Pr. A. CALENDER Dr. C. BARDEL • Début XXème siècle : U. Yule, W. Castle, G. Hardy and W. Weinberg, S. Wright, R. Fisher, JBS Haldane : modèles mathématiques de la structure génétique des populations • 1960-2000 : application des techniques de biochimie et génétique moléculaire pour étudier les fréquences d’isoformes protéiques, d’allèles, aux niveaux protéique et ADN Evaluation des fréquences alléliques, des différents allèles de chaque gène (locus) des fréquences génotypiques dans la population et les variations de ces fréquences d’une génération À l’autre (n, n+1, n+2, n+n’) Population P Groupe d’individus partageant un ensemble commun de gènes dans une aire géographique, réellement ou potentiellement interféconds HARDY GODFREY HAROLD (1877-1947) Mathématicien anglais, né à Granleigh, dans le Surrey, et mort à Cambridge. Godfrey Harold Hardy fit ses études au Trinity College de Cambridge, où il enseigna de 1906 à 1919. En 1908, il découvre, en même temps que le physicien W. Weinberg, mais indépendamment de lui, la loi de HardyWeinberg, qui décrit l'équilibre génétique au sein d'une population et qui aura une très grande importance pour l'étude des facteurs Rhésus dans les groupes sanguins Wilhelm WEINBERG (1862-1937) Gynécologue obstétricien et physicien, il publia en 1908, de manière indépendante les principes de base de la Loi. Son travail ne fut reconnu que 35 ans après et associé au travail de HARDY. Probablement fut il le premier, mais son article rédigé en allemand fit que cette reconnaissance a été tardive, associée au fait qu’il fut le premier également à reconnaître les biais de la loi, reconnus aujourd’hui comme écarts à la Loi de HW Pr. A. CALENDER – 2010-2011 Les génotypes sont ils distribués au hasard dans l’espace et dans le temps ? Existe-t-il une structuration de la variation ? Quels sont les processus qui affectent le pool de gènes de la population ? Ces processus induisent-ils une divergence entre les populations ? F(a) 0,5 Temps (générations) Tableau de PUNNETT Une population en équilibre La loi de Hardy-Weinberg Une population est idéale lorsque 1. La population est de taille infinie. 2. Les individus s'y unissent aléatoirement, impliquant l'union aléatoire des gamètes. Il n'y a donc pas de choix du conjoint en fonction de son génotype. On dit alors que la population est panmictique. 3. Il n'y a pas de migration. Aucune copie allélique n'est apportée de l'extérieur. 4. Il n'y a pas de mutation. 5. Il n'y a pas de sélection. 6. Les générations sont séparées. Equilibre de HARDY WEINBERG et généralisation Composition génétique d’une population Taux d’hétérozygotie Exemple de calcul de fréquences alléliques Discussion autour d’un modèle allélique de résistance À l’infection HIV Génomique constitutionnelle de la sensibilité à l’infection par le virus HIV De l’infectiologie à la génétique diagnostique traditionnelle According to the Joint United Nations Program on HIV/AIDS (UNAIDS), there are now an estimated 37 million people living with HIV worldwide, of whom 2.7 million became infected in 2008; 2.0 million people (range, 1.8 million to 2.3 million) died from AIDS in 2008. Données OMS - 2007 Les protéines d’enveloppe gp120 et gp41 régulent la fixation du virus à la surface de la cellule hôte compte tenu de leur haute affinité pour la molécule de surface CD4. Des interactions, notamment avec les corécepteurs CCR5 et CXCR-4, induisent un changement de conformation de la protéine d’enveloppe ‘env’, résultant dans la fusion de l’enveloppe virale et de la membrane cellulaire. Différents ‘variants’ du virus HIV utilisent soit CCR-5, soit CXRC-4, ou même les deux corécepteurs. On les nomme ‘variants’ R5 ou X4, ou X4R5 (ou R3) D’autres corécepteurs, tels CCR-3, CCR-2, CCR-8, CCR-9, STRL-33, Gpr15, Gpr1, APJ, Chem R23 et CX3CR1 sont utilisés par certaines variations du virus HIV Simmons et al, 2006 Loi de Hardy Weinberg Applications aux populations humaines Exemple : facteurs génétiques de susceptibilité à l’infection par HIV-1 Populations de sujets non