Τα αυξημένα επίπεδα εμβρυϊκής αιμοσφαιρίνης (HbF) μετριάζουν την βαρύτητα των διαταραχών που αφορούν στην β-σφαιρίνη, δηλαδή τη δρεπανοκυτταρική αναιμία (SCD) και την β-μεσογειακή αναιμία, που αποτελούν σημαντικές αιτίες παγκόσμιας νοσηρότητας και θνησιμότητας. Γι’ αυτό το λόγο είναι μακροχρόνιο το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη θεραπευτικών προσεγγίσεων για την επαγωγή της παραγωγής HbF. Η αναζήτηση μορίων που ρυθμίζουν την μετάβαση από την έκφραση της εμβρυϊκής (HbF) στην έκφραση της αιμοσφαιρίνης των ενηλίκων (HbA) και που συντελούν στην διατήρηση της αποσιώπησης ή αντίθετα στην ενεργοποίηση της έκφρασης της HbF στους ανθρώπους αποτελεί πολυετές αντικείμενο έρευνας με σκοπό την στόχευση αυτών των παραγόντων για την επαγωγή της HbF (Sankaran et al. 2011). Έτσι, εκτός από τα cis-ρυθμιστικά στοιχεία, έχουν εντοπιστεί και trans-ρυθμιστικά στοιχεία, τα οποία αποτελούν κυρίως μεταγραφικούς παράγοντες. Όμως υπάρχουν και γονιδιακοί τόποι εκτός του β-συμπλέγματος που φαίνεται να επιδούν στην ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων του β-γονιδιακού τόπου. Τέτοιοι είναι οι τόποι που συνδέονται με «ποσοτικά γνωρίσματα» (Quantitative trait loci-QTL). Η χρωμοσωμική περιοχή 6q23 έχει σε διάφορες μελέτες προσδιοριστεί ως QTL, που συνδέεται με την μεταβολή των επιπέδων της HbF σε ασθενείς με SCD. (Close et al. 2004, Thein et al. 2007, Wyszynski et al. 2004). Ο σκοπός της παρούσας μελέτης είναι διττός: A. Ο εντοπισμός μονονουκλεοτιδικών πολυμορφισμών (SNP) εντός των γονιδίων MAP3K5 και PDE7B του QTL στην 6q23 χρωμοσωμική περιοχή, που να σχετίζονται με αυξημένα επίπεδα HbF. B. Η αξιολόγηση των SNP αυτών ως φαρμακογονιδιωματικών δεικτών, που να σχετίζονται με την μεταβλητότητα των επιπέδων της HbF ως απόκριση στη θεραπεία με HU. / Hemoglobinopathies, particularly β-thalassemia and sickle cell disease (SCD), are major health problems, in which quantitative or qualitative defects in hemoglobin production occur, respectively. Under normal circumstances, different types of hemoglobin (Hb) are produced during embryonic, fetal, and adult life. At birth, fetal hemoglobin (HbF), in particular, composes 80–90% of the total hemoglobin synthesized, but it gradually decreases to approximately 1% by 10 months in infancy as its synthesis is restricted to a small subset of erythrocytes termed ‘F cells’ [Patrinos&Grosveld, 2008]. The first studies searching for regulators of HbF expression were conducted on individuals with heterocellular hereditary persistence of HbF (HPFH) – i.e. increase of HbF levels unevenly distributed among ‘F cells’ – and suggested the absence of linkage between the determinant of the HbF levels and the β-globin gene cluster, back then named “non-α globin cluster” [Gianni et al., 1983]. Later, while seeking for genetic elements associated with elevated HbF levels in healthy adults, several cis-acting variants on the β-globin gene complex were unraveled, including the XmnI-Gγ (HBG2) gene promoter polymorphism [Gilman et al., 1985]. Ιn addition, variants unlinked to the β-locus (trans-acting), such as quantitative trait loci (QTLs) on Xp22 [Dover et al., 1992] and 6q23 [Craig et al., 1996] became known soon after. Initially, a study on an extensive, inbred kindred of Asian Indian origin with heterocellular HPFH revealed that a key locus controlling HPFH resides on chromosome 6q, which was fine-mapped to 6q22.3–23.1 [Craig et al., 1996]. Among the first positional candidate genes in the 6q23 region, assumed to possibly explain this QTL, were the MYB proto-oncogene and the eukaryotic release factor-similar HBS1L, as well as the mitogen-activated protein kinase kinase kinase 5 (MAP3K5) [Game et al., 2000]. In addition, genes within this region are associated with response to hydroxyurea (HU) treatment based on elevated HbF levels, in SCD patients; however, the mechanism by which this chromosome 6q22-23 QTL influences HbF levels in the context of HU treatment remains unknown [Ma et al., 2007] and very few, if any, studies have addressed this question. In continuing the global effort of scrutinizing the 6q23 region for variants accounting for the modulation of HbF production, we investigated a possible association of SNPs residing within the MAP3K5 and PDE7B genes with elevated HbF levels in β-thalassemia intermediate or major patients and normal (non-thalassemic) individuals. We also examined a cohort of 38 heterozygous SCD/β-thalassemia patients who had undergone HU therapy, in order to clarify whether there is a correlation of these SNPs with HU treatment response in patients of Hellenic origin.

