Cours 3 - Génétique et génomique humaine - PDF Première année Bachelor

Génétique et génomique humaine, 1ère année bachelor page de cours moodle : https://moodle.unige.ch/course/view.php?id=1917 GENOME ET VARIABILITE La variabilité des génomes individuels humains Partie 1 (2 x 2h, C. Borel, session 1 et 2 agenda) Types et origine des variants Partie 2 (2h, C. Bor...

Génétique et génomique humaine, 1ère année bachelor page de cours moodle : https://moodle.unige.ch/course/view.php?id=1917 GENOME ET VARIABILITE La variabilité des génomes individuels humains Partie 1 (2 x 2h, C. Borel, session 1 et 2 agenda) Types et origine des variants Partie 2 (2h, C. Borel, session 3 agenda) Conséquences phénotypiques Partie 3 (1h, C. Borel, session 4 agenda) Source de la diversité humaine HEREDITE Les modes de transmission des maladies génétiques Partie 1 (2h, M. Neerman-Arbez, session 5 agenda) Mendélienne monogénique autosomique Partie 2 (1h, M. Neerman-Arbez, session 6 agenda) Liée au chromosome X et mitochondriale Partie 3 (2h, C. Borel, session 7 agenda) Complexe des maladies multifactorielles Génétique et génomique du cancer (2h, T. Nouspikel, session 8 agenda) La médecine de précision/personnalisée (1h, C. Borel, session 9 agenda) TD Génétique humaine (2h, ½ volée, M. Neerman-Arbez, C. Borel)  UNIQUEMENT PENDANT LE COURS Web.speakup.info Site web: https://web.speakup.info/room/join/87493 Numéro de salle speakup: 87493 Clé adm: 6sGsyGE clmjcb5t76590707q7euuf5tcp 2  Les conséquences phénotypiques Darryl Leja/NHGRI Cours de 1ère année Bachelor Génétique et génomique humaine 3 Christelle Borel, PhD, P.D.  807 162 génomes d’individus séquencés Nombre total de variants connus * SNVs 786 500 648 InDels 122 583 462 SVs 1 199 117 Deletions 627 947 Duplications 258 882 CNVs 711 Insertions 296 184 Inversions 2 185 SV complexes 13 116 4 *gnomAd 21.10.2024 >5 x 106 variants / génome 5 La signification clinique des variants Variant Bénin Sans effet notable pour notre santé ? Variant Pathogène Il a été démontré dans la littérature scientifique Expliquent nos différences qu’ils causent le développement de maladies 6 Plan du cours A. La fréquence allélique du variant dans la population B. L’impact fonctionnel des variants selon leur type 7 A. La fréquence allélique du variant dans la population 8 La fréquence allélique, du rare au fréquent MAF: 0.001 0.001 0.005 - 0.01 0.05 0.1% 0.5-1% 5% Variant Variant Variant à Variant faible très rare rare commun fréquence variant polymorphisme (SNP) 9 Modifié d’après M Lek et al. Nature 536, 285–291 (2016) doi:10.1038/nature19057 Web.speakup.info A l’échelle du génome humain, que pouvez-vous dire des variants communs ? 1.4% 3% MAF Figure 1: Répartition des variants du < 1% génome d’une personne en fonction de 1-5% leur MAF. > 5% 95.6% Une réponse à sélectionner: A- les variants communs sont les plus nombreux de tous les variants d’un génome B- les variants communs ne sont pas les plus nombreux de tous les variants d’un génome C- je ne sais pas Réponse: A 10 M Lek et al. Nature 536, 285–291 (2016) doi:10.1038/nature19057 Web.speakup.info Quelle fréquence allélique du variant a de la pertinence pour une maladie génétique très rare ? Une réponse à sélectionner: A- >5% B- 1-5% C- mitoses -> mitoses enfance ENFANCE DIVISIONS CELLULAIRES ARRÊTÉES DIVISIONS CELLULAIRES CONSTANTES -> méioses -> mitoses + méioses Gamète (ovule) Gamètes (spermatozoïdes) Gamète Gamètes (ovule) (spermatozoïdes) 1 OVULATION RENOUVELLEMENT DU STOCK DE MENSUELLE SPERMATOZOIDES EN CONTINU (puberté-ménopause) (à partir de la puberté) 16 NA. Goriely, Nature Genetics 48, 823–824 (2016) et P. CD. Campbell et al. , Nature Genetics (2012), Nov;44(11):1277-81 Source des images freepik et articles Variant de novo et maladie rare 17 B. L’impact fonctionnel des variants selon leur type 18 1- L’impact fonctionnel des SNVs indels inversions ( 50% séquences répétées 25% du génome sont les introns 43 317 gènes non-codants pour des protéines Séquences régulatrices de la transcription ~ 70 000 promoteurs ~ 635 000 sites ADN de liaison à des facteurs de transcription ~ 400 000 enhancers etc. 23 1a- Variants localisés dans des séquences codantes 24 Source image: https://www.khanacademy.org/science/high-school-biology/hs-molecular-genetics/hs-rna-and-protein-synthesis/a/intro-to-gene-expression-central-dogma - 10.11.20  Le code génétique est redondant plusieurs codons pour un même acide aminé (64 codons, 20 a.a) séquence ADN: T / séquence ARN: U 25 C.BOREL  Les conséquences de cette redondance Séquence référence du génome humain …. ATTGGCCTTAACCCCCGATTATCAGGA …. G L N P R L S G un codon 3ème position du codon 2ème position du codon 1ère position du codon Variants qui apparaissent en 3ème position du codon changent que très rarement le type d’acide aminé Variants qui apparaissent en 2ème position du codon changent le type d’acide aminé Variants qui apparaissent en 1ère position du codon changent parfois le type d’acide aminé séquence ADN: T / séquence ARN: U 26 C.BOREL Web.speakup.info Qui code pour qui ? A- Codon stop B- Cystéine C- Tryptophane D- Arginine E- je ne sais pas Seq 1 Seq 2 Seq 3 Seq 4 ADN ARN Acide- Acide- Acide- Acide- aminé aminé aminé aminé 1? 2? 3? 4? 27 Les types de SNV et leurs impacts sur les acides aminés Les variants SNV synonymes n’ont pas d’impact connu car l’acide aminé est inchangé. Variant dite silencieux ou neutre. Les variants SNV non-synonymes résultent en un changement d’acide aminé. La séquence référence du génome humain SNV SNV SNV ADN ARN (codon) Acide aminé faux-sens non-sens synonyme non-synonyme 28 Les variants SNV faux-sens (angl. SNV missense) engendrent un changement d’acide aminé. La séquence référence du génome humain 29 cas 1 (conservative): le codon spécifie un acide aminé biochimiquement équivalent. ex: Lys-> Arg cas 2 (non conservative): Le codon spécifie un acide aminé biochimiquement différent. ex: Lys-> Thr 30 Web.speakup.info Séquence référence: … ACC GAC TAT ATA TAT CCG CAC TAC TTC GAC ACT Séquence avec un variant: … ACC GAC TAC ATA TAT CCG CAC TAC TTC GAC ACT Quel type de variant ? A- SNV synonyme B- SNV faux-sens C- SNV non-sens D- indel synonyme E- je ne sais pas Référence et muté : TDYIYPHYFDT Variant synonyme 31 Les variants SNV non-sens (angl. SNV nonsense) engendrent une protéine tronquée (plus courte) à cause d’une interruption prématurée de la traduction, le plus souvent rendant la protéine non-fonctionnelle (perte de fonction). La séquence référence du génome humain Codon ADN STOP: TAA TAG TGA 32 Impact des indel sur les acides aminés 1- Induit-il un décalage du cadre de lecture ? (angl. in frame, sans décalage /frameshift, avec décalage) 2- Est-il un multiple de 3 ? 