H2024 - MMD 1045 Génétique #11 JM.pdf

Exploration génomique de la déficience intellectuelle Jacques L. Michaud, MD, FRCP Département de pédiatrie et de neurosciences Université de Montréal Service de génétique médicale CHU Sainte-Justine MMD1045 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Plan de cours 1. Généralités 2. Génomiq...

Exploration génomique de la déficience intellectuelle Jacques L. Michaud, MD, FRCP Département de pédiatrie et de neurosciences Université de Montréal Service de génétique médicale CHU Sainte-Justine MMD1045 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Plan de cours 1. Généralités 2. Génomique des mutations de novo 3. Bases moléculaires de la variabilité de l’expressivité Faculté de médecine de l’Université de Montréal Déficience intellectuelle (DI): définition « La déficience intellectuelle réfère à des limitations substantielles dans le fonctionnement actuel. Elle est caractérisée par un fonctionnement intellectuel sous la moyenne et par l’existence concomittante de limitations dans deux des sphères suivantes ou plus: communication, autonomie, habilités sociales, santé et sécurité, utilisation des ressources sociales, l’apprentissage scolaire, loisirs et travail. Le tout doit survenir avant l’âge de 18 ans. » American Association on Mental Retardation, 1992 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Distribution du quotient intellectuel dans la population -3 -2 Ecart-type -1 0 +1 +2 Faculté de médecine de l’Université de Montréal +3 Déficience intellectuelle Prévalence et impact socio-économique • • • Prévalence prédite sur une base statistique: 2,3% Prévalence observée dans les pays de l’Occident: 1-3% Le problème socio-économique le plus important dans les pays de l’Occident: - les coûts les plus importants de tous les diagnostics de l’ICD-10 9 (> le coût total du cancer et des maladies cardiovasculaires) - coût à vie estimé à > 1M$ par individu en Europe et en Amérique du Nord Les causes de la DI • 20% des cas causés par des facteurs environnementaux - syndrome alcoolo-fœtal (cause environnementale) - prématurité - anoxie - Infection • • 50% des cas: causes génétiques identifiées Cas inexpliqués probablement principalement causés par facteurs génétiques Faculté de médecine de l’Université de Montréal Quelques points de repère • • Retard global de développement versus déficience intellectuelle Déficience légère (QI entre 55 et 70), modérée (40-55) et sévère (QI < 40) Faculté de médecine de l’Université de Montréal Hétérogénéité clinique Forme syndromique: caractérisée par la présence d’anomalies structurales ou métaboliques additionnelles Forme non-syndromique: caractérisée par l’absence d’anomalies additionnelles Faculté de médecine de l’Université de Montréal Déficience intellectuelle et co-morbidités Déficience intellectuelle Épilepsie – 75% des sujets autistes présentent aussi une DI – 20% des sujets autistes sont épileptiques – 20% des sujets avec DI sont épileptiques Autisme Faculté de médecine de l’Université de Montréal Fréquence allélique et ampleur de l’effet Manolio et al., Nature, 461:747-53, 2009 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Modèles génétiques des désordres du neuro-développement Wang et al., Trends in genetics, 2022 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Contribution des variations rares au maladies communes Extrêmement rare Très rare Rare … Commune NLGN3 Syndrome de Miller Déficience du complexe I de la chaîne respiratoire … Déficience intellectuelle, épilepsie, autisme, schizophrénie, etc. Mutation spécifique 1 gène 2-3 gènes … Cibles mutationnelles Plusieurs gènes (ad 1000 gènes pour la déficience intellectuelle ou les maladies mitrochondriales) Adapté de Gilissen C et al, Genome Biol, 2011 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Classification des variants Single nucleotide variant (SNV) * Substitution d’un nucléotide pour un autre * Versus single nucleotide polymorphism (SNP) qui a une fréquence d’au moins 1% dans une population donnée * Si dans régions codantes, distinguer variant synonyme, non-synonyme ou non-sens Indel * insertion ou délétion de 50 paires de base ou moins * indels dans régions codantes peuvent induire un changement de cadre de lecture (frameshift) si l’indel n’est pas un multiple de trois Variants structuraux * réarrangements génomiques de plus de 50 paires de base * délétions, duplications (copy number variant) * translocations et inversions équilibrées