L’hémoglobine est une protéine contenue dans les globules rouges dont la principale fonction est le transport de l’oxygène. Chaque molécule d’hémoglobine est un tétramère constitué de deux paires de globines identiques de type α et β. La β-thalassémie est une maladie génétique hématopoïétique provenant de mutations du gène encodant l'hémoglobine. Ce désordre se caractérise par une diminution ou une absence totale de la synthèse de la chaîne β-globine résultant principalement en une anémie hémolytique sévère ainsi que des complications multisystémiques, telles que la splénomégalie, des déformations osseuses et une dysfonction hépatique et rénale. Actuellement, les transfusions sanguines chroniques représentent le traitement standard des patients β-thalassémiques. Cette thérapie nécessite l’administration conjointe d’un traitement chélateur de fer puisqu’elle entraîne une accumulation pathologique du fer, considéré à ce jour comme la source principale des complications cardiovasculaires de la β-thalassémie. Néanmoins, malgré le traitement efficace de la surcharge de fer transfusionnelle, l’insuffisance cardiaque demeure encore la principale cause de mortalité chez les patients atteints de β-thalassémie. Cette observation indique possiblement la présence d’un mécanisme complémentaire dans le développement de la physiopathologie cardiaque β-thalassémique. L’objectif du présent projet consistait donc à étudier les altérations cardiovasculaires de la β-thalassémie indépendamment de la surcharge de fer transfusionnelle. En utilisant un modèle murin non-transfusé de la β-thalassémie majeure, nous avons d’abord évalué in vivo, par méthode d’imagerie novatrice échographique à haute fréquence, les propriétés hémodynamiques vasculaires. Nos résultats d’index de Pourcelot ainsi que de résistance vasculaire périphérique totale ont démontré une perturbation de l’écoulement microcirculatoire chez les souris β-thalassémiques non-transfusées. Subséquemment, nous avons étudié la fonction endothéliale de régulation du tonus vasculaire de vaisseaux mésentériques isolés. Nos résultats ont révélé un dysfonctionnement de la réponse vasodilatatrice dépendante de l’endothélium chez les souris β-thalassémiques malgré une augmentation de l’expression de l’enzyme de synthèse du monoxyde d’azote ainsi qu’un remodelage de la carotide commune caractérisé par un épaississement de la paroi vasculaire. Finalement, notre étude échocardiographique de la fonction et la morphologie cardiaque a montré, chez les souris β-thalassémiques, le développement d’une hypertrophie et une dysfonction ventriculaire gauche en l’absence de transfusions sanguines chroniques ou de dépôts directs de fer dans le myocarde. L’ensemble des résultats présentés dans le cadre de cette thèse indique la présence d’une pathologie cardiovasculaire chez les souris β-thalassémiques non-transfusés. Nos travaux permettent de proposer un mécanisme de la pathophysiologie cardiovasculaire β-thalassémique, indépendant de la charge de fer transfusionnelle, impliquant les effets compensatoires d’une anémie chronique combinés à une vasculopathie complexe initiée par les érythrocytes endommagés et l’hémolyse intravasculaire. / Hemoglobin is the major protein in red blood cells and is responsible of the oxygen transport. Each hemoglobin molecule is a tetramer consisting of two identical α- and β-globin subunits. β-thalassemia is a genetic hematopoietic disease caused by mutations in hemoglobin genes. This disorder is characterized by a decrease or absence of production of β-globin chain leading mainly to a severe hemolytic anemia and several systemic manifestations, including splenomegaly, skeletal deformities as well as hepatic and renal dysfunctions. Chronic blood transfusions remain the standard treatment for β-thalassemic patients. This therapy requires iron chelating management since it leads to pathological iron accumulation which is currently considered the main cause of cardiovascular complications of β-thalassemia. However, despite adequate control of transfusional iron loading, heart failure remains the leading cause of mortality in β-thalassemia. This issue is possibly indicative of additional pathogenic mechanisms underlying the development of the β-thalassemic cardiac pathology. The objective of the present research project was to study cardiovascular alterations of β-thalassemia independently of transfusional iron overloading. Using an untransfused murine model of β-thalassemia major, we have evaluated in