Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le sujet de recherche vise à étudier la question de la brevetabilité des gènes humains dans un contexte plus large de questionnement de la brevetabilité du vivant et d'appréhension de ces concepts par le droit de la propriété industrielle. Le régime établi depuis les années 2000 en France a consisté à introduire les gènes humains au sein de la brevetabilité. L'adéquation des critères propres au droit des brevets au regard de la spécificité de l'objet interroge, ainsi que le choix même d'intégrer les gènes au sein de la brevetabilité. L'étude des gènes non codants, des techniques de clonage et de modification des cellules souches est exclue. Seuls les gènes codants ayant une fonction spécifique seront traités. Des incursions sont réalisées dans le but de comparer l'état du droit aux États-Unis et au Canada aux principes adoptés au sein de l'Union Européenne. Ces incursions permettent de mettre en exergue les points communs et divergences ainsi que de questionner l'opportunité des différentes positions adoptées. Le sujet soulève des enjeux de nature juridique mais également éthique et politique. Le corps humain est un sujet particulièrement délicat, propre à soulever de nombreuses controverses. Sa brevetabilité interroge mais participe du progrès scientifique. Bien qu'il n'y ait pas une actualité législative forte concernant la brevetabilité des gènes humains, le sujet de recherche présente une acuité au regard du développement incessant des biotechnologies, élargissant le champ des possibles en la matière et interrogeant la nécessité d'une modification du régime juridique existant. Tout particulièrement, le ciseau moléculaire CRISPR-Cas9 remet en question de nombreux concepts établis.

Découvert en 1977, l'épissage est une étape de maturation post-transcriptionnelle consistant à rabouter les exons et éliminer les introns d'un ARN pré-messager. Pour que l'épissage soit correctement pris en charge par l'épisome et ses protéines auxiliaires, différents signaux sont présents le long de la séquence de l'ARN pré-messager. Il est maintenant reconnu que près de la moitié des mutations pathogènes chez l'homme impactent l'épissage, aboutissant à un dysfonctionnement du gène. Il est ainsi indispensable pour les biologistes d'être capables de détecter ces signaux sur une séquence génomique.Cette thèse a donc pour but de concevoir de nouveaux algorithmes permettant d'apporter la puissance de calcul des ordinateurs au service de la biologie de l'épissage. La solution proposée, Human Splicing Finder (HSF), est capable de prédire les trois types de signaux d'épissage à partir d'une séquence quelconque extraite du génome humain. Nous avons évalué l'efficacité de prédiction d'HSF dans l'ensemble des situations associées à des mutations pathogènes pour lesquelles il a été démontré expérimentalement leur impact sur l'épissage et par rapport aux autres algorithmes de prédiction. Parallèlement à ces apports directs tant pour la connaissance des processus biologiques de l'épissage que pour le diagnostic, les nouvelles approches thérapeutiques génotype-spécifiques peuvent également bénéficier de ces nouveaux algorithmes. Ainsi HSF permet de mieux cibler les oligonucléotides anti-sens utilisés pour induire le saut d'exon dans la myopathie de Duchenne et les dysferlinopathies.La reconnaissance récente de l'intérêt majeur de l'épissage dans des domaines aussi variés que la recherche fondamentale, la thérapeutique et le diagnostic nécessitaient un point central d'accès aux signaux d'épissage. HSF a pour objet de remplir ce rôle, en étant régulièrement mis à jour pour intégrer de nouvelles connaissances, et est d'ores et déjà reconnu comme un outil de référence. / Discovered in 1977, splicing is a post-transcriptional maturation process that consists in link-ing exons together and removing introns from a pre-messanger RNA. For splicing to be cor-rectly undertaken by the spliceosome and its auxiliary proteins, several signals are located along the pre-messanger RNA sequence. Nearly half of pathogenous mutations in humans are now recognized to impact splicing and leading to a gene dysfunction. Therefore it is es-sential for biologists to detect those signals in any genomic sequence.Thus, the goals of this thesis were to conceive new algorithms: i) to identify splicing signals; ii) to predict the impact of mutations on these signals and iii) to give access to this information to researchers thanks to the power of bioinformatics. The proposed solution, Human Splicing Finder (HSF), is a web application able to predict all types of splicing signals hidden in any sequence extracted from the human genome. We demonstrated the prediction's efficiency of HSF for all situations associated with pathogenous mutations for which an impact on splicing has been experimentally demonstrated. Along with these direct benefits for the knowledge of biological processes for splicing and diagnosis, new genotype-specific therapeutic approaches can also benefit from these new algorithms. Thus, HSF allows to better target antisense olignucleotides used to induce exon skipping in Duchenne myopathy and dysferlinopathies.The recent recognition of the major interest of splicing in various domains such as fundamen-tal research, therapeutics and diagnosis needed a one stop shop for splicing signals. HSF has for object to fulfill this need, being regularly updated to integrate new knowledge and is already recognized as an international reference tool.

