Introduction aux maladies génomiques PDF

**Introduction aux maladies génomiques** I- Quelques définitions ======================= - Les maladies génétiques regroupent les pathologies qui résultent d'une altération des gènes. - Elles font partie des maladies rares c\'est-à-dire des maladies qui atteignent moins d'une personne...

**Introduction aux maladies génomiques** I- Quelques définitions ======================= - Les maladies génétiques regroupent les pathologies qui résultent d'une altération des gènes. - Elles font partie des maladies rares c\'est-à-dire des maladies qui atteignent moins d'une personne sur 2 000 soit, pour la France, moins de 30 000 personnes malades par pathologie. On estime qu'environ 80% des maladies rares sont d'origine génétique. - Remarque : la trisomie 21 (maladie génétique la + fréquente) n'est pas une maladie rare (1/700 naissances) - **En France, les maladies rares représentent un enjeu de santé publique car les 8 000 maladies rares identifiées à ce jour atteignent plus de 3 millions de personnes soit 4,5% de la population. (Vraie pb de prise en charge)** - Elles concernent dans la moitié des cas des enfants de moins de 5 ans et sont responsables de 10% des décès entre 1 et 5 ans. 10% des maladies monogéniques sont découvertes qu'à l'âge adulte. Les maladies rares font l'objet de Plans Nationaux Maladies Rares : - PNMR1 (2005-2008) - PNMR2 (2011-2015) (dans des centres particuliers) - PNMR3 (2018-2022) D'actions spécifiques au niveau européen. (De DGN clinique, biologique et aussi éducation des familles ) Un grand nombre de ces maladies font également partie des maladies **orphelines** c'est-à-dire des maladies pour lesquelles il n'y a **pas de traitement.** (Enjeux de développer des thérapies). Les maladies génétiques ----------------------- - **Constitutionnelles** : présentes dans le zygote et dans toutes les cellules de l'organisme - **Homogènes ou en mosaïques** (il existe une ou plusieurs populations cellulaires avec une anomalie chromosomique survenue dans les premières divisions embryonnaires) - **Létales avant la naissance** - **Congénitales** : présentes à la naissance (mais toutes ne sont pas d'origine génétique : ex la rubéole) - **D'apparition après la naissance** - **Acquises** : Cancer, anomalies du génome qui surviennent dans 1 seule C, maladie clonale avec envahissement. Peut être un cancer embryonnaire. Classification des maladies génétiques -------------------------------------- - Maladies héréditaires à transmission mendélienne : maladies dont l'apparition est conditionnée par la mutation d'un seul gène situé dans le noyau. On parle également de « **hérédité** **monogénique nucléaire** ». - **Maladies par aberration chromosomique** : maladies dues à une anomalie de nombre ou de structure des chromosomes. - Maladies mitochondriales (cytopathies mitochondriales) : maladies dues à une mutation du génome mitochondrial et dont **l'hérédité est maternelle**. Il est à noter que des cytopathies mitochondriales peuvent être la conséquence de mutations du génome nucléaire. La transmission est alors mendélienne Pathologies génétiques : anomalies chromosomiques et/ou génique ----------------------------------------------------------------- [II- Pathologies chromosomiques] -------------------------------------------- A\) [Anomalies de nombre des chromosomes : pathologies de la mitose et de la méiose] ### Définitions - PLOÏDIE : 23 chromosomes = n - DIPLOÏDIE : 2n = 46 chromosomes - ANEUPLOÏDIE : 2n +/- a. - 47,XX, +21 : trisomie 21 - 45,X : mosonomie X - POLYPLOÏDIE : multiple de n\> (a)n : Hyperploïdie / Hypoploïdie : pathologie de la fécondation ### Pathologie de la mitose À CHAQUE DIVISION CELLULAIRE : - La répartition du matériel génétique doit se faire à l'identique entre les deux cellules filles - Point de départ : début de phase S (duplication de l'ADN) - Si problèmes : - Cancer - Anomalies chromosomiques dans les embryons avant l'implantation - Dans des lignées cellulaires : perte d'un chromosome toutes les 250 à 20.000 divisions (Burns E.M et al. 1999) ### Ségrégation des chromosomes  **Controle de la mitose** 3 points de controle de la - phase G1/S = entrée de la mitose - G2 = gap vérifie phrase S s'il y a des cassures ### Anomalies de la mitose ### Instabilités chromosomiques dans les premières mitoses embryonnaires Des la