vivo, by non-invasive high-frequency ultrasound imaging, vascular hemodynamic properties. Our results of Pourcelot indices and total peripheral vascular resistance have shown microcirculatory flow disturbances in untransfused β-thalassemic mice. Consequently, we have studied ex vivo the endothelial vasomotor function in isolated mesenteric arterioles. Our findings have pointed out endothelium-dependent vasodilator dysfunction in β-thalassemic mice despite increased expression of nitric oxide synthase, as well as remodeling of the common carotid artery wall. Lastly, our echocardiography studies of heart morphology and function in β-thalassemic mice have demonstrated the development of left ventricle hypertrophy and dysfunction in the absence of chronic blood transfusions or direct myocardial iron deposits. In conclusion, findings presented in this thesis have demonstrated for the first time development of severe cardiovascular complications in untransfused β-thalassemic mice. Based on our results, we have proposed a novel mechanism, independent of direct myocardial iron deposition, responsible for the cardiovascular complications in β-thalassemia. This model combines compensatory effects of chronic anemia with a complex vasculopathy initiated by abnormal erythrocytes and intravascular hemolysis.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) are pluripotent cells that can differentiate into a variety of non-hematopoietic tissues. They also maintain healthy heamatopoiesis by providing supportive cellular microenvironment into BM. In this thesis, MSCs were characterized in terms of their morphological, immunophenotypical and differentiation properties. Then, they were examined by attenuated total reflection-Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy together with hierarchical clustering, and FTIR microspectroscopy. In the first part of this study, global structural and compositional changes in BM-MSCs during beta thallasemia major (

Bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) are pluripotent cells that can differentiate into a variety of non-hematopoietic tissues. They also maintain healthy heamatopoiesis by providing supportive cellular microenvironment into BM. In this thesis, MSCs were characterized in terms of their morphological, immunophenotypical and differentiation properties. Then, they were examined by attenuated total reflection-Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy together with hierarchical clustering, and FTIR microspectroscopy. In the first part of this study, global structural and compositional changes in BM-MSCs during beta thallasemia major (

L’hémoglobine est une protéine contenue dans les globules rouges dont la principale fonction est le transport de l’oxygène. Chaque molécule d’hémoglobine est un tétramère constitué de deux paires de globines identiques de type α et β. La β-thalassémie est une maladie génétique hématopoïétique provenant de mutations du gène encodant l'hémoglobine. Ce désordre se caractérise par une diminution ou une absence totale de la synthèse de la chaîne β-globine résultant principalement en une anémie hémolytique sévère ainsi que des complications multisystémiques, telles que la splénomégalie, des déformations osseuses et une dysfonction hépatique et rénale. Actuellement, les transfusions sanguines chroniques représentent le traitement standard des patients β-thalassémiques. Cette thérapie nécessite l’administration conjointe d’un traitement chélateur de fer puisqu’elle entraîne une accumulation pathologique du fer, considéré à ce jour comme la source principale des complications cardiovasculaires de la β-thalassémie. Néanmoins, malgré le traitement efficace de la surcharge de fer transfusionnelle, l’insuffisance cardiaque demeure encore la principale cause de mortalité chez les patients atteints de β-thalassémie. Cette observation indique possiblement la présence d’un mécanisme complémentaire dans le développement de la physiopathologie cardiaque β-thalassémique. L’objectif du présent projet consistait donc à étudier les altérations cardiovasculaires de la β-thalassémie indépendamment de la surcharge de fer transfusionnelle. En utilisant un modèle murin non-transfusé de la β-thalassémie majeure, nous avons d’abord évalué in vivo, par méthode d’imagerie novatrice échographique à haute fréquence, les propriétés hémodynamiques vasculaires. Nos résultats d’index de Pourcelot ainsi que de résistance vasculaire périphérique totale ont démontré une perturbation