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Les fichiers accompagnant le document sont en format Microsoft Excel 2010. / Les modèles classiques de signalisation cellulaire eucaryotes sont généralement organisés en voies linéaires et hiérarchiques, impliquant un ensemble de facteurs restreint. Ces facteurs forment un circuit isolé qui transmet une information externe vers sa destination, d’où une réponse cellulaire sera alors engendrée. Or, ces modèles sont justement le fruit d’approches expérimentales réductionnistes qui ne permettent pas d’intégrer aisément la contribution de facteurs multiples, ni de faire une évaluation quantitative de l’apport des composantes du système. Le développement de techniques d’investigation plus holistiques, telles la génomique fonctionnelle et la protéomique, permettent d’examiner de manière systématique et quantitative l’apport d’ensembles larges de facteurs et de les mettre en relation avec d’autres systèmes cellulaires. Il y aurait donc lieu de réévaluer le modèle de voie de signalisation linéaire au profit d’un modèle de réseau de signalisation multiparamétrique, comportant plusieurs branches d’entrée et sortie de signal interagissant avec d’autres systèmes cellulaires. Cet ouvrage porte sur la voie RAS/MAPK, l’un des principaux axes de signalisation associé à la prolifération et la différenciation cellulaires. Le sujet y est d’abord abordé sous l’angle d’une perspective historique, en mettant l’emphase sur les contributions des études de génétique classique chez les organismes modèles D. melanogaster et C. elegans. Il fait ensuite état du développement du criblage par ARNi pan-génomique dans ces deux modèles en le comparant aux approches de criblage génétique classique. Le corps de l’ouvrage décrit ensuite les résultats expérimentaux d’une campagne de criblage par ARNi visant à dresser une carte globale des régulateurs de la voie chez la drosophile. Trois groupes de régulateurs identifiés dans ce crible ont été caractérisés de manière plus détaillée. Dans un premier article, nous démontrons que les composantes du complexe EJC ont un impact sur l’épissage de mapk; une découverte doublement intéressante puisque l’EJC était jusqu’alors associé qu’à la régulation post-épissage des ARNm. Une seconde publication fait état de l’ensemble des résultats du crible ARNi, mettant l’emphase sur un ensemble de facteurs d’épissage qui modulent également mapk. Nous y montrons que l’impact de ces facteurs sur l’épissage alternatif est différent de celui de l’EJC, suggérant ainsi deux modes de régulation distincts. Finalement, dans un troisième manuscrit, nous nous attardons au rôle d’Usp47, une déubiquitinase qui, contrairement aux autres facteurs identifiés dans le crible, régule l’expression de MAPK de manière post-traductionnelle. Nous y détaillons une stratégie de criblage d’interaction génétique par ARNi visant à identifier des facteurs reliés fonctionnellement à Usp47. Ce second crible a permis l’identification de trois facteurs reliés au « N-end rule », un mécanisme de dégradation des protéines caractérisé par la reconnaissance des résidus N-terminaux de protéines ou peptides. Il existait jusqu’alors très peu de données quant à la régulation de l’expression des composantes de la voie MAPK, ce qui rend la description d’un large réseau de régulateurs agissant sur l’expression de MAPK d’autant plus insoupçonnée. L’absence d’un réseau équivalent rattaché aux autres composantes de la voie laisse supposer que MAPK serait un noeud servant de point d’entrée à ce type de régulation dans le système RAS/MAPK. De plus, nos travaux témoignent de la capacité de la génomique fonctionnelle à mettre en relation différents systèmes cellulaires de manière plus globale et à quantifier les liens établis entre eux. / The classical model of eukaryotic cellular signalling generally involves hierarchically organized linear pathways involving a restricted set of elements. These generally function together as an insulated circuit, transmitting information from the outside to the intracellular compartment involved in eliciting a response. These models, often the fruit of reductionist experimental approaches, do not allow for the integration of multiple inputs nor for a gradation of responses. The recent emergence of more holistic investigation techniques has brought about the re-evaluation of these classical models in favor of multiparametric signalling networks. This thesis focuses on the RAS/MAPK pathway, one of the cell’s main proliferation and differentiation signalling conduits, beginning with a historical perspective covering the contributions of model organism genetics to the current pathway model. This provides context for the description of a whole-genome RNAi screen experiment that we carried out to obtain a global view of regulators in Drosophila. Three groups of factors emerging from this screen were then examined in more detail. A first article shows that the exon junction complex (EJC) plays a role in mapk alternative splicing, an observation that is unexpected given that this complex was not previously known to act on splicing. A second paper details the genome wide screening campaign and focuses on a large set of splicing factors that also regulate mapk, albeit in a distinct manner than the EJC’s. Finally, a manuscript in a third segment examines Usp47 function and finds it to control MAPK levels post-translationally. An RNAi-based genetic interaction screen is then used to identify factors functionally related to Usp47 capable of counteracting its impact on MAPK levels. Three such factors identified through this technique are linked to the N-end rule protein degradation pathway. Regulation of core pathway component expression is a poorly described process, which makes the identification of a large set of factors regulating MAPK expression all the more unusual. Moreover, the absence of such regulation linked to other pathway components suggests that MAPK may act as a node incorporating inputs of this type into RAS/MAPK signaling dynamics.

