xiii, 145 p. : ill. (some col.) / The goal of functional genomics is to elucidate the relationship between an organism's genotype and phenotype. A key characteristic of functional genomics is the use of genome-wide approaches as opposed to more traditional single-gene approaches. Genome-wide expression profiling is used to investigate the dynamic properties of transcriptomes, provides insights into how biological functions are encoded in genomes, and is an important technique in functional genomics. This dissertation describes the use of genome-wide expression profiling and other functional genomics techniques to address a variety of biological questions related to development and disease of the nervous system. Our results reveal novel and important insights into nervous system development and disease and demonstrate the power of functional genomics approaches for the study of nervous system biology. This dissertation also describes a novel technique called TUtagging that facilitates cell type-specific RNA isolation from intact complex tissues. The isolation of RNA from specific cell types within a complex tissue is a major limiting factor in the application of genome-wide expression profiling, and TU-tagging can be used to address a wide array of interesting and important biological questions. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material. / Committee in charge: Dr. John Postlethwait， Chair； Dr. Chris Doe， Advisor； Dr. Bruce Bowerman， Member； Dr. Patrick Phillips， Member； Dr. Tom Stevens， Outside Member

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La maladie de Crohn (MC) et la colite ulcéreuse (CU) sont des maladies inflammatoires chroniques du tube digestif qu’on regroupe sous le terme maladies inflammatoires de l’intestin (MII). Les mécanismes moléculaires menant au développement des MII ne sont pas entièrement connus, mais des études génétiques et fonctionnelles ont permis de mettre en évidence des interactions entre des prédispositions génétiques et des facteurs environnementaux - notamment la flore intestinale – qui contribuent au développement d’une dérégulation de la réponse immunitaire menant à l’inflammation de la muqueuse intestinale. Des études d’association pangénomiques et ciblées ont permis d’identifier plusieurs gènes de susceptibilité aux MII mais les estimations de la contribution de ces gènes à l’héritabilité suggèrent que plusieurs gènes restent à découvrir. Certains d’entre eux peuvent se trouver dans les régions identifiées par des études de liaison génétique. L’objectif de mon projet de doctorat était d’identifier un ou des facteurs de risque génétique dans la région chromosomale 19p (identifiée comme région de liaison IBD6) et de le/les caractériser au niveau fonctionnel. Nous avons d’abord entrepris une cartographie d’association de la région 19p. À la suite du génotypage successif de deux cohortes indépendantes, nous avons identifié un SNP intronique et quatre SNP codants dont un non-synonyme, rs8108738, tous localisés dans le gène microtubule associated serine threonine kinase gene-3 (MAST3) et associés aux MII. Peu d’information fonctionnelle sur MAST3 était disponible. Par contre MAST2, une protéine encodée par un gène de la même famille, régule l’activité du facteur de transcription inflammatoire NF-kappaB. Nous avons confirmé l’implication de MAST3 dans l’activité de NF-kappaB via un knockdown de MAST3 et des essais gène-rapporteur. Pour poursuivre la caractérisation fonctionnelle de MAST3, nous avons choisi une approche non ciblée pour étudier les effets de la variation des niveaux d’expression de MAST3 sur la cellule. C’est-à-dire que nous avons créé un 1er modèle cellulaire de surexpression du gène MAST3 dans les cellules HEK293 et analysé l’expression pangénomique endogène. La validation de l’expression génique dans un 2e modèle cellulaire de knockdown et de type cellulaire différent (THP1), nous a permis d’identifier et de contrer les effets non-spécifiques dus aux niveaux non-physiologiques. Notre étude d’expression a mené à l’identification d’un groupe de gènes dont l’expression est régulée par MAST3. Ces gènes sont majoritairement impliqués dans des fonctions immunitaires (cytokines pro-inflammatoires, régulateurs de NF-kappaB, migration cellulaire, etc.) et une forte proportion est régulée par NF-kappaB. Nous avons évalué l’importance du groupe de gènes régulés par MAST3 dans la présentation clinique des MII à travers des études d’expression dans des biopsies intestinales de patients atteints de CU. Nous avons constaté que l’expression de ces gènes est significativement supérieure dans les régions enflammées par rapport aux régions saines de la muqueuse intestinale des patients atteints de CU. Globalement, les résultats de nos études suggèrent que le facteur de risque aux MII MAST3 agit via la voie du facteur de transcription NF-kappaB pour influencer l’expression d’un groupe de gènes impliqués dans l’inflammation intestinale typique des MII. Chaque étude génétique sur les MII a le potentiel d’orienter les recherches fonctionnelles vers de nouvelles voies biologiques causales. Le dévoilement des mécanismes moléculaires sous-jacents à ces voies permet d’augmenter les connaissances sur le développement de ces maladies