séminaires de formation Ketty Schwartz

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1 séminaires de formation Ketty Schwartz Mission Inserm Associations Tests génétiques : clés de compréhension Formation destinée aux associations de malades, de personnes handicapées et de leurs familles Animateurs - Formateurs TOUS CHERCHEURS : David Karlin Marion Mathieu

2 Formation sur les tests génétiques Dossier réalisé par : Association Tous Chercheurs Inmed Parc scientifique de Luminy Marseille cedex 09 (présidente : Constance HAMMOND) Rédaction : Marion Mathieu et David Karlin avec l'aide de Jean Thimonier 1

3 Sommaire INTRODUCTION...5 BASES INDISPENSABLES DE BIOLOGIE...5 [1. CELLULE, CHROMOSOME, ADN, GENE] Cellule Chromosomes et caryotype ADN Le gène, l'unité de base d'information génétique Le code génétique... 8 [2. MUTATION, ALLELE, POLYMORPHISME] Les modifications génétiques Allèles d'un gène : Allèle dominant ou récessif Polymorphisme Causes et transmission des mutations [3. MALADIES MONOGENIQUES ET MALADIES MULTIFACTORIELLES] Définitions : Maladie familiale, héréditaire, congénitale, génétique Maladies (génétiques) monogéniques Maladies multifactorielles [4. COMMENT SONT IDENTIFIES DES GENES DE SUSCEPTIBILITE] Identification d'une composante génétique Identification de gènes de susceptibilité Difficultés des études de gènes de susceptibilité PRINCIPE, APPLICATIONS ET LIMITES DES TESTS GENETIQUES...25 [1. INTRODUCTION] [2. DEFINITION ET PRINCIPE D'UN TEST GENETIQUE] Définition Détection de modifications constitutives ou acquises à l âge adulte [3. DIVERSITE D APPLICATIONS] Test de diagnostic Test pré-symptomatique Test de diagnostic prénatal (DPN) ou préimplantatoire (DPI) Test de susceptibilité Test de prédisposition Test du statut de «porteur sain» Dépistage d une population (test systématique) Tests pharmacogénétiques [4. DES TESTS EVOLUTIFS ET COMPLEXES] Une complexité variable en fonction des pathologies associées Pourquoi un délai plus long pour tester le 1er individu d une famille? Différence entre un test de recherche et un test en routine VALIDITE, VALEUR INFORMATIVE ET USAGE DES TESTS GENETIQUES...32 [1. VALIDITE DU TEST] [2. MIEUX COMPRENDRE LE RISQUE POTENTIEL INDIQUE PAR UN TEST] Notions de prévalence, risque absolu et risque relatif, risque standard, facteur de risque, facteur protecteur Notions de sensibilité et de spécificité Règles pratiques pour évaluer le risque posé par un test

4 [3. VALEUR AJOUTEE DU TEST] Confirmer et affiner un diagnostic Proposer un diagnostic plus simple ou moins cher Orienter vers un traitement préventif Orienter vers une hygiène de vie appropriée Améliorer la surveillance de la maladie Orienter vers un traitement mieux approprié (une fois la maladie déclarée) Proposer un diagnostic prénatal Faciliter la reconnaissance d'une maladie professionnelle ou environnementale [4. RISQUES A L'ANNONCE D'UN TEST POSITIF] Risques de discrimination Risques psychologiques [5. CAS PARTICULIER D'UN DEPISTAGE GENETIQUE] ENCADREMENT JURIDIQUE DES TESTS GENETIQUES...40 [1. DOMAINE COUVERT PAR LA REGLEMENTATION] [2. CONDITIONS DE PRESCRIPTION ET DE REALISATION] Consentement Prescription Agrément et autorisation à la pratique des analyses de biologie médicale nécessaires à l'examen des caractéristiques génétiques Communication des résultats Cas du diagnostic prénatal Rôle du conseiller en génétique MESSAGES PRINCIPAUX ET CONCLUSION...44 BIBLIOGRAPHIE