真核生物在遺傳資訊核糖核酸實際轉譯成蛋白質之前，可能受環境、序列上的特定二級結構、特定部分序列樣式……等影響，而製造出目的、功能不同的蛋白質，這項生物機制稱為選擇性接合。目前對於選擇性接合機制的形成原因、根據何項資訊作選擇性調控，尚未有全面性的研究足以判斷。本研究嘗試透過發展適當的資料探勘技術，分析大量核糖核酸序列，找出可能影響選擇性接合的序列樣式。 選擇性接合可分為七種類型，我們針對其中一類稱為跳接式選擇性接合的基因資料，根據分析該資料的特性，提出兩類型的容錯資料探勘方法與流程，分別是全序列樣式探勘與轉化重複結構樣式探勘。前者對發生跳接式選擇性接合的整段intron序列，找出所有容錯頻繁樣式。再利用Kum[18]等人提出的一致性序列樣式的近似探勘方法，找出足以代表同一群聚中所有頻繁容錯樣式的一致性序列樣式。 轉化重複結構樣式探勘的作法則是先找出intron序列的前後部分區段中，可能具有容錯轉化重複樣式的序列集合。再進行容錯頻繁樣式探勘與一致性序列樣式的近似探勘方法。由於轉化重複樣式是生物序列中常見的一種序列結構，可能透過該類型結構，影響跳接式選擇性接合的發生方式。因此利用這樣的探勘方法，我們可以找到可能的具重要決定性轉化重複結構樣式。 最後，我們對兩個選擇性接合資料集合Avatar-120和ISIS-54，進行全序列樣式探勘與轉化重複結構樣式探勘實驗，討論發掘出序列樣式的支持度及平均錯誤率。並進一步與Miriami[24]等人研究發表的兩個樣式比較，利用整體序列最佳並列排比，評估樣式間的差異性，以發掘出“新穎”的樣式。 / Before RNA sequences are translated into proteins, eukaryotes may produce different functional proteins from the same RNA sequences. It is due to influence of environment, second structure, specific substring pattern, etc. This mechanism is named alternative splicing. At present, there are still not enough research to judge causes and critical information of alternative splicing. We try to develop suitable data mining technologies to analyze large number of RNA sequences, and find out possible patterns affecting alternative splicing. Basically, there are seven possible types of alternative splicing. We focus on “exon skipping” type. According to the analysis of exon skipping data, we propose two fault-tolerant data mining methods and procedures: “Full Sequence Pattern Mining (FSPM)” and “Inverted Repeat Pattern Mining (IRPM).” Full sequence pattern mining method can be applied to mine all fault-tolerant frequent substrings in the whole intron sequences, and then get consensus sequential patterns using ApproxMap method proposed by Kum[18]. Inverted repeat pattern mining method can be used to look for consenesus patterns with structure of inverted repeat. Because inverted repeat patterns are often appeared in biological sequences and such structural patterns may result in exon skipping. We could discover some important patterns by this method. Finally, we mined patterns from two alternative splicing databsets “Avatar-120” and “ISIS-54”by above two proposed methods. The support and average fault number of mined patterns were discussed. These patterns were also used global alignment method as compared with two patterns (C / G-rich) discovered by Miriami[24]. Novel patterns measured by discrimination were reported.