vers une compréhension plus complète de la pathogenèse qui permettra d’optimiser le diagnostic et le traitement de ces maladies. / Inflammatory bowel diseases (IBD) refer to different chronic inflammatory diseases of the digestive tract mainly Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC). Mechanisms leading to the pathogenesis of IBD are not completely understood, but genetic and functional studies have highlighted interactions between genetic predispositions and environmental factors, such as the intestinal microbiota, as contributors to the deregulation of the immune response that leads to inflammation of the intestinal mucosa. Genome-wide and targeted association studies have identified several IBD susceptibility genes. However, estimations of the contribution of these genes to heritability of the disease suggest that more are to be discovered. Some of these genes may be in previously identified IBD linkage regions. The objective of my doctoral project was first, to identify risk factors in the 19p chromosomal region (IBD6), previously identified following a genome-wide linkage study, then to characterise them functionally. We first performed a comprehensive association mapping study of the 19p region. Our two-stage genotyping strategy led to the identification of one intronic SNP and four coding SNP –including one non-synonymous SNP, rs8108738 – all located in the microtubule associated serine threonine kinase gene 3 (MAST3) and associated to IBD. Very limited functional information on MAST3 was available at that time. However MAST2 (a gene in the same family as MAST3), is involved in the regulation of inflammation master switch, transcription factor NF-B. We confirmed the involvement of MAST3 in the modulation of NF-B via a knockdown of MAST3 and gene reporter assays. In order to further characterize the function of MAST3, we chose a non-targeted approach to study the effects of the modulation of MAST3 levels on the cell. More specifically, we created a 1st cell model of MAST3 overexpression in HEK293 cells and analysed the resulting genome-wide endogenous gene expression. Validation in a 2nd cell model consisting of a knockdown of MAST3 in THP1 cells, allowed to identify non-specific gene expression due to non-physiological MAST3 levels. Our expression study led to the identification of a group of genes whose expression is modulated by MAST3. These genes are mainly involved in immune functions (pro-inflammatory cytokines, NF-B regulation, cellular migration, etc) and a majority is regulated by transcription factor NF-B. We evaluated the importance of this MAST3-regulated gene set in the clinical manifestation of IBD through an expression study on biopsies of UC patients. We found that the expression the MAST3-regulated gene set was significantly enriched in inflamed region of the intestinal mucosa of UC patients compared to healthy region. Taken together, the results of our study suggest that IBD risk factor MAST3 acts on the NF-B pathway to influence the expression of a group of genes involved in intestinal inflammation typical of IBD. Every genetic study on IBD has the potential to lead functional research towards new causal biological pathways. The unravelling of the molecular mechanisms underlying these pathways aims to improve the comprehension of the pathogenesis of IBD and hopefully will allow for optimization of diagnostic and treatment of these diseases.

La maladie de Crohn (MC) et la colite ulcéreuse (CU) sont des maladies inflammatoires chroniques du tube digestif qu’on regroupe sous le terme maladies inflammatoires de l’intestin (MII). Les mécanismes moléculaires menant au développement des MII ne sont pas entièrement connus, mais des études génétiques et fonctionnelles ont permis de mettre en évidence des interactions entre des prédispositions génétiques et des facteurs environnementaux - notamment la flore intestinale – qui contribuent au développement d’une dérégulation de la réponse immunitaire menant à l’inflammation de la muqueuse intestinale. Des études d’association pangénomiques et ciblées ont permis d’identifier plusieurs gènes de susceptibilité aux MII mais les estimations de la contribution de ces gènes à l’héritabilité suggèrent que plusieurs gènes restent à découvrir. Certains d’entre eux peuvent se trouver dans les régions identifiées par des études de liaison génétique. L’objectif de mon projet de doctorat était d’identifier un ou des facteurs de risque génétique dans la région chromosomale 19p (identifiée comme région de liaison IBD6) et de le/les caractériser au niveau fonctionnel. Nous avons d’abord entrepris une cartographie d’association de la région 19p. À la suite du génotypage successif de deux cohortes indépendantes, nous avons identifié un SNP intronique et quatre SNP codants dont un non-synonyme, rs8108738, tous localisés dans le gène microtubule associated serine threonine kinase gene-3 (MAST3) et associés aux MII. Peu d’information fonctionnelle sur MAST3 était disponible. Par contre MAST2, une protéine encodée par un gène de la même famille, régule l’activité du facteur de transcription inflammatoire NF-kappaB. Nous avons confirmé l’implication de MAST3 dans l’activité de NF-kappaB via un knockdown de MAST3 et des essais