5 Le but de cette formation est de permettre aux stagiaires membres d'associations de malades de : Comprendre en quoi consiste un test génétique, et savoir l'expliquer Etre capable d'indiquer dans les grandes lignes les champs d'application, les possibilités et les limites de tels tests Pouvoir évaluer de façon critique les informations concernant les tests génétiques Vous pouvez considérer que les notions de biologie et les applications des tests génétiques mentionnées dans ce fascicule resteront valables pour les 5 ans à venir. Cependant, comme dans tous les domaines des sciences elles sont amenées à changer en fonction de l'évolution des technologies, des connaissances, et de la société. Symboles utilisés dans ce fascicule Nous avons utilisé les symboles suivants pour faciliter la lecture de ce fascicule : Attention, confusion ou erreur à ne pas commettre Point(s) à retenir Complément d'information 4

6 Introduction L'ADN et par conséquent la génétique tiennent aujourd'hui une part importante dans notre quotidien. On parle de «carte d'identité» ou de «patrimoine» génétique, de «terrain» ou de «prédisposition» génétique Les tests génétiques ne sont pas confinés à la médecine mais envahissent la sphère juridique (tests d'identification judiciaire), sociale (tests de paternité) Il est vrai que les tests génétiques constituent une avancée fondamentalement différente des tests antérieurs (biochimiques, morphologiques ) puisqu'ils ouvrent des perspectives bien plus vastes, et notamment la possibilité de prédire, avec plus ou moins de fiabilité, la survenue de certaines maladies. Néanmoins, il faut considérer les tests qu'ils soient biochimiques, génétiques ou morphologiques en fonction de leur finalité et non de la technique sous-jacente. Les tests génétiques sont des tests basés sur l analyse de notre matériel génétique (analyse de chromosomes, de l ADN, d un gène spécifique ou de son produit) pour mettre en évidence des modifications génétiques. Ils peuvent faire appel à un large panel de techniques. Pour mieux comprendre le principe et l intérêt de tels tests, il est important de revoir certaines notions de bases de génétique. C est le thème du 1 er chapitre. Bases indispensables de biologie [1. CELLULE, CHROMOSOME, ADN, GENE] 1.1. Cellule La cellule est la plus petite unité capable de vivre de façon autonome. Notre organisme est composé de l ordre de milliards de cellules qui communiquent entre elles et sont associées de manière très structurée pour former un individu. Chacune de ces cellules est issue de la division d'une cellule unique, la cellule oeuf, qui s'est divisée en 2, puis en 4, puis en 8 Il existe environ deux cents types de cellules chez l homme, chacune assurant une fonction plus ou moins spécialisée : les globules rouges transportent l oxygène dans le sang, les lymphocytes ou globules blancs interviennent dans la défense immunitaire (fabrication d'anticorps, destruction de microbes), les follicules pilaires produisent des poils, etc. La cellule est organisée comme une vraie usine miniature avec des systèmes de stockage, de transport, de communication dont beaucoup sont assurés par des protéines spécialisées. Les protéines, composées d'acides aminés, jouent de multiples rôles dans la cellule. Certaines ont un rôle architectural (par exemple la tubuline forme des câbles en forme de tube), d'autres forment des canaux ou des pores (par exemple l'aquaporine laisse entrer ou non l'eau dans la cellule), d'autres servent de messager (par exemple l'insuline qui régule le taux de sucre dans le sang), ou transportent des substances (par exemple l'hémoglobine transporte l'oxygène),... Les instructions pour fabriquer ces protéines sont inscrites dans l ADN. 5

