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<p dir="ltr">Heat stress is one of the leading welfare concerns for modern swine production globally. Swine are especially susceptible as the species has inactive sudoriferous glands and, as a result, these animals thermoregulate mainly through behaviors such as wallowing and rooting up cooler patches of ground. In commercial settings, access to open ground or wallowing pits would present a threat to the animals’ health in the form of a vector for diseases and parasites. This puts aspects of swine welfare in direct conflict with one another, while public legislature and consumer pressures increasingly call for approaches to animal welfare that encompass all aspects of welfare to be considered. Efforts towards improved welfare are also crucial to the environmental and economical sustainability for producers and consumers. Previous genetic selection tactics used in swine herds focused intensely on a few traits and have led to modern animals being highly productive but also more environmentally sensitive. Intensely selected animals have energy margins that are narrower and more devoted to higher production leaving less accommodations for resilience in moments of stress. Since swine behaviorally thermoregulate, the use of behavior studies combined with those of genetics is one possible way to effectively identify heritable aspects of climatic resilience into future herds while still improving production traits. The primary objectives of this thesis were to develop an ethogram that can be used to base phenotypes of behavior; calculate the variance components of the behavior traits; correlate these components with those of maternal productivity and heat tolerance; and finally explore the genetic background of the behavior traits based on the identification of genomic markers significantly associated with them. Data was collected on 1,678 Landrace × Large White sows from a commercial swine herd in North Carolina. The data comprised information on climatic factors, litter performance, and behavior during a standardized human handling procedure in the summer of 2021. These animals were genotyped using the PorcineSNP50K Bead Chip (Illumina, San Diego, CA, USA). These studies describe the development of an ethogram for use on lactating sows in a commercial setting in order to create the novel behavior traits of Responsiveness Score (RS), Vocalization Score (VS), and Shave Time (ST). The genetic variance components were then estimated, and heritabilities found to be 0.17 ± 0.05 for RS, 0.15 ± 0.05 for VS, and 0.10 ± 0.05. These novel behavior traits had low genetic correlations with traits of maternal performance and heat stress resilience. Genome-wide association studies were then performed, and 19 genomic markers were significantly associated with the three behavior traits. However, only one region located on chromosome 3 harbors a candidate gene that may play a role in heat stress resilience. Although the novel behavior traits explored in this study are heritable, they were not found to be viable indicator traits for heat stress resilience due to their low genetic correlations with direct indicators of heat tolerance in lactating sows. It is important that additional phenotypic records of behaviors related to welfare are generated in the future to better map their polygenic nature. </p>

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La dysplasie fibromusculaire artérielle (DFM) est un groupe de pathologies vasculaires non inflammatoires, et non athéromateuses de la paroi artérielle. Elle est caractérisée par la sténose, l'occlusion, l’anévrisme ou la dissection des artères de petit et moyen calibres, en particulier les artères rénales et le tronc supra-aortique. La DFM est un facteur de risque de l’hypertension et de l’accident vasculaire cérébral. Elle touche essentiellement les femmes (80% des cas) de moins de 50 ans. La prévalence en population générale est inconnue et les estimations varient de 0.4% pour les formes cliniques à 4% dans une cohorte de donneurs de reins. Une agrégation familiale a été démontrée et une composante génétique suggérée. L'objectif de mon travail de thèse était de caractériser les bases génétiques la DFM. Dans la première partie, nous avons analysé des variants génétiques rares générés par séquençage d'exomes chez 16 cas apparentés de DFM issus de 7 fratries. Aucun gène majeur n’était muté pour l’ensemble des fratries ou pour au moins 3 fratries sur 7. Cependant, nous avons pu mettre en évidence puis validé un enrichissement en variants rares à fort potentiel fonctionnel de quatre gènes candidats pour la DFM (MYLK, OBSCN, DYNC2H1, RNF213) en combinant l’approche de séquençage d’exomes et l’étude