première division d'un zygote ; dans 80% des cas il y a des anomalies, division très instable =\> mosaïques = embryons composé d'assortiments chromosiques différents. ### Types de mosaïcisme embryonnaire  Auj on est la car 50% des zygotes ne donnent pas de blastocystes = ne s'implantent pas. À J3 le génome est en place et corrige au max =\> pouvoir de reproduction = faible (50% s'implantent) [B) Pathologie de la méiose] ### [La méiose ]  Méiose réductionnelle où on sépare les chromosomes de chaque paire puis méiose équationnelle où on obtient des lots haploïdes **[Méiose normale]** ### [Non disjonction méiotique MI ] Quand fécondation avec le conjoint =\> 3K donc moyen de faire une trisomie. **Séparation prématurée des chromatides soeurs en M1. La trisomie 21 est une pathologie de la méiose.** Pour le D =\> trisomie aussi ### [Non disjonction méiotique MII ] - non séparation des homologues lors de M1 - Séparation prématurée des chromatides soeurs M1 - Anomalies de la ségrégation : les chromatides soeurs ne sont pas séparés et elles sont dans le même gamète ### [Anomalies de la méiose maternelle ] - 20% à 25% des ovocytes (1- 2% chez la souris et 1/10000 chez la levure) - augmentation avec l'âge maternel car méioses maternelles existent dès l'embryon. Au moment de puberté, pic de LH permet à méioses qui étaient en état de pauser de se développer. Mais à 40 ans sont là depuis 40 ans, protéines qui régulent méiose sont usées, méioses moins stables. - Chromosomes 15, 16, 21 et 22 et gonosomes - Fausses-couches précoces (75% des Fausses couches précoces liées à anomalie chromosomique) - Non mosaïques (ce qu'on a vu avec les mosaïques arrivent après formation de gamètes où divisions sont instables). En additionnant les anomalies méiotiques et les anomalies mitotiques des premières divisions mitotiques , on obtient que **25% de grossesses par zygote conçu** ++ =\> **Faible pouvoir reproductif des humains lié aux aneuploïdies méiotiques et mosaïques mitotiques** ### [Fréquence des anomalies de nombre de chromosomes à la naissance ]  DI = Déficit Intellectuel. La trisomie = PAS UNE RARE Trisomie 21 la plus commune et la seule viable au long terme. 13 et 18 peuvent vivre quelques mois. Peu de gène donc déséquilibre peu important. Syndrome de Turner, filles ne peuvent pas faire d'enfant car pas de méise. Syndrome de Klinefelter stérilité [C) Anomalies de structure] ### Cassures « double brins » - DIFFÉRENTS TYPES DE STRESS VONT ENTRAINER DES CASSURES DANS L'ADN - Stress génotoxique : - Radiation, substances chimiques - Stress oxydatif : dérivés réactifs à l'oxygène (ROS) toxique pour l'ADN : - 2x10^4^ atteintes de l'intégrité de l'ADN surviennent chez un individu chaque jour largement attribué à des ROS - 10 cassures doubles brins par cellule chaque jour **^[Anomalie\ de\ structure]^** DÉSÉQUILIBRÉE = gains ou pertes génomiques (délétions, duplications, amplifications\...) ÉQUILIBRÉE = pas de perte chromosomique (en général, n'entraine pas de phénotype. MAIS ATTENTION PATHOLOGIE DES POINTS DE CASSURE. - Cellulaire - Microscope - Limites = Résolution : 5 à 10 Mb, Nécessité d'avoir des mitose, Examen morphologique, Pas de rapport phénotype - génotype moléculaire - Cellulaire - Résolution de la taille d'une sonde \> 20 kb - Limites = Etude non globale du génome Voit les pertes, les gains et les anomalies équilibrées.. Ici on voit des délétions  [D) Ségrégation méiotique d'une anomalie équilibrée, l'exemple des translocations] 1/3 des couples ont une anomalie chromosomique équilibrée, les plus courantes sont les translocations (= échange entre des régions chromosomiques) ### Les translocations réciproques et leurs conséquences en pathologies constitutionnelles - Échange de fragments de chromatides entre chromosomes non homologues. - Elles peuvent être équilibrées ou s'accompagner de remaniements infra - microscopiques au niveau des points de cassure - Le plus souvent le point de cassure survient dans une zone non codante (\> 95% du génome) - Dans la très grande majorité des cas, elles ne génèrent pas de phénotype - 1 individu sans phénotype de RM et de malformation congénitale sur 500-600 est porteur d'une translocation équilibrée ### Les translocations réciproques ### Ségrégation méiotique d'une translocation équilibrée ### Diagramme du pachytène : le quadrivalent  Pas retenir nom ségrégation. Va-t-il avoir pathologie si alterne ? Non car anomalie équilibrée.  