infectés faisant des choix à haut risque (partenaire HIV+) Analyse du gène CC-CKR5 (CCR5) : récepteur 5 à la chemokine C-C, servant également de récepteur au virus HIV-1 Un allèle ‘mutant’ de CCR5 montre une délétion de 32 bp dans une région codante : NON SENS induisant une protéine non fonctionnelle Allèle normal : CCR5-1 Allèle mutant : CCR5-d32 Les sujets d32/d32 sont préférentiellement mais pas systématiquement résistants au virus Les sujets hétérozygotes 1/d32 semblent avoir un temps de réponse pathologique Supérieur aux ‘sauvages’ 1/1 RANTES MIP Résistance naturelle à l’infection par le virus HIV • Facteurs environnementaux • Facteurs humoraux (production des beta chimiokines ligands de CCR5, et de cytokines de type Th1, telle l'IL-2, l'IFN-gamma et le TNF-alpha, ou de type Th2, comme l'IL-4 • Facteurs cellulaires (expression à la surface des cellules cibles des récepteurs des chimiokines CCR5 et CXCR4) Parmi les réponses immunitaires qui ont été associées à la résistance chez des ESN on compte aussi bien des réponses spécifiques contre le VIH et des réponses de défense non spécifiques ou innées. Parmi ces dernières, de la sécrétion de facteurs inhibiteurs du VIH par des cellules du système immunitaire et notamment par les lymphocytes CD8. Une augmentation de l'activité des cellules Natural Killer (NK) • Facteurs génétiques ‘purs’ : structure des corécepteurs HIV ou de tout autre gène codant une molécule importante dans la physio pathogénie de l’infection - Mutations du gène CCR5 (32 dans le second Tm avec frameshift délétant les 3 Tm distaux, Val64I dans le premier Tm) - Polymorphismes du promoteur du gène de CCR5 (59029G) - SDF1 (Stromal cell Derived Factor 1) 3’ G/A transition en région régulatrice - RANTES – (-28) C>G et (- 403) G>A : augmentation de la transcription Individuals with the Δ32 allele of CCR5 are healthy, suggesting that CCR5 is largely dispensable. However, CCR5 apparently plays a role in mediating resistance to West Nile virus infection in humans, as CCR5-Δ32 individuals have shown to be disproportionately at higher risk of West Nile virus in studies f(32) = 0,1 compte tenu de la loi de HW : p² + 2pq + q² = 1 q = 0,1 donc q² = 0,01 1% d’homozygotes 2 pq = 2 × 0,9 × 0,1 = 0,18 donc 18% d’hétérozygotes A B Genotyping was performed following a methodology previously described. In summary, polymerase chain reaction contained Taq polymerase enzyme (0.75 U; Sigma), 25 to 50 ng of genomic DNA, primers (10 pmol each), and it was performed in a total volume of 20 µL. To conduct the genotyping, the polymerase chain reaction products were electrophoresed on a 2% agarose gel containing 1% ethidium bromide and visualized on an ultraviolet transilluminator. Using this method, the normal (wild-type) allele (A) produces one fragment of 189 bp, but the deleted allele (B) produces a fragment of 157 bp Quel intérêt pour ces analyses ? Recherche de la délétion 32 (CCR5) Autres analyses suivant intérêt Identification des sujets à faible risque après un contage à fort risque Limitation d’utilisation De la TRI thérapie Identification des NON répondeurs aux traitements analogues des ligands au CCR5 Alternatives Recherche thérapeutique basée sur la physiopathologie de Ces récepteurs et nouvelles stratégies (RNAi, HHV8-mediated Therapy) Estimation de la fréquence allélique en Bretagne 100 sujets 79 sont 20 sont 1 est 1/1 1/d32 d32/d32 158 allèles ‘1’ 20 allèles ‘1’ 0 0 20 allèles d32 2 allèles d32 Fréquences génotypiques 1/1 : 79/100 = 0,79 1/d32: 20/100 = 0,2 d32/d32: 1/100 = 0,01 Fréquence des allèles dans ce test CCR5-1 : 178/200 = 0,89 (89%) CCR5-d32 : 22/200 = 0,11 (11%) Gradient Nord > Sud Dans les populations sans ancêtre européen, l’allèle d32 n’est jamais retrouvé Fréquence de l’allèle d32 en Europe Calcul des fréquences pour les caractères liés au sexe Chez les Mammifères, la fréquence des mâles exprimant un phénotype lié à un allèle de gène situé sur le chromosome X et la fréquence de l’allèle ans la population sont identiques En effet, la probabilité pour