Pas de résumé / Chronic mucocutaneous candidiasis (CMC) is seen in human patients with a variety of conditions and refers to recurrent or persistent infection of the skin, nails and/or mucosae by commensal Candida species. Its pathogenesis had long remained elusive, until human genetic studies of rare patients with inherited forms of idiopathic CMC (whether isolated or syndromic), incriminated impaired interleukin (IL)-17A/F immunity. The first genetic etiologies of idiopathic isolated CMC, autosomal dominant (AD) IL-17F and autosomal recessive (AR) IL-17 receptor A (IL-17RA) deficiencies, were reported in 2011 in a multiplex and in a sporadic case, respectively. Using Whole Exome Sequencing (WES), we identified 26 novel patients bearing 15 different homozygous mutations in the IL17RA gene. The mutations identified are either nonsense; missense; frameshift deletions; frameshift insertions; or non-coding essential splice site mutations. Interestingly, 2 alleles encode for surface expressed receptors, whereas all the other tested alleles are not detected at the surface of the patient’s cells (fibroblasts or leucocytes). IL-17RA deficiency is a fully penetrant AR disease, with early onset symptoms, usually within the first year of life. CMC is always present. In addition, 17 patients present with staphylococcal skin infections, and some patients with pyogenic infections of the respiratory tract, including pneumonia. Interestingly, tuberculosis occurred in two unrelated BCG-vaccinated patients. The response to IL-17A and IL-17F homo- and heterodimers is abrogated in fibroblasts, as well as the response to IL-17E/IL-25 in T cells. Human IL-17RA is thus essential for mucocutaneous immunity against Candida and Staphylococcus, but otherwise largely redundant. AR IL-17RA deficiency should be considered in children or adults with CMC, cutaneous staphylococcal disease, or both. In a separate project, I investigated a female child patient born to consanguineous parents who suffered from CMC, recurrent viral infections, disseminated BCG disease and biliary cryptosporidiosis, suggestive of combined immunodeficiency, and who is homozygous for a mutation in REL, encoding the NF-kB protein c-REL. Sanger sequencing confirmed that the patient is homozygous and that both parents are heterozygous for the mutation, consistent with an AR inheritance. The candidate mutation is a nucleotide substitution localized in an acceptor splice site; is not reported in available public databases; and is predicted to be damaging in silico. The mutation disrupts mRNA splicing and is loss-of expression. The patient shows normal counts of lymphoid subsets, with the exception of diminished frequencies of memory CD4+ T, Th2, Th1*, and memory B cells. The patient’s T cells fail to proliferate in response to recall antigens. Naïve CD4+ T cells produce little IL-2 and respond poorly to polyclonal stimulation, a phenotype reverted by exogenous IL-2. Memory CD4+ T cells also produce little amounts of IL-2, and strongly diminished amounts of key effector cytokines (IFN-γ, IL-4, IL-17A and IL-21). The patient exhibited with no detectable specific antibody response following vaccination. Survival and therefore proliferation of naïve B cells are compromised leading to poor generation of plasma cell, and immunoglobulins secretion. The patient shows normal counts of myeloid cells, and frequencies of dendritic cell subsets. IL-12 production is abolished in whole blood in response to BCG+IFN-γ and B-EBV cells in response to mitogens. Although further investigation is needed to fully characterize the patient’s phenotype, these results strongly suggest that the patient suffers from AR complete c-REL deficiency.