Déséquilibre≠ =\> phénotype ≠ Lorsqu'on a une anomalie chromosomique équilibre chez un parent, du fait de la méiose, on peut avoir, générer des embryons qui ont des génotypes déséquilibrés, mais ≠ **[Arbre généalogique avec des phénotypes différents ]** Maladie génétique qui se transmet de générations en générations, mais avec des phénotypes ≠ (carrés remplis≠) =\> évoque une maladie chromosomiques Cette formes d'arbres généalogique évoque une anomalie équilibrée qui se transmet dans la Ce qui n'ont pas de phénotypes anormaux = équilibrés, mais peuvent avoir des descendance avec phénotype à cause de ségrégation ### [Microremaniements récurrents ] - MICROREMANIEMENTS = TAILLE INFÉRIEURE À 5 MB (non visibles au caryotype) - RÉCURRENTS = ANOMALIES DONT LA FRÉQUENCE EST PLUS ÉLEVÉE QUE NE LE VOUDRAIT LE HASARD car séquences qui favorisent ces remaniements - ELLES SONT MÉDIÉES PAR L'EXISTENCE DE SÉQUENCES OU DE STRUCTURES PARTICULIÈRES DE L'ADN - Les translocatons Robertsoniennes - Les translocatons liées aux séquences répétées palindromiques ou autres... - LES MICROREMANIEMENTS LIÉES À L'EXISTENCE DES DUPLICATIONS SEGMENTAIRES OU LOW COPY REPEATS (L.C.R) ### Les duplications segmentaires (ou Low copy repeats) - 10 - 400Kb - 97% d'identité - Gènes, cluster de gènes, pseudo-gènes, séquences rétro-virales, autres - près de centromères et des télomères  ### DS et diversité humaine ### Duplications segmentaires en méiose ### Microremaniements par recombinaison homologue non allélique (NAHR) Génèrent des pertes et des gains : des microdélétions et des microduplications de la même régions. La c'est tjrs la même région qui est en tort : fréquente ET récurrentes [III- Pathologie génique du génome nucléaire] --------------------------------------------------------- - Les individus qui portent sur les deux chromosomes homologues le même allèle sont qualifiés d'**homozygotes.** - Les individus qui portent sur les deux chromosomes homologues deux allèles différents sont qualifiés d'**hétérozygotes.** - Pour les locus portés par le **chromosome X**, seules les femmes sont hétérozygotes, les hommes étant **hémizygotes.** - Un individu qui porte à un locus donné deux allèles différents et différents de l'allèle « normal » ou « sauvage » est qualifié d'**hétérozygote composite.** (Ex : mutation su l'alale A et autre mutation sur l'allèle B chacun est hétérozygote par rapport à l'autre) - Un individu qui porte à deux locus différents deux allèles différents est qualifié de **double hétérozygote. =\> 2 gènes atteints** ### [Mode d'hérédité autosomique récessif ] Il faut que les deux copies du gène soient atteintes pour qu'il puisse avoir la maladie (Mucovicidose, drépanocytose) Les 2 parents sont normaux, ils sont hétérozygotes. La maladie ne va pas s'exprimer au niveau des parents, mais au niveau d'une fratrie ### Maladie qui est homozygote autosomique récessive Drépanocytose (Anémie falciforme) : hémoglobine S (« Sickle ») Les personnes AS = + résistante au paludisme =\> se reproduisent + que les AA car - sensibles au paludisme. Mais : 1 chance sur 4 de faire un enfant atteint de drépanocytose ### [Mode d'hérédité autosomique dominant ] Il suffit d'avoir un seul allèle pour que la maladie puisse s'exprimer. 1 fois sur 2 on donne l'allèle qui entraine la maladie. Ca traverse les familles ≠ du récessif ou les hétérozygotes sont normaux. ### Neurofibromatose de type 1 (maladie de Von Recklinghausen )
 Cellules de Schwan qui vient des crêtes neurales. C'est une maladie autosomique dominant. Un individu peut avoir des formes variées de la maladie. **Expression variable** = peut sauter une génération. ### [Mode d'hérédité liée au chromosome X ] Myopathie de Duchenne de Boulogne / Hémophilies : ### Hérédité récessive liée au chromosome X Dépistage des femmes conductrices -1/ Analyse extensive de l'arbre généalogique - 2/ Recherche de signes cliniques mineurs (cf. inactivation de l'X) -- - 3/ Recherche de signes biologiques mineurs (CPK, Facteur VIII,..) - 4/ Analyse de génétique moléculaire : ### [Inactivation du chromosome X ] [A)Pathologie du génome mitochondrial] 5 à 10 copies d'ADN Mt par mitochondries 500 à 1000 mitochondries par cellules =\> 5000 copies d'ADN Mt/ cellule Code 37 gènes dont les 13 protéines de la chaine respiratoire (le reste, environ 500 est codé par l'ADN nucléaire) Code génétique légèrement différent que Structure différente de l'ADN nucléaire : pas d'intron, pas de séquence répétée 13 gènes de la chaine respiratoires et Il y a des ARN de transfert et ribosomaux. ### [Code génétique ] (Génome nucléaire et génome mitochondrial - **4 codons interprétés différemment)**  ### [Chaine respiratoire ] 1.Complexe 1 : NADH réductase 2.Complexe 2 : Succinate -Q reductase 3.Complexe 3 : Ubiquinol/ cytochrome c. réductase 4.Complexe 4 : Cytochrome C Oxydase 