Recent studies have suggested a role of two polymorphisms of the dopamine D4 receptor gene (DRD4 exon III and –521C/T) in the modulation of personality traits such as ‘novelty seeking’ or ‘extraversion’, which are supposed to be modulated by individual differences in dopaminergic function. However, several replication studies have not provided positive findings. The present study was performed to further investigate whether DRD4 exon III and –521C/T are associated with individual differences in personality. One hundred and fifteen healthy German volunteers completed the NEO-Five-Factor Inventory (NEO-FFI) and were genotyped for the two DRD4 polymorphisms. We found no association between DRD4exon III and –521C/T, respectively, and estimated novelty seeking, NEO-FFI extraversion or other personality factors. Our findings are in line with several earlier studies which have failed to replicate the initial association results. Hence, our data do not provide evidence for a role of DRD4 exon III and the –521C/T polymorphism in the modulation of novelty seeking and extraversion. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die Technologie der Oligonukleotid-Arrays erlaubt es, tausende von Genen parallel auf ihre Expression hin zu untersuchen. Die Firma metaGen, bei der diese Doktorarbeit entstand, setzt die Genexpressionsanalyse zur Identifikation von Targetmolekülen für die Therapie solider Tumoren ein. Im Zuge dieser Arbeit gelang die Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Datenanalyse für Oligonukleotid-Arrays. Gerade für die Untersuchung humaner Proben ist die Robustheit von großem Interesse, da das Gewebematerial oft nur in sehr begrenzten Mengen und mit Qualitätsschwankungen behaftet vorliegt. Anhand eines eingeschränkten Sets an Kontrollversuchen konnte gezeigt werden, dass die vorgeschlagene Methode besser die Erwartungen an das System erfüllt als herkömmliche Verfahren. Ein weiterer Teil der Arbeit bestand im Aufbau einer relationalen Datenbank und in der schrittweisen Automatisierung der Auswertung. Stellvertretend für andere Krebserkrankungen wurde eine detaillierte Analyse zweier publizierter Expressionsdatensätze zum Bronchialkarzinom vorgenommen. Es konnten zwar in beiden Datensätzen zwischen Tumor- und Normalgewebe differenziell exprimierte Gene identifiziert werden, aber die Gegenüberstellung der Ergebnisse zeigte auch einen deutlichen Einfluss der unterschiedlichen Array-Technologien auf die gemessenen Intensitäten. Der spezielle Aufbau des verwendeten Oligonukleotid-Arrays gestattete die Entdeckung putativer Antisense-Transkripte. Die Koexpression einiger Sense- und Antisense-Sonden ließen sich durch Northern-Blot-Experimente bestätigen. Das unterstreicht das Anwendungspotenzial dieser Technologie für die Genomannotation. In einer Untersuchung der Transkriptome der Bäckerhefe und der Fruchtfliege konnte darüber hinaus ein Zusammenhang zwischen den Längen von Introns und Exons und der mittleren Expression von Genen hergestellt werden. Die Vielfalt der Anwendungen und die Ausbaumöglichkeiten verdeutlichen die Bedeutung und das Potenzial der Array-Technologie für die Genexpressionsanalyse. Eine wichtige Aufgabe bleibt deshalb die weitere Verbesserung der Qualitätskontrolle der Experimente und der Datenanalyse. / Oligonucleotide arrays represent a modern technology for the investigation of the expression of thounsands of genes in parallel. The theses were worked out at the company metaGen that uses gene expression analysis for the identification of target molecules for the therapy of solid tumors. One major achievement was the developement of a robust method for oligonucleotide array data analysis. It turned out that for the investigation of human tissue samples the robustness is crutial because the material is often very limited and of variing quality. Using a restricted set of control experiments the superiority of the method over standard procedures could be demonstrated. A further important part of the work was the construction of a relational database and the automation of the analysis process. To demonstrate the applicability of the methods in cancer research two publicly available lung cancer data sets were analysed. A list of differentially expressed genes was identified. But the comparison also revealed that the expression signals are strongly distorted by technical factors. The special array used at metaGen allowed the discorvery of putative antisense transcripts. Three of the candidates had been validated by Northern-blot analysis. This clearly shows the applicability of the array technology to genome annotations. An analysis of the transcriptoms of the bakers yeast and the fruit fly revealed a relationship between the average gene expression and the lengths of introns and exons. The manifold applications and extentions illustrate the inportance and the potential of the array technology. So that the improvement of the technology and of the data analysis will remain a major concern.

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L’objectif était d’évaluer l’efficacité de thérapies développées pour traiter la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD, due à des mutations du gène de la dystrophine) dans la restauration de déficits cognitifs associés à ce syndrome. Deux pistes thérapeutiques visant à compenser les altérations cérébrales liées à la perte de dystrophine ont été explorées chez les souris mdx, modèle de DMD. Une approche pharmacologique basée sur la surexpression de l’utrophine, homologue de la dystrophine, n’améliore pas les déficits comportementaux des souris mdx. Par contre, une intervention génique basée sur l’épissage de l’exon muté conduit à la restauration d’une dystrophine endogène et une récupération d’altérations cérébrales comme l’agrégation des récepteurs GABAA et la plasticité synaptique hippocampique. Ceci suggère un rôle de la dystrophine dans la plasticité du cerveau adulte et l’applicabilité de cette approche de thérapie génique au traitement des altérations cognitives de la DMD. / Therapies have been developed to treat Duchenne muscular dystrophy (DMD, due to mutation in the dystrophin gene), but their ability to restore the cognitive deficits associated with this syndrome has not been yet studied. We explored two therapeutic approaches to compensate for the brain alterations resulting from the loss of dystrophin in the mdx mouse, a model of DMD. A pharmacological approach based on the overexpression of utrophin, a dystrophin homologue, does not alleviate the behavioural deficits in these mice. In contrast, a genetic intervention based on the splicing of the mutated exon leads to the restoration of endogenous dystrophin and a recovery of brain alterations such as the clustering of GABAA receptors and hippocampal synaptic plasticity in mdx mice. These results suggest a role for dystrophin in adult brain plasticity and indicate that this gene therapy approach is applicable to the treatment of cognitive impairments in DMD.