3- Analyse de la conséquence sur les acides aminés 33 https://www.genome.gov/genetics-glossary/Frameshift-Mutation  La séquence référence du génome humain Cadre de lecture EXEMPLE: un insertion conduisant à un décalage du cadre de lecture (+1), changement de la composition en acide-aminé et introduction d’un codon stop prématuré Insertion G 34 Web.speakup.info Quel impact pouvez-vous prédire ? si insertion TC: A- change le cadre de lecture B- ne change pas le cadre de lecture C- peut changer la composition en acide aminé de la protéine D- je ne sais pas Réponses correctes: A et C si insertion TCC: A- change le cadre de lecture B- ne change pas le cadre de lecture C- peut changer la composition en acide aminé de la protéine D- je ne sais pas Réponses correctes: B et C 35 Impact des inversions Séquence référence du génome humain …. ATTGGCCTTAACCCCCGATTATCAGGA …. I G L N P R L S G Ex: une inversion de 7 paires de base …. ATTGGCCTTAACTAGCCCCTATCAGGA …. I G L N STOP Ex: une inversion de 7 paires de base …. ATTGGCCCAATTCCCCGATTATCAGGA …. I G P I P R L S G 36 37  MISE AU POINT Caryotype d’une cellule diploïde (en métaphase) 1 chromosome à 2 chromatides 1 chromatide 2 chromatides 1 paire de chromosomes homologues 2 chromatides soeurs Figure cours 2 de G. Andrey, diapositive 8 Caryotype d’une cellule haploïde DIPLOIDE 46 chromosomes à 1 chromatide (en métaphase) 1 chromosome à 1 chromatide DIPLOIDE 46 chromosomes à 2 chromatides HAPLOIDE 23 chromosomes à 1 chromatide 1 chromatide Figure cours 2 de C. Borel, diapositive 38 38 39 1b- Altérations de l’épissage 40 C.BOREL COURS de la prof. Martina Valentini Site donneur Site accepteur Point de branchement 41  L’épissage Transcrit primaire exon7 intron7 exon8 intron8 exon9 L’épissage : site de branchement - initiation par la reconnaissance du point de branchement site donneur site accepteur - identification du site d'épissage 5′ (site donneur) - identification du site d'épissage 3′ (site accepteur) - élimination de l'intron intermédiaire exon7 intron7 exon8 intron8 exon9 ARN messager mature exon7 exon8 exon9 42 https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2211194119 Exemples de défauts d’épissage causés par des variants Utilisation de sites alternatifs en 5’ ou 3’ Rétention d’intron Saut d’exon Transcrit primaire exon7 intron7 exon8 intron8 exon9 exon7 intron7 exon8 intron8 exon9 exon7 intron7 exon8 intron8 exon9 épissage exon7 intron7 exon8 intron8 exon9 exon7 intron7 exon8 intron8 exon9 exon7 intron7 exon8 intron8 exon9 ARN messager mature exon7 ex8 exon9 exon7 intron7 exon8 exon9 exon7 exon9  Utilisation d’un autre site alternatif en 5’  Rétention d’intron  élimination d’un exon  Modification d’un exon  Dégradation de l’ARNm par mécanisme de surveillance NMD (Nonsense-Mediated Decay) 43 Les sites donneurs et accepteurs d’épissage Exon GU A AG exon Probabilité d’usage (ADN) Probabilité d’usage (ADN) exon intron intron exon Site consensus donneur Site consensus accepteur Les maladies génétiques causées par un défaut d’épissage démontrent l’importance des bases suivantes: +1 (G) du site donneur -1 (G) du site accepteur +2 (T) du site donneur -2 (A) du site accepteur +5 (G) du site donneur 44 https://id.erudit.org/iderudit/010549ar 1c- Variants localisés dans des séquences non-codantes 45  Cours 3 de la prof. Martina Valentini Transcription ON Séquence référence: CGTACTCGTAAATTCGTACGTCCATGCGTGCCGTGCTAACG GENE A Transcription OFF Séquence avec un SNV T>G : CGTACGCGTAAATTCGTACGTCCATGCGTGCCGTGCTAACG GENE A 46  Cellules du cerveau Cellules du coeur Cellules du rein Cellules de la thyroïde Transcription du gène A ? Séquence référence OUI NON OUI OUI Séquence SNV T>G NON NON NON NON 47  Cours 3 de la prof. Martina Valentini Séquence référence: CGTACTCGTAAATTCGTACGTCCATGCGTGCCGTGCTAACG GENE A Séquence avec un SNV T>G : CGTACGCGTAAATTCGTACGTCCATGCGTGCCGTGCTAACG GENE A 48  Cellules du cerveau Cellules du coeur Cellules du rein Cellules de la thyroïde Transcription du gène A ? Séquence référence NON NON OUI NON Séquence SNV T>G NON NON NON NON 49 Séquence référence: CGTACTCGTAAATTCGTACGTCCATGCGTGCCGTGCTAACG GENE A Séquence avec un SNV T>G : CGTACGCGTAAATTCGTACGTCCATGCGTGCCGTGCTAACG GENE A 50  Cellules du cerveau Cellules du coeur Cellules du rein Cellules de la thyroïde Transcription du gène A ? Séquence référence NON NON OUI NON Séquence SNV T>G NON OUI OUI NON 51 Dans ces exemples, un variant localisé dans des séquences non-codantes peut modifier le niveau de transcription d’un gène selon le type cellulaire. 52 1d- Prédire l’impact des variants d’un individu 53  Prédire l’impact des SNV, indel d’une personne Le génome d’une personne (4-5 x 106 SNVs indel / individu dont ~70-100 variants de novo/individu) localisation région codante du génome (EXOME) région non-codante du génome (98.5% du génome) 20 000 -25 000 SNVs ~500 indels encore trop peu connu type de variants synonyme non-sens épissage faux-sens indels (~12 000) (~100) (~1 000) (~11 500) (~500) Se localise dans / perturbe ne se localise pas dans / un élément fonctionnel ne perturbe pas un élément fonctionnel effet à analyser effet à analyser impact sans effet Modification des transcrits et/ou protéines sans effet (structure, stabilité, fonction, quantité, localisation dans la cellule etc.) Gain /perte de fonction ? 54 Source: “A global reference for human genetic variation” The 1000 Genomes Project Consortium, Nature, 526, 68-74, 01 oct. 2015 Gain /perte de fonction de la protéine Exemples de fonction stabilité/structure Activité catalytique intéractions quantité aggrégation modification localisation cellulaire 1- Variant perte de fonction (LoF, loss of function) Absence ou fonction réduite de la protéine ou de plusieurs 2- Variant gain de fonction (GoF, gain of function) Fonctionnement anormal de la protéine ou de plusieurs nouvelle fonction fonctionnelle mais dans les mauvaises cellules de l’organisme fonctionnelle mais au mauvais moment 55 https://cdnsciencepub.com/doi/10.1139/bcb-2018-0007 https://bmcmedinformdecismak.biomedcentral.com/articles/10.1186/1472-6947-15-S1-S6/figures/3 2- L’impact moléculaire des SVs 2a- Les impacts des SV 2b- L’impact des anomalies numériques de chromosomes 2c- L’impact des translocations 56 2a- Les impacts des SV 57  La position des SV par rapport aux gènes Altère plusieurs gènes Fusion de 2 gènes Altère l’élément régulateur du gène Patient délétion Patient délétion Patient délétion Référence Référence Référence Référence Patient Patient Référence élément régulateur Référence Patient 58 gène gène La tolérance du gène à la délétion ou la duplication (exemple) enzyme 59 limitant normal saturation- arrêt-dégradation La tolérance du gène à la délétion ou la duplication (exemple) Référence Patient