L'étude des parentés génétiques permet à l'anthropologie d'identifier la place du sujet au sein des différentes structures dans lesquelles il évolue : l'individu est membre d'une famille biologique, d'un groupe social et d'une population. L'application des méthodes probabilistes classiques (établies pour répondre à des problématiques de médecine légale, comme la méthode des Likelihood Ratios (LR) ou " Rapports de vraisemblance ") aux données STR issues du matériel archéologique a permis la découverte de nombreux liens de parenté, qui ensemble constituent des généalogies parfois complexes. Notre pratique prolongée de ces méthodes nous a cependant amenés à identifier certaines limites de l'interprétation des données STR, en particulier dans les cas de parentés complexes, distantes ou consanguines, ou dans des populations isolées, méconnues ou disparues. Ce travail de thèse s'attache en premier lieu à quantifier la fiabilité et l'efficacité de la méthode des LR dans quatre situations : une population moderne avec une grande diversité allélique, une population moderne avec une faible diversité allélique, une population ancienne de grande taille et une population ancienne de petite taille. Les publications récentes font usage des marqueurs plus nombreux issus des nouvelles technologies de séquençage (NGS) pour mettre en place de nouvelles stratégies de détection des parentés, basées en particulier sur l'analyse des segments chromosomiques partagés par ascendance entre les individus (segments IBD). Ces méthodes ont rendu possible l'estimation plus fiable de probabilités de parenté dans le matériel ancien. Elles sont néanmoins inadaptées à certaines situations caractéristiques de la génétique des parentés archéologiques : elles ne sont pas conçues pour fonctionner avec une seule paire isolée d'individus et reposent, comme les méthodes classiques, sur l'estimation de la diversité allélique dans la population. Nous proposons donc une quantification de la fiabilité et de l'efficacité de la méthode des segments partagés à partir de données NGS, en s'attachant à déterminer la qualité des résultats dans les différentes situations qui correspondent à des tailles de population plus ou moins importantes et à une hétérogénéité plus ou moins grande de l'échantillonnage.[...] / The study of genetic kinship allows anthropology to identify the place of an individual within which they evolve: a biological family, a social group, a population. The application of classical probabilistic methods (that were established to solve cases in legal medicine, such as Likelihood Ratios, or LR) to STR data from archaeological material has permitted the discovery of numerous parental links which together constitute genealogies both simple and complex. Our continued practice of these methods has however led us to identify limits to the interpretation of STR data, especially in cases of complex, distant or inbred kinship. The first part of the present work is constituted by the estimation of the reliability and the efficacy of the LR method in four situations: a large modern population with significant allelic diversity, a large modern population with poor allelic diversity, a large ancient population and a small ancient population. Recent publications use the more numerous markers analysed using Next generation Sequencing (NGS) to implement new strategies in the detection of kinship, especially based on the analysis of chromosome segments shared due to common ancestry (IBD "Identity-by-Descent" segments). These methods have permitted the more reliable estimation of kinship probabilities in ancient material. They are nevertheless ill-suited to certain typical situations that are characteristic of ancient DNA studies: they were not conceived to function using single pairs of isolated individuals and they depend, like classical methods, on the estimation of allelic diversity in the population. We therefore propose the quantification of the reliability and efficiency of the IBD segment method using NGS data, focusing on the estimation of the quality of results in different situations with populations of different sizes and different sets of more or less heterogeneous samples.[...]