7 1.2. Chromosomes et caryotype Chromosomes Toutes les cellules de notre organisme (exceptées les globules rouges et les cellules sexuelles) possèdent la même information génétique, située dans un compartiment de la cellule appelé le noyau. Cette information est contenue dans des petites structures visibles au microscope, les chromosomes. Nous en possédons 23 paires (soit 46 chromosomes par cellule). Pourquoi ces paires? Simplement parce que nous devons initialement notre existence à la rencontre d'un spermatozoïde et d'un ovule. Le premier provient de notre père qui nous a légué la moitié de son patrimoine génétique, sous forme d'un lot de 23 chromosomes. Le second vient de notre mère et contenait lui aussi 23 chromosomes. Nous avons donc chacun 23 paires de chromosomes. Parmi celles-ci, 22 sont communes aux 2 sexes et sont appelés autosomes. La vingttroisième paire est la paire de chromosomes sexuels et intervient notamment dans la détermination du sexe de l individu (XX chez la femme et XY chez l homme). Caryotype Caryotype masculin normal (46 chromosomes dont la paire de chromosomes sexuels XY) La cartographie complète des chromosomes du noyau d'une cellule s'appelle un caryotype. Il permet notamment de mettre en évidence des anomalies : - de nombre de chromosomes, comme dans la trisomie 21 où il y a, dans chaque cellule, 3 chromosomes 21 au lieu de 2 - de structure des chromosomes, notamment des remaniements chromosomiques 1.3. ADN Les chromosomes sont composés d'un long «fil» d ADN (Acide désoxyribonucléique) empaqueté sous forme très compacte : un noyau de cellule humaine, dont le diamètre est de quelques millièmes de millimètre, renferme près de 2 mètres d'adn! L'ADN adopte une structure en double hélice. Si on la «déroule» (figure ci-dessous), elle ressemble à une échelle. Les «montants» de l échelle sont composés de sucres (le désoxyribose) et de phosphate, ils servent à donner une certaine rigidité à la molécule d ADN. Les «barreaux» de l'échelle contiennent l'information génétique. Ils sont composés de 4 substances chimiques appelées bases : l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Le «langage» ADN est ainsi écrit à l aide de 4 «lettres», qui sont les bases A, T, G et C. Ces bases s'associent toujours par paire de la même façon : la cytosine avec la guanine (C-G) et la thymine avec l'adénine (A-T). Chaque brin est donc complémentaire de l'autre. De façon grossière, on peut dire que chaque brin est l'image en miroir de l'autre brin. Dans chacune de nos cellules, notre ADN est composé d environ 3 milliards de paires de bases! 6

8 L ADN ressemble à une échelle dont les montants sont composés de sucre (le désoxyribose) et d'acide phosphorique (d'où le nom de l'adn ; le mot «nucléique» faisant référence au fait qu'on le trouve dans le noyau de la cellule). Les barreaux sont faits de 4 types de bases (A, T, G et C). En résumé, toutes nos cellules, sauf les cellules sexuelles, contiennent la même information génétique, contenue dans notre ADN. Cet ADN est empaqueté sous forme très compacte, formant des chromosomes. Les êtres humains en possèdent 23 paires dans chacune des cellules de l organisme (autres que sexuelles) Le gène, l'unité de base d'information génétique On définit un gène comme l ensemble des séquences d ADN (régions régulatrices et codantes) permettant la synthèse, c'est-à-dire fabrication, d une protéine donnée. Il est situé à un certain endroit (appelé locus) d'un chromosome. Par exemple, le gène de la kératine est la portion d'adn nécessaire et suffisante pour produire la kératine, qui est la protéine constituant le cheveu (voir illustration ci-dessous). bras court (appelé p) Chromosome 12 bras long (appelé q) double hélice d'adn brin d'adn Séquence partielle du gène de la kératine 1 ATGAGTCGACAGTTTAGTTCCAGGTCTGGGTACCGAAGTGGAGGGGGCT TCAGCTCTGGCTCTGCTGGGATCATCAACTACCAGCGCAGGACCACCAG CAGCTCCACACGCCGCAGTGGAGGAGGTGGTGGGAGATTTTCAAGCTGT GGTGGTGGTGGTGGTAGCTTTGGTGCTGGTGGTGGATTTGGAAGTCGGA GTCTTGTTAACCTTGGTGGCAGTAAAAGCATCTCCATAAGTGTGGCTAG AGGAGGTGGACGTGGTAGTGGCTTTGGTGGTGGTTATGGTGGTGGTGGC TTTGGTGGTGGTGGCTTTGGTGGTGGTGGCTTTGGTGGAGGTGGCATTG GGGGTGGTGGCTTTGGTGGTTTTGGCAGTGGTGGTGGTGGCTTTGGTGG AGGTGGTTTTGGGGGTGGTGGATATGGGGGTGGTTATGGTCCTGTCTGC CCTCCTGGTGGCATACAAGAAGTCACTATCAACCAGAGCCTTCTTCAGC CCCTCAATGT (ici 500 pb) Du chromosome au gène. A gauche, le chromosome tel qu'on le voit au microscope. Au centre, zoom sur une portion du chromosome montrant la double hélice d'adn qui le compose. Seule la séquence d'un brin de cette double hélice (à droite) est représentée, la séquence de l'autre brin s'en déduisant automatiquement grâce aux règles de complémentarité de l'adn (A est toujours associé à T et C à G). 7