d’association gène entier de 62767 variants rares (MAF < 5%) générés par génotypage avec la puce Exome-chip chez 249 cas non apparentés de DFM et 689 témoins. Cependant, l’implication de ces gènes dans la DFM doit être confirmée dans d’autres familles, et par des études de validations fonctionnelles. Dans la seconde partie, nous avons étudié l'association avec la DFM de 25606 variants fréquents (MAF ≥ 5%) de l’Exome-chip. Les résultats majeurs obtenus ont été répliqués dans une première étude (402 cas de DFM et 2537 témoins) puis dans 3 autres études incluant 512 cas de DFM et 669 témoins. La méta-analyse de l’ensemble a permis d’associer à la DFM le polymorphisme rs9349379-A situé dans l’intron du gène PHACTR1 (OR=1,39 [1,39-1,54] ; P=7,36 ×10-10). Ce variant est aussi un facteur de risque pour la maladie coronaire, la migraine et la dissection de l’artère cervicale. Des études complémentaires conduites chez 2458 volontaires non malades ont permis de montrer que l’allèle à risque pour la DFM, rs9349379-A est associé avec une augmentation de l’épaisseur intima média (P=1,97×10-4) et du rapport de la paroi sur la lumière artérielle (P=0,002), deux paramètres décrits comme augmentés chez les cas de DFM dans des études antérieures. Ensuite, PHACTR1 a été détecté par immunohistochimie dans l’endothélium et les cellules musculaires lisses de carotides dysplasiques et non dysplasiques avec une expression augmentée de PHACTR1 pour les porteurs de l’allèle à risque de DFM dans des cultures primaires de fibroblastes humains (N=86, P=0,003). Enfin, l’invalidation de Phactr1 chez le poisson zèbre conduit à une dilatation des vaisseaux indiquant un défaut du développement vasculaire. Ce travail confirme le caractère multifactoriel et hétérogène de la DFM et ouvre de nouvelles perspectives pour évaluer l’ensemble de la variabilité génomique des patients de DFM par des approches massives de génétique épidémiologique. / Fibromuscular dysplasia (FMD) is a group of nonatherosclerotic and noninflammatory vascular diseases leading to stenosis, aneurysm, dissection and/or occlusion of medium-sized arteries, in particular the renal and extracranial cervical arteries. Clinical manifestations of FMD are hypertension, dizziness, pulsatile tinnitus, transient ischemic attack or stroke, according to the involved arterial beds. FMD occurs predominantly (80% of cases) in females under 50 years with a variable prevalence estimation from 0.4% for asymptomatic clinical relevant forms to 4% in potential renal donors. The pathogenesis of FMD is unknown and a genetic origin is suspected given its demonstrated familial aggregation. The aim of my thesis work was to characterize genetic basis of FMD. In the first part of this thesis, we analyzed whole exome sequencing data in 16 related FMD cases from seven families. No gene harbors variants that were shared by all affected members in at least three out seven families. Using combined strategy of whole exome sequencing and gene based association study of 62,767 rare variants (MAF < 5%) generated by Exome‐chip arrays in 249 unrelated FMD cases and 689 controls, we have identified and validated an enrichment of rare and putatively functional variants in four candidates genes (MYLK, OBSCN, DYNC2H1 and RNF213). This results need to be validated in other FMD families and by functional analysis. In the second part, we analyzed 25,606 common variants (MAF ≥ 5%) generated by Exome‐chip array. Top loci were replicated in first replication study (402 cases and 2,537 controls) and in 3 others studies (512 cases and 669 controls). Meta-analysis of all including 1,154 unrelated FMD cases and 3,895 controls allowed identification of association between FMD and rs9349379-A (OR=1.39 [1.39-1.54]; P=7.4×10‐10). rs9349379 is intronic to PHACTR1, a risk locus for coronary artery disease, migraine, and cervical artery dissection. The analyses of geometrical parameters of carotids from 2,458 healthy volunteers indicated higher intima media thickness (P = 1.97×10‐4) and wall to lumen ratio (P = 0.002) in rs9349379‐A carriers, suggesting indices of carotid hypertrophy as previously described in carotids of FMD patients. Immunohistochemistry detected PHACTR1 in endothelium and smooth muscle cells of FMD and normal human carotids. The expression of PHACTR1 by genotypes in primary human fibroblasts showed higher expression in rs9349379‐A carriers (N=86, P=0.003). Phactr1 knockdown in zebrafish resulted in dilated vessels indicating subtle impairment of vascular development. This work confirms the multifactorial and heterogeneous genetic architecture of the FMD and opens new opportunities to evaluate all of genomic variability of FMD patients with massive genetic epidemiology approaches.