Le macrosatellite RNU2 est constitué de répétitions en tandem d'une unité de 6,1 kb. Largement étudié pendant les années 1980 et 1990, il est maintenant oublié des études pan-génomiques du fait de son absence du génome de référence. J'ai dans un premier temps finement caractérisé ce macrosatellite, en réalisant un assemblage in silico de la région génomique, en développant un code-barres pour la technique de peignage moléculaire et en analysant les données du projet 1000 Génomes. J'ai ainsi validé la localisation du locus RNU2 124 kb en amont de BRCA1, et affiné les données de polymorphisme en montrant que le nombre allélique de copies pouvait varier entre 5 et 82 chez 42 individus. J'ai tiré profit de sa localisation au sein d'un large bloc de déséquilibre de liaison pour définir le taux de mutation de ce macrosatellite à l'origine du nombre important d'allèles identifiables au sein de la population générale. Compte tenu de sa proximité avec BRCA1 et de son fort taux de polymorphisme, j'ai étudié le nombre global de copies du CNV dans 2 cohortes de cas de cancer du sein et témoins associés. J'ai montré que le nombre global de copies est significativement plus élevé chez les cas que chez les témoins. Ce travail suggère que le nombre de copies du macrosatellite RNU2 pourrait être impliqué dans la prédisposition génétique au cancer du sein, impliquant ainsi pour la première fois un CNV dans un mécanisme d'inactivation d'un gène de prédisposition au cancer

Les pathologies du vieillissement prostatique (cancer de la prostate, hyperplasie bénigne de la prostate, déficit androgénique lié à l'âge) sont fréquentes, représentant un problème de santé publique. Leur prévalence s'accroit au gré du vieillissement de la population. Si leur coïncidence épidémiologique est claire, les liens physiopathologiques les unissant restent mal connus. Grâce aux progrès de la génétique, et notamment les associations d'étude du génome entier, la quantification du risque génétique du cancer de la prostate sporadique a été documentée par la découverte de loci de susceptibilité. Néanmoins, l'utilisation de ces marqueurs en pratique courante n'a pas fait la preuve de sa rentabilité, dans le complexe débat du dépistage du cancer de la prostate. La prédisposition génétique au vieillissement pathologique bénin de la prostate, en particulier vers l'HBP, est encore très peu étudiée. De plus amples travaux sont nécessaires pour caractériser la genèse et l'évolution du vieillissement prostatique. Du point de vue du traitement, la prise en charge diagnostique du vieillissement prostatique évolue avec de nouveaux biomarqueurs. Le poids respectif de ces outils diagnostiques multiples reste à déterminer avec un triple objectif : (i) mettre en place des arbres de décision permettent de cibler les biopsies prostatiques, (ii) intégrer à la prise en charge diagnostique les pathologies bénignes comme l'HBP dont le bilan, le traitement et le suivi sont connexes à la problématique du CaP et (iii) considérer tout au long de la prise en charge les pathologies associées tel le syndrome métabolique, dans l'objectif d'une démarche multidisciplinaire.

Parmi les 10 à 15% de couples confrontés à des problèmes d'infertilité, l'étiologie est masculine dans la moitié des cas. La présence d'une anomalie chromosomique constitutionnelle, ou d'une anomalie génique (microdélétions du chromosome Y, mutations dans Aurora Kinase c -AURKc-) ou encore un ADN spermatique fragmenté peuvent être une des causes d'infertilité masculine. Ce travail a consisté à étudier, par FISH (Fluorescent in situ Hybridization), l'équipement chromosomique des gamètes d'hommes infertiles que le caryotype lymphocytaire soit normal ou non et le taux de fragmentation de l'ADN spermatique chez ces patients, par la méthode TUNEL (Terminal Uridine Nick-end Labeling). Par ailleurs, nous avons mis en place des techniques permettant de rechercher laprésence de microdélétions sur le chromosome Y et de mutations sur AURKc. Chez des patients présentant une tératozoospermie, le taux de gamètes chromosomiquement déséquilibrés s'échelonne de 0,47% à 100%. De plus, leur taux de fragmentation est 12 fois supérieur à celui des témoins (14,6% versus 1,2%). Chez les patients porteurs d'une anomalie de structure constitutionnelle, l'analyse de la ségrégation méiotique révèle des taux de gamètes chromosomiquement déséquilibrés de 0% à 65,60% selon l'anomalie de structure (translocation réciproque équilibrée, translocation robertsonienne ou inversion péricentrique). Leur taux de fragmentation de l'ADN spermatique est compris entre 1% et 27%. Les gamètes chromosomiquement déséquilibrés ont un ADN plus fragmenté que les normaux/équilibrés. L'étude de la ségrégation méiotique et de la fragmentation sont complémentaires dans l'exploration de l'infertilité masculine.