de l’écoulement microcirculatoire chez les souris β-thalassémiques non-transfusées. Subséquemment, nous avons étudié la fonction endothéliale de régulation du tonus vasculaire de vaisseaux mésentériques isolés. Nos résultats ont révélé un dysfonctionnement de la réponse vasodilatatrice dépendante de l’endothélium chez les souris β-thalassémiques malgré une augmentation de l’expression de l’enzyme de synthèse du monoxyde d’azote ainsi qu’un remodelage de la carotide commune caractérisé par un épaississement de la paroi vasculaire. Finalement, notre étude échocardiographique de la fonction et la morphologie cardiaque a montré, chez les souris β-thalassémiques, le développement d’une hypertrophie et une dysfonction ventriculaire gauche en l’absence de transfusions sanguines chroniques ou de dépôts directs de fer dans le myocarde. L’ensemble des résultats présentés dans le cadre de cette thèse indique la présence d’une pathologie cardiovasculaire chez les souris β-thalassémiques non-transfusés. Nos travaux permettent de proposer un mécanisme de la pathophysiologie cardiovasculaire β-thalassémique, indépendant de la charge de fer transfusionnelle, impliquant les effets compensatoires d’une anémie chronique combinés à une vasculopathie complexe initiée par les érythrocytes endommagés et l’hémolyse intravasculaire. / Hemoglobin is the major protein in red blood cells and is responsible of the oxygen transport. Each hemoglobin molecule is a tetramer consisting of two identical α- and β-globin subunits. β-thalassemia is a genetic hematopoietic disease caused by mutations in hemoglobin genes. This disorder is characterized by a decrease or absence of production of β-globin chain leading mainly to a severe hemolytic anemia and several systemic manifestations, including splenomegaly, skeletal deformities as well as hepatic and renal dysfunctions. Chronic blood transfusions remain the standard treatment for β-thalassemic patients. This therapy requires iron chelating management since it leads to pathological iron accumulation which is currently considered the main cause of cardiovascular complications of β-thalassemia. However, despite adequate control of transfusional iron loading, heart failure remains the leading cause of mortality in β-thalassemia. This issue is possibly indicative of additional pathogenic mechanisms underlying the development of the β-thalassemic cardiac pathology. The objective of the present research project was to study cardiovascular alterations of β-thalassemia independently of transfusional iron overloading. Using an untransfused murine model of β-thalassemia major, we have evaluated in vivo, by non-invasive high-frequency ultrasound imaging, vascular hemodynamic properties. Our results of Pourcelot indices and total peripheral vascular resistance have shown microcirculatory flow disturbances in untransfused β-thalassemic mice. Consequently, we have studied ex vivo the endothelial vasomotor function in isolated mesenteric arterioles. Our findings have pointed out endothelium-dependent vasodilator dysfunction in β-thalassemic mice despite increased expression of nitric oxide synthase, as well as remodeling of the common carotid artery wall. Lastly, our echocardiography studies of heart morphology and function in β-thalassemic mice have demonstrated the development of left ventricle hypertrophy and dysfunction in the absence of chronic blood transfusions or direct myocardial iron deposits. In conclusion, findings presented in this thesis have demonstrated for the first time development of severe cardiovascular complications in untransfused β-thalassemic mice. Based on our results, we have proposed a novel mechanism, independent of direct myocardial iron deposition, responsible for the cardiovascular complications in β-thalassemia. This model combines compensatory effects of chronic anemia with a complex vasculopathy initiated by abnormal erythrocytes and intravascular hemolysis.