La génomique d'association cherche à déterminer des liens entre le génome et des traits ou phénotypes, notamment dans le contexte de maladies. Aujourd'hui, les études les plus fréquentes en génomique d’association sont les études génome entier, qui analysent autant de variants du génomes (SNPs) que possible, sans avoir de préjugé a priori sur leur fonction biologique. Cependant, les méthodes de génotypage utilisées pour ces études ne permettent pas toujours d'obtenir des informations précises dans une région hypervariable comme la région HLA, qui joue un rôle crucial dans l'immunité, et les variants génétiques de ces régions sont souvent prédits par des approches bioinformatiques. J'ai durant ma thèse créé un nouvel outil, HLA-Check, permettant d'évaluer, à partir des génotypes obtenus par puce de génotypage, la plausibilité de données d'allèles HLA d'un même individu, et démontré que cette technique permettait d'identifier plus précisément les individus dont les allèles HLA avaient été mal caractérisés afin de les retyper ou de les écarter de l'étude. Un article documentant cet outil a été publié dans BMC Bioinformatics. J'ai également effectué une étude d'association génome entier sur le déclenchement de la cirrhose chez les patients co-infectés par le VIH (virus de l'immunodéficience humaine) et le VHC (virus de l'hépatite C). La coinfection par ces deux maladies est fréquente en raison de modes d’infection similaires, et l'infection par le VIH stimule l'activité du VHC et accélère la fibrose du foie puis sa cirrhose, causant la mort des patients co-infectés. Mon étude porte sur 306 patients co-infectés issus de la cohorte ANRS CO-13 HEPAVIH. J'ai ainsi pu mettre en évidence trois signaux associés avec le déclenchement de la cirrhose, dont deux ont un lien pertinent avec les maladies hépatiques (gene CTNND2 et gene MIR7-3HG). L'identification de ces nouveaux variants devrait permettre une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de la cirrhose, et contribuer au développement de nouvelles stratégies diagnostiques ou thérapeutiques. L’article documentant cette étude est en cours de publication. / Association genomics aims at finding links between the genome and some traits or illnesses. Today, the most frequent studies in this field are genome wide association studies (GWAS), which analyze as many genome variants (mainly Single Nucleotide Polymorphisms) as possible, without any a priori on their biological function. However, genotyping methods used in these studies may be insufficient to get reliable information in higly variable regions such as the HLA which plays a crucial role in immunity, and the genetic variants of such regions are often predicted using bioinformatics approaches. During my PhD, I have created a new tool, HLA-Check, that allows to rate the plausibility of HLA alleles from the genotypes obtained from genotyping chips. I also assesses its performances and showed that it was able to point out individuals with a wrong HLA typing, in order to retype them or remove them from the study. An article documenting this tool was published in BMC Bioinformatics. I have also performed a genome-wide association study on cirrhosis outbreak in individuals coinfected with HIV (human immunodeficiency virus) and HCV (hepatitis C virus). Because of similar infection routes (blood-related), co-infection with those two viruses are frequent, and the infection by HIV enhances HCV activity and increases liver fibrosis leading to cirrhosis and death of co-infected patients. Our study has dealt with 306 co-infected patients from the ANRS CO-13 HEPAVIH cohort. I could point out three statistically significant signals, two of them being highly relevant for their involvement in liver diseases (gene CTNND2 and gene MIR7-3HG). The identification of these new variants should lead to a better understanding of the molecular mechanisms involved in cirrhosis, and should contribute to the rational developement of new diagnostic or therapeutic strategies. A publication is under way.