Séquences répétées en tandem et éléments transposables Faculté de médecine de l’Université de Montréal Hétérogénéité génétique de la déficience intellectuelle 1) Mutations affectant le nombre de copies • • • Identifiables au caryotype : 5% des cas Identifiables par l’hybridation génomique sur micropuces:14% des cas Le plus souvent, ces mutations surviennent de façon spontanée (de novo), mais peuvent aussi être transmises Exemple: trisomie 21 (cause génétique la plus fréquente de DI) Faculté de médecine de l’Université de Montréal Prévalence des variations de nombre de copies de novo dans différentes populations Itsara et al., 2010 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Hétérogénéité génétique de la déficience intellectuelle 2) Mutations ponctuelles a) Liées au chromosome X ̶ plus de 100 gènes sur le chromosome X associés à la DI ̶ expliquent 10% des cas de DI chez les garçons Exemple: syndrome du X fragile retrouvé chez 2% des garçons/hommes avec DI (cause monogénique de DI la plus fréquente) b) Autosomique (plus de 250 gènes connus) ̶ récessif ̶ dominant (de novo ou transmises) On estime qu’il y a plus de 800 gènes associés à la DI (Ropers, 2010). La grande majorité de ces gènes sont autosomiques. Faculté de médecine de l’Université de Montréal Les mutations ponctuelles de novo (mutations faux-sens et non sens) • • Taux de mutation: ~1.0 x 10-8 • Régions codantes (exome) représentent environ 2% du génome (donc, 1,2 mutations de novo par exome) • Sites CpG sont associés à un taux de mutation 10 X plus grand Génome haploïde: 3 x 109 nucléotides/génome diploïde: 6 x 109 nucléotides (donc, environ 60 mutations de novo par génome diploïde) Faculté de médecine de l’Université de Montréal Mutations de novo Taux de mutations (par génération) - 0.01- 0,02 variations de structure (>100 kb) - 0.16 variations de structure (>20 bp) - 2.94 in/dels (1-20 bp) - 60-70 SNVs (1 SNV/exome) Kloosterman et al. Genome Res. 2015;25:792-801 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Génomique des mutations de novo Séquençage de nouvelle génération Projet Génome Humain 12 ans et 3 000 000 000 $ US Séquençage de nouvelle génération 2 jours et 1 000 $ CAN Faculté de médecine de l’Université de Montréal Le séquençage du génome permet de détecter virtuellement toutes les mutations Meyerson et al, 2010 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Le séquençage du génome permet de détecter virtuellement toutes les mutations Faculté de médecine de l’Université de Montréal Capture de l’exome par une librairie d’oligonucléotides ü Fragmentation de l’ADN ü Hybridation des fragments d’ADN à des oligonucléotides de RNA ü Les hybrides DNA-mRNA capturés par des billes recouvertes de streptavidine üAmplification des fragments capturés ü Séquençage de nouvelle génération Faculté de médecine de l’Université de Montréal Séquençage spécifique des exons capturés Faculté de médecine de l’Université de Montréal Détection de la mutation p.P152R dans MECP2 chez une fille avec syndrome de Rett Faculté de médecine de l’Université de Montréal Différentes modalités d’explorations génomiques caryotype CGH standard exome génome CNV 〈 5 Mb 〈 10 kb Réarrangement équilibré - + - +/+/- + + + - - + - - + - + + - - +/- +/- Mutations ponctuelles - régions codantes - régions non-codantes Expansion de triplets Faculté de médecine de l’Université de Montréal Identification de mutations de novo dans le même gène par l’étude de multiples patients Variations communes aux deux patients Faculté de médecine de l’Université de Montréal Syndrome de Schinzel-Gideon Schinzel and Giedion, Am J Med Genet. 1978;1(4):361-75. Variations Patient 1 Patient 2 Patient 3 Patient 4 Combinés exons et sites d’épissage 12,196 12,255 11,796 10,498 3,331 non-synonymes et sites d’épissage 5,556 5,618 5,427 4,802 1,634 rares 180 186 154 172 1 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Distribution des mutations associées au syndrome de Schinzel-Gideon dans le gène SETBP1 Hoischen et al., Nature Genetics, 2010 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Identification de mutations de novo par l’étude de cas uniques mère père cas-index Faculté de médecine de l’Université de Montréal Séquençage de l’exome en trio pour l’exploration des enfants avec déficience intellectuelle sévère Range of DNMs in probands 41 trios: 81 mutations de novo Moyenne de 2 mutations / cas-index *Excès de mutations de novo *Excès de mutations délétères de novo Faculté de