9 Le génome d'un individu est l'ensemble de ses gènes. Le génome spécifie donc l'ensemble des caractères d'un individu (visibles et non visibles). On estime à environ le nombre de gènes chez les humains. Attention! Seule une petite partie de notre ADN, de l ordre de 5%, correspond à des gènes (on parle de «partie codante de l ADN»)! Le reste de l ADN (région non codante) contient entre autres des régions régulatrices de l activité des gènes ou des portions d ADN dont on ne connaît pas encore la fonction. Vous pouvez entendre l'expression, «gène de la phénylcétonurie», «gène de la mucoviscidose», Attention, ce n'est pas un gène qui cause une maladie! Au contraire, c'est l'absence ou des modifications de ce gène (voir chapitre suivant) qui provoque la maladie, ou y prédispose Le code génétique Le code génétique, découvert dans les années soixante, est la façon dont la cellule déchiffre la séquence d'adn pour fabriquer la protéine correspondante. Sans rentrer dans les détails, on comprend assez bien aujourd'hui la «grammaire» de l'adn qui est relativement simple. Par exemple, en français, le début d'une phrase est signalé par une majuscule, et la fin, par un point. De la même façon, l'instruction de début de fabrication d'une protéine est codée par un groupe de 3 bases ou «codon» (ATG), et l'instruction de fin de fabrication d'une protéine est codée au choix par l'un des triplets suivants : TGA, TAA, TAG. Enfin, comme en français, c'est l'ordre des lettres (ici, l'enchaînement des bases) qui donne son sens au message. Notez qu'en français, on peut faire un nombre quasi infini de phrases à partir de seulement 26 lettres. De même, l'adn humain contient environ gènes à partir de seulement 4 «lettres». La différence, bien sûr, c'est qu'à cause de ce très faibles nombres de lettres les instructions de l'adn (les «gènes») sont beaucoup plus longues (en moyenne des milliers de bases). [2. MUTATION, ALLELE, POLYMORPHISME] 2.1. Les modifications génétiques En général, le terme de mutation s'accompagne d'un préjugé négatif. Il évoque en premier lieu quelque chose d'anormal se traduisant par des malformations ou une maladie. Il faut dire que la science-fiction avec son lot de mutants en tout genre a largement contribué à l'ancrage de ce préjugé. Pourtant, nous sommes tous des mutants, comme nous allons le voir ci-dessous! Définitions Les modifications génétiques peuvent intervenir à deux échelles : - anomalies de nombre ou de structure des chromosomes. On parle dans ce cas d'anomalies chromosomiques. Elles sont généralement visibles au microscope. Exemple : Trisomie 21 (3 chromosomes 21 au lieu de 2) 8