L'espèce canine (Canis lupus familiaris) rassemble plus de 350 races issues d'une sélection artificielle drastique menée par l'Homme au cours des derniers siècles. De ce fait, chaque race peut être considérée comme un isolat génétique développant chacune des affections génétiques de manière spontanée avec parfois de fortes fréquences. Ainsi, l'espèce canine constitue un modèle puissant pour identifier les gènes et allèles responsables de ces affections homologues à certaines maladies génétiques humaines. Mon premier projet a porté sur la recherche des causes génétiques de deux kératodermies plantaires chez le terrier irlandais et le dogue de Bordeaux. En combinant plusieurs analyses d'association (GWAS : « Genome Wide Association Study ») et des techniques de séquençage NGS (Next Generation Sequencing), un nouveau gène muté a été identifié pour le terrier irlandais. Concernant les dogues de Bordeaux, nous avons génotypé plus de 170 000 SNPs sur plus de 200 dogues. Une analyse de liaison génétique a permis d'identifier un locus de 20 Mb sur le chromosome 9 contenant un cluster de kératines. En combinant les données cliniques et génétiques, la kératine 16 s'avérait le meilleur gène candidat. Son séquençage complet a permis d'identifier une mutation complexe générant une protéine tronquée. Des analyses de PCR quantitatives ont révélé que ce gène muté était sous exprimé chez les individus atteints. Ce travail nous permet donc de proposer cette race de chien comme le premier modèle animal spontané de kératodermie focale non-épidermolytique (FNEPPK). En parallèle de ce projet, j'ai mené des recherches sur les bases moléculaires d'un syndrome d'automutilation acrale décrit dans plusieurs races. Cette neuropathie est homologue aux neuropathies héréditaires sensitives et autonomes (HSANs) chez l'Homme et se caractérise par une perte de sensibilité à la douleur au niveau des membres. A partir d'un GWAS, j'ai pu identifier un locus de 1,5 Mb chez le chien, dont l'orthologue humain n'est pas encore décrit chez des patients HSANs. Le séquençage complet de ce locus a mené à l'identification d'un variant situé dans une région cis-enhancer en amont d'un gène candidat. La mise en évidence d'une sous-expression du gène candidat indique que ce variant régulateur semblerait modifier l'activité de l'enhancer nous permettant de le proposer comme la mutation causale chez le chien. Cette découverte offre donc de nouvelles perspectives de recherche pour des patients humains atteints de neuropathies héréditaires sensitives. En combinant des approches génétiques complémentaires sur des modèles spontanés de maladies bien caractérisées chez le chien, j'ai pu participer à l'identification de trois nouveaux gènes, dont deux excellents candidats pour ces maladies homologues humaines. Le troisième représente un vrai modèle spontané de kératodermie K16, ouvrant ainsi des perspectives thérapeutiques qui bénéficieront à l'Homme et au chien. / The dog species (Canis lupus familiaris) contains more than 350 distinct breeds resulting from human drastic selection during the last centuries. Each breed can then be considered as a genetic isolate, developing specific spontaneous genetic diseases with high frequencies. Thus, dogs constitute a powerful model to identify new genes and alleles involved in disorders homologous to human diseases. For my thesis, I worked on two main topics. The first one focused on the search of the genetic causes of two footpad keratodermas in the Irish terrier and the dogue de Bordeaux breeds. Concerning the Irish terrier, the work was conduced by Tosso Leeb’s team in the University of Berne, in collaboration with the Antagene Company. Using a Genome Wide Association Study (GWAS) and Next Generation Sequencing (NGS), the mutation in a new gene has been identified in footpad hyperkeratosis in this breed. For the dogue de Bordeaux project, we genotyped more than 170 000 SNPs on over 200 dogs. We then performed a genetic linkage study with a subset of 68 dogs, including 14 affected dogs. We identified a significant locus of 20 Mb on the canine chromosome 9 containing one keratin cluster. Comparing clinical, histopathological and immunochemistry data, keratin 16 appeared as an excellent candidate. The sequencing of the gene revealed a complex mutation leading to a non-functional truncated K16 protein. Quantitative RT-PCR analyses showed a strong decrease of the level of KRT16 expression in affected footpads. These results led to propose the dogue de Bordeaux footpad hyperkeratosis as the first spontaneous model of focal non-epidermolytic palmoplantar keratoderma (FNEPPK). In parallel, I studied an acral mutilation syndrome described in several hunting dog breeds. This neuropathy corresponds to human hereditary sensory and autonomic neuropathies (HSANs) and is characterized by an insensitivity to pain only in the limb. With a classical GWAS strategy, using 24 affected and 30 unaffected dogs, we identified a 1.5 Mb locus in dogs, the human orthologous locus being still unknown in human patients. Targeted sequencing of this locus revealed one single variant localized in a cis-enhancer region closed to a strong candidate gene. A lower level of expression of the candidate gene in affected dogs seems to show a functional effect of the mutation in the enhancer activity. These results led to propose this variant as the causative mutation for this canine neuropathy, and so this canine model as an opportunity to identify a new human HSAN gene. Combining complementary genetic approaches on spontaneous models of well characterized canine diseases, I did participated to the identification of three new genes, two of which being novel excellent candidates for the homologous human diseases. The third represents a true homologous model of KRT16 human keratoderma, opening the field to the development of new treatments benefiting to both humans and dogs.