Patient Référence Référence Patient enzyme 60 gène limitant normal saturation- arrêt-dégradation Les maladies syndromiques Perte ou gain de copies : CNV Maladies rares (>100) Symptômes cliniques hétérogènes car plusieurs organes touchés 61 2b- L’impact des anomalies numériques de chromosomes 62  Les Monosomies o Monosomie complète d’un autosome -> létale in utéro o Monosomie du Y -> létales in utéro (45,Y0) o Monosomie du X -> Syndrome de Turner (45,X0) Nombre de gènes /chromosome Les Trisomies des autosomes Chromosomes o Les Trisomies 21, 13 et 18 sont les seules trisomies autosomiques humaines pas létales in utéro 63 2c- L’impact des translocations o translocations robertsoniennes o translocations réciproques 64 Les translocations réciproques Exemple: 46,XY,t(11;22)(q23;q11) Les translocations robertsoniennes Exemple: 45,XY,rob(14;21)(q10;q10) ou 45,XX,rob(14;21)(q10;q10) pas de conséquence pathologique pour le sujet porteur  Risque augmenté de fausses-couches (cf. TD de génétique)  Conséquences possibles pour la descendance (cf. TD de génétique) 65 Méiose Exemple: 45,XY,rob(14;21)(q10;q10) ou 45,XX,rob(14;21)(q10;q10) der: chromosome dérivatif Formation d’un trivalent (pachytène) sens de la ségrégation méiotique 14 14 14 14 4 possibilités der(14;21) der(14;21) der(14;21) der(14;21) de ségrégations 21 21 21 21 Ségrégation Ségrégation adjacente 3:0 ségrégation alterne 8 possibilités nullisomie de gamètes der(14;21) 14;21 14 der(14;21);21 14;der(14;21) 21 14;der(14;21);21 90% des cas Conséquence possible pour la descendance ???? cf. TD de génétique 66 La signification clinique des variants Variant Bénin Sans effet notable pour notre santé ? Variant Pathogène Il a été démontré dans la littérature scientifique Expliquent nos différences qu’ils causent le développement de maladies 67  Le diagnostic génétique des maladies Les maladies diagnostic génétique VARIANT PATHOGÈNE neuro- rein dégénération 40 51% 63 13% ** 70% neuro- SANS diagnostic d’enfants* développement coeur autres génétique 36% 35 24 227 os neuro- cartilage audition musculaire 17 etc. 20 immunité Pou mito chon 10 mon diagnostic génétique vision drie 7 VARIANT DE SIGNIFICATION INCERTAINE 19 métabolique peau 12 11 4 manque d’évidence pour les classer pathogène 68 https://doi.org/10.3390/genes12091427 * Sur 450 patients venus dans un service génétique hospitalier universitaire de Romandie ** varie selon types de maladies Objectifs de cette 3ème séance o Expliquer la fréquence allélique et son implication dans les maladies génétiques o Citer les caractéristiques d’un variant de novo o Expliquer les conséquences de la redondance du code génétique o Différencier les variants SNV synonymes, non-synonymes o Expliquer les variants faux-sens et ses conséquences o Expliquer les variants non-sens et ses conséquences o Expliquer l’origine d’un décalage de lecture et ses conséquences o Citer les bases et sites importants pour un épissage o Décrire un exemple d’un défaut d’épissage d’origine génétique o Expliquer la différence d’une séquence codante et non-codante o Décrire l’exemple d’un variant non-codant qui modifie le taux de transcription d’un gène o Citer les éléments qui expliquent la pathogénicité d’un SV o Expliquer l’impact des monosomies et trisomies o Expliquer les conséquences cliniques pour les porteurs/euses de translocations et leurs descendances 69