qu’un sujet mâle reçoive un chromosome X porant l’allèle en question est égale à la Fréquence de l’allèle dans la population Exemple : daltonisme (allèle récessif) 8% des hommes Donc q(a) = 0,08, p(A) = 0,92 Fréquence des femmes daltoniennes q² = (0,08)² = 0,0064 Fréquence des femmes transmettrices 2pq = 0,92 * 0,08 * 2 = 0,147 14,7% des femmes A (p) a (q) XA Y XA p² p Xa pq q Calcul des fréquences des hétérozygotes (maladie autosomique récessive) La loi de Hardy-Weinberg permet, sous certaines conditions, le calcul des fréquences génotypiques à partir des fréquences allèliques Phenylcétonurie (autosomique récessive) dont le gène délétère a une fréquence de 1/100: --> q = 1/100 donc, la fréquence de la maladie est q² = 1/10 000 et la fréquence des hétérozygotes 2pq = 2 x 99/100 x 1/100 = 2/100 A a A p² pq a qp q² Noter que les hétérozygotes sont nombreux: 1/50, deux cent fois plus que les atteints Réaliser le même calcul pour la mucoviscidose Incidence de 1/2500 Les conséquences de la Loi de Hardy Weinberg Dans une population ‘non contrôlée’ de manière totalitaire : ¤ Les affections homozygotes ‘aa’ ne peuvent être éradiquées ¤ L’élimination des hétérozygotes Aa et des homozygotes ‘aa’ ne permet pas de prévenir la survenue de nouveaux hétérozygotes Aa ¤ L’effet d’une éventuelle sélection se fera d’autant plus sentir que la population est de petite taille ¤ La consanguinité augmente le risque de mariages Aa * Aa et donc la survenue d’affections liées à l’homozygotie ‘aa’ ¤ Les phénomènes de migration n’ont pas d’effet si la population est grande mais des flux continus peuvent avoir des conséquences à long terme (ex de l’ISF !) ¤ Doit-on aller vers une prévention des mariages entre hétérozygotes Aa sains ¤ Le principe de Hardy et Weinberg est valable pour toutes les caractéristiques de l’individu dans une société donnée ++++ Remarques • Il est intéressant de noter que la fréquence des mutations associées aux maladies autosomiques dominantes est plus rare que celle des autosomiques récessives (de 1000 à 10 000 fois plus rares …. ) • Mais les malades atteints d’affections A/D toujours plus nombreux que les A/R • Effet majoré de la sélection sur les mutations A/D chez les hétérozygotes et les homozygotes mutés ???? ou conséquence des néomutations plus fréquentes ? • Dans les maladies A/R, il existe dans nombre de modèles des preuves de sélection positive chez les hétérozygotes transmetteurs sains (CFTR, HbS) …. • Il est difficile de concevoir l’atteinte clinique (ou lé létalité) chez les sujets porteurs d’une mutation dominante en version homozygote : les modèles viables sont métaboliques comme dans l’hypercholestérolémie familiale (LDL receptor) • Les mêmes calculs et raisonnements sont faits pour les maladies liées à l’X mais il existe toujours un écart entre les données cliniques observées chez les femmes (maladies codominantes ou dominantes) et les chiffres théoriques, compte tenu de l’inactivation du chromosome X : TEST DE VALIDITE CHI CARRE Déséquilibre de liaison Déséquilibre gamétique Genèse et évolution du déséquilibre gamétique Mesures et importance du déséquilibre gamétique Déséquilibre de liaison Et génétique médicale Déséquilibre de liaison Association allélique = 2 possibilités • l’allèle associé A est un facteur causal direct = rarement et il faut le démontrer • l’allèle associé A est en déséquilibre de liaison avec un allèle causal B, c’est à dire : AB A x B = cas le plus fréquent Déséquilibre de liaison Association directe Association indirecte Hémochromatose héréditaire L'hémochromatose est causée par une absorption intestinale accrue et non contrôlée de fer entraînant sa déposition dans une multitude de tissus. Le fer libre est hautement toxique parce qu'il induit la génération de radicaux libres et d'autres composés d'oxydation. Ces molécules causent la peroxydation des membranes cellulaires et le dommage tissulaire. Les manifestations cliniques débutent habituellement par de la fatigue, des arthralgies, des douleurs abdominales et parfois de l'impuissance