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Certaines maladies héréditaires monogéniques sont caractérisées par une grande hétérogénéité génétique. Chez des individus présentant un phénotype clinique similaire, les mutations causales peuvent être retrouvées dans un des gènes parmi un sous-ensemble décrits comme impliqués dans la maladie. Cette hétérogénéité génétique limite considérablement les offres diagnostiques pour les patients, et une majorité reste sans diagnostic moléculaire. Nous avons développé une approche diagnostique alternative par séquençage à haut débit ciblé (ciblant spécifiquement les régions codantes des gènes d’intérêt par capture d’exons), au travers de trois pathologies génétiquement hétérogènes : le syndrome de Bardet-Biedl (19 gènes décrits), les leucodystrophies (50 gènes), et la déficience intellectuelle (>400 gènes). Au vu de son efficacité dans le syndrome de Bardet-Biedl et la déficience intellectuelle (80% et 25% de mutations détectées respectivement, soit des taux nettement supérieurs à ceux des méthodes précédentes), elle est depuis appliquée en routine diagnostique. Au-delà du diagnostic, cette approche permet de manière non biaisée de revoir la contribution de chacun des gènes dans la pathologie et donc d’identifier les gènes récurrents, et d’établir de nouvelles corrélations génotype/phénotype. / Some monogenic disorders are characterized by a vast genetic heterogeneity. In individuals with similar clinical phenotype, causative mutations can be found in one gene from a subset described as implicated in the disease. Such genetic heterogeneity limits considerably the diagnostic offer for the patients, and a majority is left without molecular diagnosis. We developed an alternative diagnostic approach by targeted high throughput sequencing (specific to the coding regions of genes of interest by a technique of exon capture) through three genetically heterogeneous disorders: Bardet-Biedl syndrome (19 genes reported), leukodystrophies (50 genes), and intellectual disability (>400 genes). In light of its efficiency, this approach has since been implemented in diagnostic routine for Bardet-Biedl syndrome and intellectual disability (80% and 25% of diagnostic yields respectively, significantly higher than those of previous methods). Beyond diagnosis, this approach allows unbiased means to assess the contribution of each gene in the disease and highlight recurrent genes, and establish new correlations genotype to phenotype, overall providing much insight in the genetics of a particular disease.

Vysoce výkonné sekvenční technologie produkují obrovské množství dat, která mohou odhalit nové geny, identifikovat splice varianty a kvantifikovat genovou expresi v celém genomu. Objem a složitost dat z RNA-seq experimentů vyžadují škálovatelné metody matematické analýzy založené na robustníchstatistických modelech. Je náročné navrhnout integrované pracovní postupy, které zahrnují různé postupy analýzy. Konkrétně jsou to srovnávací testy transkriptů, které jsou komplikovány několika zdroji variability měření a představují řadu statistických problémů. V tomto výzkumu byla sestavena integrovaná transkripční profilová pipeline k produkci nových reprodukovatelných kódů pro získání biologicky interpretovovatelných výsledků. Počínaje anotací údajů RNA-seq a hodnocení kvality je navržen soubor kódů, který slouží pro vizualizaci hodnocení kvality, potřebné pro zajištění RNA-Seq experimentu s analýzou dat. Dále je provedena komplexní diferenciální analýza genových expresí, která poskytuje popisné metody pro testované RNA-Seq data. Pro implementaci analýzy alternativního sestřihu a diferenciálních exonů jsme zlepšili výkon DEXSeq definováním otevřeného čtecího rámce exonového regionu, který se používá alternativně. Dále je popsána nová metodologie pro analýzu diferenciálně exprimované dlouhé nekódující RNA nalezením funkční korelace této RNA se sousedícími diferenciálně exprimovanými geny kódujícími proteiny. Takto je získán jasnější pohled na regulační mechanismus a poskytnuta hypotéza o úloze dlouhé nekódující RNA v regulaci genové exprese.