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Die Infektion mit dem Erreger der Malaria tropica, Plasmodium falciparum, verläuft individuell unterschiedlich. Während manche der Infizierten rasch an einer komplizierten Malaria versterben, zeigen andere keinerlei Symptomatik, obwohl jahrelang eine Parasitämie besteht. Was diese Individuen voneinanderen unterscheidet, ist weitgehend unbekannt. Morbidität und Mortalität der Erkrankung sind von der Auseinandersetzung zwischen Wirt und Parasit abhängig, die von exogenen und endogenen Faktoren beeinflußt wird. Unter den endogenen Faktoren spielen die genetischen Determinanten, die sowohl an angeborenen als auch an erworbenen Resistenz- und Immunmechanismen beteiligt sind, eine besondere Rolle. In den hier zusammengefaßten Arbeiten wurden als Determinanten der angeborenen Resistenz gegenüber Malaria die Sichelzellanämie, Alpha-Thalassämie, G6PD-Mangel und der HLA-Klasse-II-Polymorphismus und als genetische Einflußfaktoren von erworbenen Immunmechanismen Varianten des TNF-Promotors, von ICAM-1 und iNOS untersucht. Die Arbeiten unterstützen die Hypothese, daß die Interaktion von Mensch und Plasmodien zu einer ständigen gegenseitigen Beeinflussung und Anpassung geführt hat. Die koevolutonäre Veränderung der Genome der beiden Organismen ist wahrscheinlich mitverantwortlich für die unterschiedliche geographische Verteilung von Genvarianten sowohl des Menschen als auch der Plasmodien und scheint auch heute noch Teil einer komplexen und dynamischen Anpassung von Wirt und Parasit zu sein. / The manifestation of an infection with Plasmodium falciparum, the pathogen of malaria, is individually different. Some indiviuals have a high risk of developing severe malaria, whereas others remain asymptomatic despite a long-lasting parasitemia. The basis of these differences is unknown. Morbidity and mortality of malaria are dependent on the interaction between the host and the parasite which is influenced by exogenic and endogenic factors. The latter are determined by genetic elements involved in innate and acquired mechanisms of resistance and immunity. The studies summerized here address genetic determinants of innate resistance against malaria (sickle cell trait, alpha-thalassemia, G6PD deficiency, blood groups and HLA class II alleles) and those of acquired immunity (variants of the TNF promoter, ICAM-1, and iNOS). The results support the view that the interaction between humans and plasmodia has led to continuous mutual influences and adaptations. Probably, the co-evolution of the genomes of both organisms is jointly responsible for the different geographical distribution of parasitic and human gene variants. This process seems to be part of an ongoing complex and dynamic adaptation of the host and the parasite.

The complex demographic changes that underlie the expansion of anatomically modern humans out of Africa have important consequences on the dynamics of natural selection and our ability to detect it. In this thesis, I aimed to refine our knowledge on human population history using ancient genomes, and then used a climate-informed, spatially explicit framework to explore the interplay between complex demographies and selection. I first analysed a high-coverage genome from Upper Palaeolithic Romania from ~37.8 kya, and demonstrated an early diversification of multiple lineages shortly after the out-of-Africa expansion (Chapter 2). I then investigated Late Upper Palaeolithic (~13.3ky old) and Mesolithic (~9.7 ky old) samples from the Caucasus and a Late Upper Palaeolithic (~13.7ky old) sample from Western Europe, and found that these two groups belong to distinct lineages that also diverged shortly after the out of Africa, ~45-60 ky ago (Chapter 3). Finally, I used East Asian samples from ~7.7ky ago to show that there has been a greater degree of genetic continuity in this region compared to Europe (Chapter 4). In the second part of my thesis, I used a climate-informed, spatially explicit demographic model that captures the out-of-Africa expansion to explore natural selection. I first investigated whether the model can represent the confounding effect of demography on selection statistics, when applied to neutral part of the genome (Chapter 5). Whilst the overlap between different selection statistics was somewhat underestimated by the model, the relationship between signals from different populations is generally well-captured. I then modelled natural selection in the same framework and investigated the spatial distribution of two genetic variants associated with a protective effect against malaria, sickle-cell anaemia and β⁰ thalassemia (Chapter 6). I found that although this model can reproduce the disjoint ranges of different variants typical of the former, it is incompatible with overlapping distributions characteristic of the latter. Furthermore, our model is compatible with the inferred single origin of sickle-cell disease in most regions, but it can not reproduce the presence of this disorder in India without long-distance migrations.