médecine de l’Université de Montréal Hamdan et al, PLoS Genetics, 2014 Exome en trio: rendement diagnostic Genes affected by predicted-damaging DNMs identified herein and their implication in ID Mutation type Missense Nonsense Canonical splice site* Consensus splice site* Frameshift deletion Inframe insertion Frameshift insertion Inframe deletion Synonymous – splicing* ID-associated Genes with likely pathogenic DNMs GRIN2B, TBR1 TCF4, CHD2, HNRNPU, WDR45 Candidate Genes with possibly pathogenic DNMs MYH10, RYR2, EIF2C1, COL4A3BP, PPP2R2B Genes of unknown ψ significance to ID BCORL1, VIPR1, MTUS1, WDR33, R3HDM1, FBXO28, MAPKBP1, KCNH1 GATAD2B GIT1 MBD5, ARID1B, MED13L, FOXG1, SETBP1, WAC GABRB3 SET EGR1, CHMP2A, PPP1CB VPS4A NANS** Rendement diagnostique: 34% Mutations candidates chez 24% des cas Aucun cas expliqué par des mutations héritées Hamdan et al, PLoS Genetics, 2014 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Mutations de novo dans la DI • Une fraction importante des cas de déficiences intellectuelles serait causée par des mutations de novo touchant un seul gène • Ces mutations de novo peuvent être identifiées par le séquençage des exomes de trios parents-enfant • Le défi est de distinguer les mutations bénignes des mutations pathogéniques. Il faut tenir compte des facteurs suivants: - impact de la mutation sur la structure et l’activité de la protéine - fréquence des mutations dans la population cible vs population générale - fonction du gène candidat Faculté de médecine de l’Université de Montréal Impact fonctionnel des mutations dominantes 1) Haploinsuffisance (mutation amorphique) • • Perte complète de la fonction de la protéine (allèle nul) Sensibilité du gène à l’effet de dosage vs mutation hypomorpique Faculté de médecine de l’Université de Montréal Impact fonctionnel des mutations dominantes 2) Dominant-négatif (mutation antimorphique) • La protéine mutante agit de façon antagoniste sur la protéine sauvage Exemple: syndrome de Marfan, ostéogénèse imparfaite type II Veilltia et al., Mechanisms of Mendelian dominance, Clinical Genetics, 93:419-428, 2017 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Impact fonctionnel des mutations dominantes 3) Gain de fonction (mutation néomorphique) • Acquisition d’une activité aberrante Exemple: mutations de FGFR3 associées à l’achondroplasie, l’hypochondroplasie et la dysplasie thanatophore Veilltia et al., Mechanisms of Mendelian dominance, Clinical Genetics, 93:419-428, 2017 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Trouble dans le spectre de l’autisme • • • • Altération qualitative des interactions sociales Altération qualitative de la communication Caractère restreint, répétitif et stéréotypé des comportements, des intérêts et des activités Retard ou caractère anormal du fonctionnement, débutant avant l'âge de trois ans, dans au moins un des domaines suivants: (1) interactions sociales, (2) langage nécessaire à la communication sociale, (3) jeu symbolique ou d'imagination Faculté de médecine de l’Université de Montréal Trouble dans le spectre de l’autisme Exome dans des quatuors - 2,517 ASD simplex families - ≥ 40 X sequence coverage Iossifov et al., Nature 515:216-21 (2014) Faculté de médecine de l’Université de Montréal Contribution des mutations de novo au TSA Iossifov et al., Nature 515:216-21 (2014) Faculté de médecine de l’Université de Montréal Taux de mutations de novo selon l’âge paternel Kong et al., Nature, 2012 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Impact de l’âge paternel sur le taux de mutations de novo 1,46 mutation/year 3,27 mutations/year 3,65 mutations/year Faculté de médecine de l’Université de Montréal Rahbari et al., Nature Genetics, 2016 Évolution de l’âge paternel au cours des siècles en Islande Kong et al., Nature, 2012 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Incidence des formes dominantes monogéniques de déficience intellectuelle J F McRae et al. Nature 1–6 (2017) doi:10.1038/nature21062 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Mosaïque Faculté de médecine de l’Université de Montréal Mosaïque mosaïque somatique mosaïque germinale mosaïque somatique et germinale Faculté de médecine de l’Université de Montréal Mosaïque germinale Risque de transmission d’une mutation de novo à un membre de la fratrie: 1,3% Rahbari et al., Nature Genetics, 2016 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Mutations germinales (héritées ou de novo) et mutations somatiques