Les maladies neurodégénératives, telles que la maladie d'Alzheimer (AD) et Charcot Marie Tooth (CMT), sont des maladies complexes. Leurs mécanismes pathologiques ne sont toujours pas bien compris et les progrès dans la recherche et le développement de nouvelles thérapies potentielles modifiant la maladie sont lents. Les données catégorielles, comme les échelles de notation et les données sur les études d'association génomique (GWAS), sont largement utilisées dans les maladies neurodégénératives dans le diagnostic, la prédiction et le suivi de la progression. Il est important de comprendre et d'interpréter ces données correctement si nous voulons améliorer la recherche sur les maladies neurodégénératives. Le but de cette thèse est d'utiliser la théorie psychométrique moderne: théorie de la réponse d’item pour analyser ces données catégoriques afin de mieux comprendre les maladies neurodégénératives et de faciliter la recherche de médicaments correspondante. Tout d'abord, nous avons appliqué l'analyse de Rasch afin d'évaluer la validité du score de neuropathie Charcot-Marie-Tooth (CMTNS), un critère important d'évaluation principal pour les essais cliniques de la maladie de CMT. Nous avons ensuite adapté le modèle Rasch à l'analyse des associations génétiques pour identifier les gènes associés à la maladie d'Alzheimer. Cette méthode résume les génotypes catégoriques de plusieurs marqueurs génétiques tels que les polymorphisme nucléotidique (SNPs) en un seul score génétique. Enfin, nous avons calculé l'information mutuelle basée sur la théorie de réponse d’item pour sélectionner les items sensibles dans ADAS-cog, une mesure de fonctionnement cognitif la plus utilisées dans les études de la maladie d'Alzheimer, afin de mieux évaluer le progrès de la maladie. / Neurodegenerative diseases, such as Alzheimer’s disease (AD) and Charcot Marie Tooth (CMT), are complex diseases. Their pathological mechanisms are still not well understood, and the progress in the research and development of new potential disease-modifying therapies is slow. Categorical data like rating scales and Genome-Wide Association Studies (GWAS) data are widely utilized in the neurodegenerative diseases in the diagnosis, prediction and progression monitor. It is important to understand and interpret these data correctly if we want to improve the disease research. The purpose of this thesis is to use the modern psychometric Item Response Theory to analyze these categorical data for better understanding the neurodegenerative diseases and facilitating the corresponding drug research. First, we applied the Rasch analysis in order to assess the validity of the Charcot-Marie-Tooth Neuropathy Score (CMTNS), a main endpoint for the CMT disease clinical trials. We then adapted the Rasch model to the analysis of genetic associations and used to identify genes associated with Alzheimer’s disease by summarizing the categorical genotypes of several genetic markers such as Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) into one genetic score. Finally, to select sensitive items in the most used psychometrical tests for Alzheimer’s disease, we calculated the mutual information based on the item response model to evaluate the sensitivity of each item on the ADAS-cog scale.