chez l'homme. À mesure que le niveau toxique de fer augmente dans les tissus, d'autres manifestations comme l'hyper pigmentation cutanée, le diabète et la fibrose hépatique apparaissent. La cirrhose, l'insuffisance cardiaque, l'hypogonadisme et hypopituitarisme sont des manifestations tardives de la maladie. Le diagnostic est souvent établi alors que le dommage tissulaire est irréversible. Les patients diagnostiqués tardivement ont une espérance de vie diminuée. Cette affection est à transmission récessive autosomique. Le gène en cause (gène HFE) a été localisé sur le bras court du chromosome 6 (1975) puis cloné (1997). Il code une protéine de 343 acides aminés. Une mutation a été décrites dans le gène HFE, qui conduit au remplacement dans la protéine d'une cystéine par une tyrosine en position 282 (C282Y) Cette mutation est majoritaire parmi les sujets atteints : 94,7 % en Bretagne, 93 % au Royaume-Uni et en Allemagne, 94,2 % en Suède et même 100 % en Australie. La mutation C282Y,cause principale de la maladie a dû se produire une seule fois et se répandre dans les populations par des croisements consanguins. Au cours du clonage du gène HFE, on a étudié 43 microsatellites autour de ce gène. Ces données ont permis de reconstituer le chromosome ancestral dont on retrouve des fragments parmi les patients qui portent la mutation C282Y. Déséquilibre de liaison entre les formes alléliques de 2 microsatellites et les allèles du gène HFE Le déséquilibre de liaison est utilisé dans un but prédictif lorsque la mutation 'est pas encore identifiée. Il peut également être utilisé pour retracer l'histoire de la mutation et son origine, ainsi que pour comparer des populations différentes. The European Consortium on MEN1 Linkage disequilibrium studies in multiple endocrine neoplasia type 1 (MEN1) Microsatellite polymorphisms D11S1883 / D11S457 / PYGM / D11S1783 / Association analyses of 249,796 individuals reveal 18 new loci associated with body mass index Speliotes et al., Nature Genetics, 2010 Leptin signalling through melanocortin neurons to regulate food intake and promote weight loss. Hypothalamic neurons expressing POMC also express receptors for leptin, which crosses the blood/brain barrier. Activation of leptin receptors stimulates nerve terminals to release MSH, a ligand for Mc3r and Mc4r, which are expressed on post-synaptic neurons. Activation of Mc4r reduces food intake and may also increase energy expenditure. Activation of Mc3r may decrease the shunting of ingested calories into fat stores Les études d’association étudient le déséquilibre allélique sur un grand nombre de polymorphismes, de type SNP notamment, en comparaison entre patients et témoins pou après stratification sur des données quantitatives potentiellement associées à un contexte pathogène. C’est le cas du BMI (IMC) et cette même approche peut être réalisée pour des endophénotypes (ex : schizophrénie) Recurrent Distal 7q11.23 Deletion Including HIP1 and YWHAG Huntingtin-Interacting Protein 1 (HIP1) and tyrosine 3-monooxygenase/tryptophan 5-monooxygenase activation protein gamma (YWHAG) Deletion 17q12, a Recurrent Copy Number Variant confering High Risk of Autism andSchizophrenia LHX1, a transcriptional regulator that plays a role in the differentiation of neural cells and the transcriptional control of axonal guidance A Cytogenetic Abnormality and Rare Coding Variants Identify ABCA13 as a Candidate Gene in Schizophrenia ABC proteins being structural components of cellular membranes, different species have key roles in vesicular trafficking, signal transduction, and transcriptional regulation Ecarts à la panmixie Consanguinité et homogamie Calcul du coefficient de consanguinité Conséquence de la consanguinité sur les traits récessifs Vision ‘clinique’ CONSANGUINITE ET MALADIE RECESSIVE AUTOSOMIQUE Soit une maladie de fréquence q2 (un individu pris au hasard dans la population générale a un risque q2 d’être atteint de cette maladie) Pour un individu consanguin (coefficient F) : ● La probabilité que cet