gène-rapporteur. Pour poursuivre la caractérisation fonctionnelle de MAST3, nous avons choisi une approche non ciblée pour étudier les effets de la variation des niveaux d’expression de MAST3 sur la cellule. C’est-à-dire que nous avons créé un 1er modèle cellulaire de surexpression du gène MAST3 dans les cellules HEK293 et analysé l’expression pangénomique endogène. La validation de l’expression génique dans un 2e modèle cellulaire de knockdown et de type cellulaire différent (THP1), nous a permis d’identifier et de contrer les effets non-spécifiques dus aux niveaux non-physiologiques. Notre étude d’expression a mené à l’identification d’un groupe de gènes dont l’expression est régulée par MAST3. Ces gènes sont majoritairement impliqués dans des fonctions immunitaires (cytokines pro-inflammatoires, régulateurs de NF-kappaB, migration cellulaire, etc.) et une forte proportion est régulée par NF-kappaB. Nous avons évalué l’importance du groupe de gènes régulés par MAST3 dans la présentation clinique des MII à travers des études d’expression dans des biopsies intestinales de patients atteints de CU. Nous avons constaté que l’expression de ces gènes est significativement supérieure dans les régions enflammées par rapport aux régions saines de la muqueuse intestinale des patients atteints de CU. Globalement, les résultats de nos études suggèrent que le facteur de risque aux MII MAST3 agit via la voie du facteur de transcription NF-kappaB pour influencer l’expression d’un groupe de gènes impliqués dans l’inflammation intestinale typique des MII. Chaque étude génétique sur les MII a le potentiel d’orienter les recherches fonctionnelles vers de nouvelles voies biologiques causales. Le dévoilement des mécanismes moléculaires sous-jacents à ces voies permet d’augmenter les connaissances sur le développement de ces maladies vers une compréhension plus complète de la pathogenèse qui permettra d’optimiser le diagnostic et le traitement de ces maladies. / Inflammatory bowel diseases (IBD) refer to different chronic inflammatory diseases of the digestive tract mainly Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC). Mechanisms leading to the pathogenesis of IBD are not completely understood, but genetic and functional studies have highlighted interactions between genetic predispositions and environmental factors, such as the intestinal microbiota, as contributors to the deregulation of the immune response that leads to inflammation of the intestinal mucosa. Genome-wide and targeted association studies have identified several IBD susceptibility genes. However, estimations of the contribution of these genes to heritability of the disease suggest that more are to be discovered. Some of these genes may be in previously identified IBD linkage regions. The objective of my doctoral project was first, to identify risk factors in the 19p chromosomal region (IBD6), previously identified following a genome-wide linkage study, then to characterise them functionally. We first performed a comprehensive association mapping study of the 19p region. Our two-stage genotyping strategy led to the identification of one intronic SNP and four coding SNP –including one non-synonymous SNP, rs8108738 – all located in the microtubule associated serine threonine kinase gene 3 (MAST3) and associated to IBD. Very limited functional information on MAST3 was available at that time. However MAST2 (a gene in the same family as MAST3), is involved in the regulation of inflammation master switch, transcription factor NF-B. We confirmed the involvement of MAST3 in the modulation of NF-B via a knockdown of MAST3 and gene reporter assays. In order to further characterize the function of MAST3, we chose a non-targeted approach to study the effects of the modulation of MAST3 levels on the cell. More specifically, we created a 1st cell model of MAST3 overexpression in HEK293 cells and analysed the resulting genome-wide endogenous gene expression. Validation in a 2nd cell model consisting of a knockdown of MAST3 in THP1 cells, allowed to identify non-specific gene expression due to non-physiological MAST3 levels. Our expression study led to the identification of a group of genes whose expression is modulated by MAST3. These genes are mainly involved in immune functions (pro-inflammatory cytokines, NF-B regulation, cellular migration, etc) and a majority is regulated by transcription factor NF-B. We evaluated the importance of this MAST3-regulated gene set in the clinical manifestation of IBD through an expression study on biopsies of UC patients. We found that the expression the MAST3-regulated gene set was significantly enriched in inflamed region of the intestinal mucosa of UC patients compared to healthy region. Taken together, the results of our study suggest that IBD risk factor MAST3 acts on the NF-B pathway to influence the expression of a group of genes involved in intestinal inflammation typical of IBD. Every genetic study on IBD has the potential to lead functional research towards new causal biological pathways. The unravelling of the molecular mechanisms underlying these pathways aims to improve the comprehension of the pathogenesis of IBD and hopefully will allow for optimization of diagnostic and treatment of these diseases.