Les biotechnologies constituent aujourd'hui un secteur d'activités dynamique offrant de nouvelles perspectives d'innovations. Ces connaissances, permettant d'allier deux entités jusqu'ici traitées séparément, la technique et le vivant, sont en proie de révolutionner notre rapport au monde à de nombreux égards. La présente étude a plus spécifiquement vocation à se pencher sur les innovations biologiques produites à partir d'éléments extraits du corps humain, tels que les cellules souches et les gènes. La biologie cellulaire et le génie génétique se sont imposés comme des secteurs phares des biotechnologies en raison des progrès significatifs qu'ils pourraient permettre pour le traitement de certaines maladies génétiques rares. Toutefois, la protection juridique devant être octroyée à ce type de créations suscite un flot de réactions souvent très partagées au sein de l'opinion publique. Si le brevet est reconnu comme l'outil de propriété industrielle privilégié pour protéger efficacement les inventions, son application au domaine du vivant, et qui plus est au corps humain, demeure plus délicate et controversée. L'inadéquation des critères de brevetabilité aux inventions biotechnologiques fait aujourd'hui obstacle à la prise en considération de ces nouvelles formes de créations par la propriété intellectuelle. Ce projet de recherche s'inscrit dans une perspective globale et transversale, visant à comprendre en quoi le domaine brevetable est influencé par une série de considérations éthiques et par la superposition d'intérêts économiques et sociaux divergents. Il s'agit ainsi de tenter de clarifier les délimitations de l'objet brevetable et de réfléchir à l'opportunité de nouvelles admissions dans le champ de la brevetabilité tout en maintenant certains garde-fous essentiels à la protection des droits fondamentaux individuels. Dès lors, cette étude s'intéresse aux outils et stratégies disponibles afin de renforcer la coopération entre les acteurs impliqués dans ce débat et d'assurer un meilleur équilibre entre les différents intérêts en présence. / Biotechnologies are now a key economic sector offering new prospects for innovation. Technology and life are brought together in a single discipline to develop new knowledge that could revolutionize our world's vision in many ways. Our study focuses on biological innovations made up of elements extracted from the human body, such as stem cells ang genes. Cell biology and genetic engineering are the most attractive and dynamic areas of biotechnology. They are leading to major advances in the treatment of some rare genetic diseases. However, the legal protection of these forms of inventions raises a lot of issues and leads to a flood of divergent reactions in public opinion. Patent is traditionally recognized as the most appropriate industrial property tool to protect inventions. Its application to the life field and especially to human body remains however more controversial. The difficulties stemming from patentability criteria where biotechnological inventions are concerned illustrate the shortcomings of industrial property law in grasping these new forms of creation. This report adopts a global and transversal point of view in order to understand how the scope of patentability is influenced by a range of ethical considerations as well as economic and social interests. The main objective of this work is to clarify the boundaries of patentability and to reflect on the opportunity of new admissions as patent-eligible subject matter while ensuring protection of human fundamental rights such as bodily integrity and human dignity. This paper brings up the tools and strategies that could be used to strengthen cooperation between the different actors involved in this debate but also to ensure a better balance of interests at stake.