individu soit homozygote du fait de sa consanguinité est Fq. ● La probabilité qu’il soit homozygote du fait du hasard et de (1-F)q2 ● Le risque qu'il soit homozygote, au total est Fq +(1-F)q2 soit = q2 - F q2 + Fq soit = q2 + Fq (1-q) soit = q2 + Fq (car 1-q = p, et p est très proche de 1) La probabilité d'avoir un enfant homozygote pour un allèle mute, donc atteint, dans le cas d’une maladie autosomique récessive dont la fréquence est q2 , dans un mariage consanguin ou le coefficient de parente est F, est égal a q2+ Fq CONSANGUINITE ET MALADIE RECESSIVE AUTOSOMIQUE On trouve une plus grande proportion d’individus apparentés parmi les parents d’enfants atteints de maladies récessives. Le Risque Relatif d'avoir un enfant atteint d’une maladie autosomique récessive (de fréquence q2) dans un couple consanguin par rapport a la population générale Fq + (1-F)q2 RR = -----------------------q2 On montre que plus la maladie est rare, plus le risque relatif pour les unions consanguines est important Fréquence de la phénylcétonurie dans la population générale : q2 = 1/10000 R (risque lie a la consanguinité) = 1 / 10000 + (1/16 x 1/100) = 1 / 10000 + 1/1600 = environ 1/1600 RR = risque lie a la consanguinité / risque de la population générale Soit 1/1600 / 1/10 000 = 6 Le risque est 6 fois plus élevé pour des cousins germains que pour un couple non apparenté. Le risque est d’autant plus élevé que la maladie est rare … autres exemples : Mucoviscidose (q2 = 1/3000) : RR =3.5 Galactosémie (q2 = 1/40000) : RR =12 Ataxie télangiectasie (q2 = 1/100000) : RR =20 INFLUENCE DE DIFFÉRENTS TYPES DE MARIAGES CONSANGUINS SUR L'AUGMENTATION DE LA FRÉQUENCE GÉNOTYPIQUE (AA) EN FONCTION DE LA FRÉQUENCE Q Genetics of recessive cognitive disorders Homozygosity mapping in consanguineous families Screening for disease-associated CNVs by array-comparative genomic hybridization (a-CGH) Linkage mapping in multiple-affected families Next-generation sequencing (NGS): a new dimension in the elucidation of ARID Ecarts à la panmixie Sélection Mutation Equilibre sélection - mutation Dérive génétique Population n Sélection négative Dérive génétique Migration Population n + 1 Mutations Brèves réflexions cliniques L’ADN et étude de l’évolution des Hominidés L’EVOLUTION, selon une théorie fractale conduisant la Nature à de multiples essais selon la pression exercée par la sélection darwinienne sur les mutations aléatoires du génome des êtres vivants, en des millions d’années MAINTIEN DES MALADIES GENETIQUES MALGRE LA SELECTION DANS LES GRANDES POPULATIONS Dans les maladies génétiques soumises a la sélection, un nombre significatif d’allèles ne sont pas transmis a la génération suivante et disparaissent donc du pool d’allèles. Malgré ceci, les maladies génétiques se maintiennent a une fréquence stable dans la population L’EQUILIBRE MUTATION-SELECTION Dans une maladie dominante génétiquement létale (dans laquelle les individus ont une fertilité nulle quelle que soit la durée de leur vie, tous les cas sont lies a des mutations de novo Dans certaines maladies dominantes , la fertilité est diminuée soit parce que les individus ont une durée de vie moyenne réduite (neurofibromatose), soit parce qu’en dépit d’une fécondité normale, ils ont moins d’enfants que la population générale (achondroplasie). Le pourcentage de cas lie a des mutations de novo est donc d’autant plus élevé que la fertilité des individus atteints est faible. On estime 80% des enfants achondroplases naissent de parents normaux Dans les maladies récessives très rares , la sélection s’exerce a l’encontre des homozygote s alors que l’immense majorité des allèles mutes sont portes par des individus hétérozygotes, ce qui permet le maintien des fréquences géniques. MAINTIEN DES MALADIES GENETIQUES MALGRE LA SELECTION DANS LES GRANDES POPULATIONS Dans les maladies génétiques soumises a la sélection, un nombre significatif d’allèles ne sont pas transmis a la génération suivante et disparaissent donc du pool d’allèles. Malgré ceci, les maladies génétiques