targeting the mitochondrial genome, which have been shown to be homogeneous within AMF isolates. However, given the peculiar lifestyle of these organisms, a better understanding of the mitochondrial evolutionary processes and dynamics were is necessary in order to validate the usefulness of such markers in diversity and population genetics studies. In that regard, the objectives of my PhD project were to investigate: i) the divergence between closely related species and isolates, ii) mitochondrial genomes plasticity, iii) mitochondrial heritability and potential segregation mechanisms and iv) in situ mitochondrial intra-isolate allelic diversity. With Using comparative mitochondrial genomics using and next generation sequencing (NGS) sequencing, we found substantial sequence variation in intergenic regions caused by the invasion of mobile genetic elements. This variation gives risecontributes to rapid mitochondrial genome evolution among closely related isolates and species, which makes it possible to design reliable intra- and inter-specific markers. Also, an extensive gene similarity network-based approach allowed us to provide strong evidence of inter-haplotype recombination in AMF, leading to a reshuffled mitochondrial genome. These findings suggest the coexistence of distinct mtDNA haplotypes in natural populations and raise questions as to whether AMF single spore cultivations artificially underestimates mitochondrial genetic diversity in natural population.. This apparent contradiction with the intra-isolate mtDNA homogeneity usually observed in these fungi, led to the investigation of mitochondrial heritability in the spore progeny resulting from crossed-cultures. Although an heteroplasmic state was observed in some daughter spores, we found that homoplasmy was the dominant state in all monosporal cultures, with an apparent bias towards one of the parental haplotypes. These results strongly support the presence of a putative mitochondrial segregation proteic machinery in AMF, whose complete set of genes were orthologous with those found in other fungi. Our findings suggest that segregation takes place either during spore formation or colony mycelium development. Finally, we performed a conventional PCR based approach with a high fidelity Taq polymerase, followed by downstream cloning and Sanger sequencing using the model organism Rhizophagus irregularis. We found in situ heteroplasmy along with substantial intra-isolate allelic variation within the mtDNA that persists in the transcriptome. Our study also suggest that genetic variation in Glomeromycota is higher than meets the eye and might be critically underestimated in most NGS based-AMF studies both in nuclei and mitochondria.