Annapurna Poduri et al. Science 2013;341:1237758 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Différences entre les génomes de jumeaux monozygotes - Mutations développementales précoces: surviennent entre le « twinning » et la période de différenciation des cellules germinales - 1,3 mutation (2,6 mutations par génome diploîde) retrouvée chez le jumeau-index et chez au moins un de ses enfants, mais pas chez son jumeau ou chez conjoint(e) Jonsson et al., Nature genetics, 2021 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Bases moléculaires de la variabilité de l’expressivité • La pénétrance est la proportion des individus possédant un génotype donné qui exprime le phénotype correspondant • L’expressivité est la manifestation phénotypique de l’anomalie génétique ou chromosomique Faculté de médecine de l’Université de Montréal Inherited and de novo CNVs associated with neurodevelopmental disorders Girirajan S et al. N Engl J Med 2012;367:1321-1331 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Le cas de la microdélétion 16p12.1 (520 kb) Fréquence de la microdélétion dans différentes populations: enfants avec DI contrôles Série 1 20/11,873 2/8,540 p = 0,0009 Série 2 22/9,254 6/6, 299 p = 0,028 10/42 cas avec une deuxième variation de nombre de copies de plus de 500 kb (p = 5,7 X 10-5) Dans 95% des cas, la microdélétion est transmise par un parent sans DI. Faculté de médecine de l’Université de Montréal Un modèle à plusieurs mutations Girirajan S et al. N Engl J Med 2012;367:1321-1331 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Un modèle à deux mutations pour expliquer la variabilité de l’expression Girirajan S , Eichler E E Hum. Mol. Genet. 2010;19:R176-R187 © The Author 2010. Published by Oxford University Press. All rights reserved. For Permissions, please email: [email protected] Faculté de médecine de l’Université de Montréal Facteurs à considérer dans l’évaluation de la pathogénicité d’un CNV • Transmission: de novo vs hérité - un CNV de novo n’est pas d’emblée pathogénique - un CNV hérité n’est pas d’emblée bénin • • Données empiriques Caractéristiques du CNV - taille - Contenu en gènes Faculté de médecine de l’Université de Montréal Tranmission disequilibrium of SNVs in ASD Krumm et al., Nature Genetics, 47:582-588, 2015 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Transmitted mutations in ASD and their effect on phenotype Krumm et al., Nature Genetics, 47:582-588, 2015 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Combined risk models for SNVs and CNVs in ASD Krumm et al., Nature Genetics, 47:582-588, 2015 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Fréquence allélique et ampleur de l’effet Manolio et al., Nature, 461:747-53, 2009 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Why it’s not “Rain Woman”? The Economist, mars 2014 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Déficience intellectuelle liée au chromosome X • • • Excès de garçons/hommes avec DI: 25% Gènes de DI liée au X: >100 Incidence du syndrome du X Fragile: 1/6000 (2% des garçons/hommes avec DI) • • Incidence de mutations dans des cas sporadiques de DI: - ARX 0.13 % - MECP2 0.43 % - SLC6A8 0.35 % Mutations du chromosome X n’expliquent que 10% des cas de DI chez les garçons/hommes Ropers et al., Nature Rev./Genetics, 6:46-57, 2005 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Impact du genre dans les désordres du neuro-développement Figure 1. <1% size 400kb <1% and “ND-list” 1Mb 400kb <0.1% and “ND-list” 1Mb 400kb de novo CNVs b 1Mb 400kb 1Mb < > > < > > < > > < > > CNVs in 9206 Males 5023 2764 1425 995 1610 1183 581 857 576 42 206 159 CNVs in 6379Females 3399 2152 1212 671 1309 1031 409 743 567 30 198 158 ns 1.18 1×10-6 1.28 9×10-9 ns 1.21 2×10-6 1.30 7×10-9 ns 1.28 3×10-6 1.46 8×10-10 ns 1.39 1×10-3 1.46 8×10-4 OR a p value a 1.75 excess of CNVs in females 1.50 ● ● ● ● ● 1.25 OR ● ● 1 ● 2 ● ● 3 ● 4 ● 0.75 0.50 ● ● ● 1.00 ● group Jacquemont et al., AJHG, 2014 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Impact du genre dans les désordres du neuro-développement Signature Genomics dataset SSC ASD dataset Jacquemont et al., AJHG, 2014 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Fréquence allélique et ampleur de l’effet Manolio et al., Nature, 461:747-53, 2009 Faculté de médecine de l’Université de Montréal Modèles génétiques des désordres du neuro-développement Wang et al., Trends in genetics, 2022 Faculté de médecine de l’Université de Montréal