se maintiennent a une fréquence stable dans la population L’AVANTAGE SELECTIF DES HETEROZYGOTES Dans les maladies récessives fréquentes, intervient un autre phénomène, l’avantage sélectif des hétérozygotes : les hétérozygotes ont une fertilité supérieure celle des homozygotes normaux et transmettent donc a la génération suivante un excès d’allèles mutes, ce qui permet le maintien de la fréquence de la maladie malgré une sélection totale contre les homozygotes. C’est le cas de la drépanocytose et du déficit en G6PD deux maladies du globule rouge particulièrement répandues en Afrique car les hétérozygotes sont résistants au paludisme, facteur de mortalité majeur dans ces régions. La même théorie a été avancée pour la mucoviscidose ; les porteurs hétérozygotes de la mutation ΔF508 auraient une résistance accrue au cholera et autres maladies infectieuses intestinales dont les épidémies ont décimé les populations jusqu’au moyen âge. L'avantage hétérozygote est la situation dans laquelle un allèle récessif, représentant un désavantage à l'état homozygote, présente sous sa forme hétérozygote un avantage sélectif spécifique pour son porteur, ce qui a pour conséquence une augmentation (ou une stabilité) de la fréquence de cet allèle dans la population. Cet avantage sélectif de l'hétérozygote est l'un des mécanismes, avec la sélection dépendant de la fréquence, qui permet le maintien du polymorphisme (ou du variant pathogène) équilibré, c'est-à-dire le maintien des fréquences de plusieurs phénotypes dans une population. C'est l'un des facteurs du maintien de la diversité génétique et ‘paradoxalement’ en santé humaine, de mutations gravement délétères à l’état homozygote TRAIT DREPANOCYTAIRE Pr. A. CALENDER – Lyon EST – 4.10.2012 Dès 1949, Haldane suggéra que la drépanocytose était aussi forte en Afrique , parce les gens ayant le trait drépanocytaire Hb S étaient plus résistants au Paludisme (malaria) que les autres. Cela fut depuis vérifié et le trait drépanocytaire est donc d'une manière évolutionniste, l'expression d'une mutation génique persistante car amenant une meilleure adaptation au paludisme ambiant africain omniprésent et terriblement destructeur pour l'Humain. Association pour l'Information et la Prévention de la Drépanocytose Pr. A. CALENDER – Lyon EST – 4.10.2012 Mucoviscidose : une maladie autosomique récessive fréquente (1/2500) liée aux mutations homozygotes ou hétérozygotes composites du gène codant le canal chlore CFTR CFTR – chr. 7q22-31 ROMEO et al, 1989 Une délétion en phase au codon 508, délétant une phénylalanine par un mécanisme en phase représente la mutation la plus commune chez les patients CF : 50% des allèles mutés * La fréquence de l’allèle muté F508 est inférieure dans les populations du Sud que dans le Nord de l’Europe • Résistance accrue aux diarrhées avec perte de Cl- importante • Rôle des migrations de paysans éleveurs durant le néolithique et de l’augmentation concomitante des pathologies infectieuses à impact digestif ? • Une fertilité accrue des hommes hétérozygotes versus les N/N : Controversé • Les hétérozygotes, en jeune âge et adulte, semblent une protection contre l’asthme les BPCO asthmatiformes (effet dominant négatif) • Une fréquence accrue de fratries de sexe mâle dans la descendance ??? (meiotic drive) • Un métabolisme intestinal ‘favorable’ à une moindre agressivité mucosale pour une même charge alimentaire / bactériémique / toxinique / vitale * Un mécanisme d’origine pancréatique ??? Controversé ++ Epithelial CFTR transports bicarbonate into the lumen of the uterus and oviduct (left). In the sperm head, bicarbonate activates the soluble adenylyl cyclase sAC (right). This triggers the production of cAMP, which activates proximal effectors, including the CNG cation channel and protein kinase A (PKA). PKA stimulation results in enhanced protein tyrosine phosphorylation (PYP) of an array of sperm proteins, as well as direct phosphorylation of other targets. These alterations are essential components of the sperm capacitation process