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Des anomalies biochimiques de la voie sérotonine-N-acétylsérotonine-mélatonine ont été observées dans les Troubles du Spectre Autistique (TSA) et la prématurité. Cependant, les mécanismes moléculaires de régulation de cette voie et les causes des anomalies biochimiques observées dans ces maladies sont encore mal connus. Afin de mieux comprendre les bases génétiques de la voie sérotonine-N-acétylsérotonine-mélatonine, nous avons utilisé une approche de génétique quantitative au travers de deux populations d’étude indépendantes, dans lesquelles des paramètres de cette voie ont été mesurés. Ces deux cohortes, composées d’une part de plus de 250 familles avec autisme et plus de 300 témoins et d’autre part, de 183 nouveau-nés dont 93 nés très prématurés, incluent ainsi des individus présentant deux situations pathologiques différentes associées à des anomalies de cette voie. Une première étude de la voie sérotonine-N-acétylsérotonine-mélatonine dans les familles avec TSA a permis d’obtenir des estimations de l’héritabilité au sens strict, allant de 0,22 pour la mélatonine à 0,72 pour la N-acétylsérotonine (NAS). Des études d’association portant dans un premier temps sur une liste de 812 gènes candidats pour la régulation de la voie sérotonine-NAS-mélatonine et dans un second temps sur tout le génome, n’ont pas permis d’identifier des variants significativement associés aux traits biochimiques. Cependant, des études d’association par gènes ont permis d’identifier trois nouveaux gènes candidats (IL21R, JMJD7 et MAPKBP1) pour la régulation de cette voie dans les familles avec TSA ainsi qu’un nouveau gène (RAET1G) dans la cohorte de nouveau-nés prématurés et témoins. Enfin une étude biochimique des phénol-sulfotransférases (PST) dans les familles avec TSA a mis en évidence une faible activité enzymatique chez 29% des patients en comparaison avec les témoins (5ème percentile). Le séquençage et le génotypage du nombre de copies des gènes de la famille SULT1A1 n’ont pas permis d’identifier des variations génétiques associées aux TSA, à l’activité PST, ou aux taux de sérotonine et de mélatonine. En conclusion, ces résultats confirment la complexité de l’architecture génétique de la voie sérotonine-NAS-mélatonine. D’autre part, ils ont permis de mettre en évidence une héritabilité élevée de cette voie et d’identifier de nouveaux gènes candidats pour comprendre la diversité inter-individuelle de cette voie chez les personnes avec TSA, les enfants prématurés et la population générale. / Biochemical abnormalities of the serotonin-N-acetylserotonin-melatonin pathway have been reported in many clinical conditions such as Autism Spectrum Disorders and preterm birth. However, molecular mechanisms underlying this pathway regulation, as well as the causes of these biochemical abnormalities remain largely unknown. The aim of this study was thus to characterize the genetic basis of the serotonin-N-acetylserotonin-melatonin pathway. To do so, we used a quantitative genetic approach in two independent populations that were previously biochemically explored for this pathway. One cohort consisted of more than 250 families with ASD and more than 300 controls and the other was composed of 183 infants including 93 very preterm newborns. Both cohorts included individuals with clinical conditions associated with disruptions of the serotonin-N-acetylserotonin-melatonin pathway. Narrow sense heritability analysis of this pathway showed relatively high estimates, ranging from 0.22 for melatonin to 0.72 for N-acetyserotonin (NAS). First, candidate-gene association studies including 812 genes related to the serotonin-NAS-melatonin pathway, then genome-wide association studies were conducted. These analyses did not identify any variant associated at the genome-wide significance level. However, a gene-based approach identified three new candidate genes (IL21R, JMJD7 and MAPKBP1) for the regulation of the pathway in families with ASD as well as one gene (RAET1G) in the cohort of preterm and term newborns. Finally, a biochemical exploration of the phenol-sulfotransferases (PST) in families with ASD revealed a decreased enzyme activity in 29% of patients compared with controls (5th percentile). SULT1A1-4 genes were then sequenced and copy number variants (CNV) were genotyped. No genetic variant could be significantly associated with PST activity, melatonin and serotonin levels, or ASD status. In conclusion, these results confirm the complexity of serotonin-NAS-melatonin pathway genetic architecture. Furthermore, this study revealed high heritability of this pathway and identified new candidate genes to understand the inter-individual variability of this pathway in ASD, preterm birth and the general population.