Leveraging genome-wide association studies data to inform the biology behind the genetic risk for mitral valve prolapse
Exploitation des données issues d'études d'association pangénomiques pour caractériser les voies biologiques associées au risque génétique du prolapsus de la valve mitrale
Résumé
Mitral valve prolapse (MVP) is a common heart valve disease affecting nearly 1 in 40 individuals in the general population. It is the first indication for valve repair and/or replacement and moreover, a risk factor for mitral regurgitation, an established cause of endocarditis and sudden death. MVP is characterized by excess extracellular matrix secretion and cellular disorganization which leads to bulky valves that are unable to coapt correctly during ventricular systole. Even though several genes including FLNA, DCHS1 TNS1, and LMCD1 were reported to be associated with MVP, these explain partially its heritability. However, understanding the biological mechanisms underlying the genetic susceptibility to MVP is necessary to characterize its triggering mechanisms. In this thesis, I aimed 1) to characterize globally the biological mechanisms involved in the genetic risk for MVP in the context of genome-wide association studies (GWAS), and 2) improve the genotyping resolution using genetic imputation, which allowed the discovery of additional risk genes for MVP. In the first part of my study, I applied pathway enrichment tools (i-GSEA4GWAS, DEPICT) to the GWAS data. I was able to show that genes at risk loci are involved in biological functions relevant to actin filament organization, cytoskeleton biology, and cardiac development. The enrichment for positive regulation of transcription, cell proliferation, and migration motivated the follow-up of GLIS1, a transcription factor that regulates Hedgehog signalling. I followed up the association with MVP in a dataset of cases and controls from the UK Biobank and, in combination with previously available data, I found a genome-wide significant association with MVP (OR=1.22, P=4.36 ×10-10). Through collaborative efforts, immunohistochemistry experiments in mouse indicated that Glis1 is expressed during embryonic development predominantly in nuclei of endothelial and interstitial cells of mitral valves, while Glis1 knockdown using morpholinos caused atrioventricular regurgitation in zebrafish. In the second part of my work, I generated larger genotyping datasets using a imputation based on Haplotyp Refernece Consortium and TOPMed, two large and highly dense imputation panels that were recently made available. I first compared the imputation accuracy between data using HRC and TopMED and found that both panels have low imputation accuracy for rare allele (MAF<0.01). However, the imputation accuracy increased with the input sample size for common variants (MAF>0.05), especially when genotyping platforms were harmonised. I was able to fine map established loci (e.g Chr 2) and also able to identify six novel and promising associated loci. All new loci are driven by common variants that I confirmed as high profile regulatory variants through an extensive computationally-based functional annotations at promising loci that pointed at several candidate genes for valve biology and development (e.g PDGFD and ACTN4). In summary, my PhD work applied up-to-data high throughput genetic association methods and functional enrichment and annotation to GWAS data. My results provide novel insights into the genetics, molecular and cellular basis of valve disease. Further genetic confirmation through replication, but also through biological experiments are expected to consolidate these statistically and computationally supported results.
Le prolapsus de la valve mitrale (MVP) est une valvulopathie fréquente qui touche près de 1 personne sur 40 dans la population générale. Il s'agit de la première indication de réparation et / ou de remplacement de la valve. De nombreux gènes comme FLNA, DCHS1 pour les formes familiales et TNS1 et LMCD1 pour les formes sporadiques ont récemment été décrit comme associés au MVP. Cependant, les défauts génétiques touchant ces gènes n'expliquent pas tous les cas du MVP. De plus, les mécanismes biologiques expliquant la susceptibilité génétique au MVP, notamment pour les formes sporadiques les plus fréquentes restent mal compris. Dans cette thèse, mon objectif était 1) de caractériser globalement les mécanismes biologiques impliqués dans le risque génétique du MVP dans le contexte des études d'association pangénomique (GWAS), et 2) d'améliorer la résolution du génotypage par l'imputation génétique et par l'addition d'une nouvelle étude cas témoins, (UKBioBank) afin de permettre la découverte de nouveaux loci de prédisposition. Dans la première partie, j'ai appliqué des outils d'enrichissement de voies biologiques ou sets de gènes (i-GSEA4GWAS, DEPICT) aux données GWAS. J'ai pu montrer que les gènes présents autour des loci GWAS sont impliqués dans l'organisation des filaments d'actine, l'organisation du cytosquelette et le développement cardiaque. Nous avons également décrits de nombreux régulateurs de la transcription impliqués le développement, la prolifération cellulaire et la migration, comme le gène GLIS1 qui joue un rôle dans les transitions morphologiques cellulaires (EndoMT, MET). Afin de confirmer le rôle de GLIS1 dans l'association avec le MVP, j'ai réalisé une analyse génétique dans UKBiobank et, en combinaison avec les données françaises, l'association a atteint le seuil de significativité génomique. Des expériences d'immunohistochimie ont indiqué que Glis1, la protéine orthologue de la souris est exprimée au cours du développement embryonnaire principalement dans les noyaux des cellules endothéliales et interstitielles des valves mitrales. D'autre part, l'inactivation de Glis1 à l'aide d'oligonucléotides de type Morpholinos ont été l'origine d'une régurgitation atrio-ventriculaire chez le poisson zèbre. Dans la deuxième partie, j'ai généré des données de génotypage plus dense à l'aide d'une imputation basée sur Haplotype Reference Consortium (HRC) et TOPMed. J'ai d'abord comparé la précision d'imputation entre les données utilisant les différents panels et constaté qu'aucun panel n'atteignait une précision optimale pour les variants rares (MAF <0,01) dans nos échantillons. La précision d'imputation s'améliorait pour les variants fréquents (MAF> 0,05), en particulier pour les cohortes dont le génotypage étaient réalisé avec des puces identiques. J'ai pu ainsi cartographier avec plus de précision les loci déjà confirmés (ex. Chr 2 autour de TNS1). J'ai également identifié 6 nouveaux loci associés au MVP prometteurs. Les nouveaux variants associés sont tous fréquents. L'annotation fonctionnelle fine à l'aide de données publiques a indiqué leurs rôles potentiels dans la régulation transcriptionnelle de plusieurs gènes candidats (ex. PDGFD et ACTN4). En résumé, mes travaux de thèse ont apporté des résultats génétiques originaux mettant en lumière de nouveaux mécanismes biologiques en rapport avec la biologie et le développement de la valve. Ces travaux ont fait appel à de nombreuses stratégies génétiques d'association et d'enrichissement, d'imputation haute densité et d'annotations fonctionnelles. Mes travaux ont également été renforcés par des validations dans des modèles animaux en collaboration. Il sera nécessaire toutefois de confirmer par réplication, et potentiellement par des expériences biologiques, les résultats nouveaux issus des travaux d'imputation haute densité afin de déclarer ces nouveaux gènes de prédispositions au MVP.
Origine : Version validée par le jury (STAR)