 ### Présentation clinique des cytopathies mitochondriales 1. 2. 3. 4. \- Fonctionnels **Cytopathie mitochondriale ?** 1/ Investigation métabolique *in vivo :* lactate, pyruvate, corps cétoniques rapport redox cytoplasmiques et mitochondriaux, enzymologie 2/ Étude ADN ### [Transmission maternelle exclusive de l'ADN mitochondrial ]  Cytopathie mitochondrial liées à des mutations, des délétions de l'ADN mitochondrial =\> c'est maternel. Quand y a anomalies =\> va se refléter dans des organes qui consomment bcp d'énergie : cardiopathie, des myopathies (coeur, cerveau, muscles). Territoires ≠ peuvent être touchés car le nb de mitochondries atteintes peut varier d'une cellule à une autre cellule =\> **hétéroplasmie**. Quand y a bcp de mitochondries atteintes =\> anomalies mais si pas bcp le phénotype peut être normal. Pas comme mitose nucléaire classique, ici y'a pas de mitose elles se répartissent comme elles peuvent. ### [Stratégie d'étude devant la découverte d'un variant génomique ] IV- Exemple d'étude d'un variant génomique détecté par Whole Genome Sequencing ============================================================================== Variations nucléotidiques : SNV ------------------------------- Quand on trouve une anomalie dans le génome il faut absolument exclure que ce n'est pas une anomalie présente chez les témoins. Variations structurales : SV ---------------------------- **Variations de séquence ADN : polymorphisme, variant rare ou mutation ?** 1/ **Arguments « bioinformatiques »** : bases de données, HGMD, \... 2/ **Arguments moléculaires** : Nature et situation : mutations « tronquantes » Vs. faux-sens Logiciels de prédiction 3/ **Arguments génétiques** : - Ségrégation familiale - Variation *de novo* ou héritée - Étude de témoins. Mise en avant de toutes les séquences différentes des parents, et celles qui ne seraient pas liées à polymorphisme. **4/ Argument de génomique comparative et conservation (phylogénie)** : - Conservation entre espèces / dans une famille protéique 5/ **Arguments fonctionnels *in vitro*** : Tests fonctionnels : transcrit, tests cellulaire, biochimique, immunologique, \... 6/ **Arguments fonctionnels *in vivo*** : Modèle animal (spontané ou expérimental) Analyse d'un variant nucléotidique ----------------------------------  Une maladie : de multiples mutations (hétérogènéité allélique) -------------------------------------------------------------- A\) [Whole Genome Sequencing]  Principe du WGS --------------- Profondeur : Nombre moyen de reads couvrant une région Couverture : taux de bases couvertes par des reads Détection des variants structuraux ---------------------------------- Détectons des remaniements déséquilibrés Analyse des paires de reads :
 Distance entre 2 *reads* par rapport à la référence  Détections des variants structuraux ----------------------------------- Détections des remaniements déséquilibrés (CNVS) - Analyse de la profondeur (read depth): - Densité de reads proportionnelle au nombre de copies Détections des remaniements équilibrés -------------------------------------- - Analyse des paires de reads - Position, distance, orientation des reads : alignement aberrant Mutation G \> T au nv du site d'épissage =\> mauvais épissage d'après les données. On regarde le gène auquel c'est lié et cela pourrait expliquer bcp de symptômes mais pas d'explication de l'agnésie dentaire. On poursuit recherche et on remarque duplication d'un gène qui intervient croissance des dents et muté donne agénésie dentaire. ================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================ Conclusion ========== AVÈNEMENT DE LA MÉDECINE GÉNOMIQUE NÉCESSITÉ D'UNE CONNAISSANCE DE L'ARCHITECTURE, DE LA STRUCTURE ET DE LA PHYSIOLOGIE DU GÉNOME, DE LA FONCTION DES GÈNES GÉNÉTIQUE BIOLOGIQUE : VS ET SNV