10 Caryotype d'une fille atteinte de trisomie 21 - anomalies touchant des régions bien plus petites de l'adn. On parle dans ce cas de mutations (génétiques). Nous nous concentrerons sur ce type de mutations dans le paragraphe suivant. Mutations génétiques Une mutation est une modification de la séquence de l'adn. Il en existe différents types : Substitution ou mutation ponctuelle (une paire de bases est remplacée par une autre) : La mutation est dite : - neutre si elle ne modifie pas la séquence en acides aminés de la protéine - faux-sens si elle entraîne la modification de la séquence en acides aminés de la protéine - non sens si elle entraîne l'apparition d'un signal «stop» qui interrompt la fabrication de la protéine. L exemple ci-dessous illustre l'effet d'une mutation ponctuelle non-sens dans le gène de la β-globine (un des gènes servant à la fabrication de l hémoglobine). Le remplacement d'une seule base, C par un T au niveau du codon 39 du gène de la béta-globine provoque l'incorporation d'un signal stop à la place de la glutamine, et donc l arrêt de synthèse de la protéine. Ceci aboutit à une maladie, la β thalassémie, caractérisée par un défaut de fabrication de l hémoglobine. Portion du gène de la β-globine : C CAG G GTC C TAG G ATC Séquence de la protéine β-globine correspondante : glutamine stop Insertion : une (ou plusieurs) base est ajoutée à la séquence d'adn. Le reste du message est alors décalé, et donc en général perturbé. ATGCGGTATGT ATGCGATGTATGT TACGCCATACA TACGCTACATACA Délétion : une (ou plusieurs) base est supprimée de la séquence d'adn. De même le reste du message est décalé et la protéine perd, dans la plupart des cas, sa fonctionnalité. ATGCGGTATGT ATGCTATGT TACGCCATACA TACGATACA 9

11 Ce sont toutes ces anomalies de l'adn que l'on cherche à mettre en évidence dans le cas d'un test génétique. Les mutations peuvent être soit neutres (sans effet), soit bénéfiques, soit nocives. Cette notion de mutation «bénéfique» ou «nocive» peut varier en fonction de l'environnement ou d'autres paramètres. Par exemple, dans le cas de la couleur de la peau, une peau foncée protège du soleil sous les tropiques (risque plus faible de développer un cancer de la peau). Au contraire, dans l'hémisphère Nord, elle favorise le développement du rachitisme et nécessite chez l'enfant une prévention alimentaire par la vitamine D. Vous comprenez maintenant que l'adn n'est important qu'en tant que support de l'information génétique ; ce qui détermine l'effet néfaste ou non d'une mutation dans un gène, c'est son impact sur la protéine codée par ce gène, et ceci, dans un contexte environnemental donné. D autre part, il n'existe PAS de règle toute faite permettant de prédire la gravité d'une mutation quel qu en soit le type. 10

12 Pour garder l'analogie du «langage» de l'adn, les mutations correspondent à des erreurs de frappe. Prenons la phrase suivante en français «j'utilise de la colle». Différentes mutations possibles et leurs conséquences sont détaillées ci-dessous. Phrase Type d'événement Conséquence J'utilise de la colle. - - J'utilise de lalcolle. Insertion d'un l Changement de sens J'utilise deula colle. Insertion d'un u Phrase compréhensible J'uti sanglots de lise Longue insertion Phrase incompréhensible J'utilise.. la colle. Délétion Phrase compréhensible J'uti...olle. Délétion Phrase incompréhensible J'utilise de la Colle. Mutation neutre Sens inchangé J'utiliss de la colle. Mutation faux-sens Phrase dure à comprendre J'utilise de la kolle. Mutation faux-sens Phrase compréhensible J'utilise de. Mutation non-sens Phrase tronquée, illisible On voit que, suivant le contexte, et par le fait du hasard, certaines modifications peuvent laisser la phrase inchangée, changer son sens, la rendre dure à lire, la rendre incompréhensible ou tronquée donc illisible. Il en va exactement de même pour l'effet des mutations dans l'adn, les phrases correspondant à des protéines. Les mutations peuvent laisser ces dernières inchangées, les rendre moins actives ou inactives, leur conférer une fonction différente (potentiellement toxique), les rendre totalement inactives, les tronquer ou empêcher leur production Allèles d'un gène : Allèle dominant ou récessif Dans chacune de nos cellules (sauf les cellules sexuelles), chaque chromosome est en deux exemplaires, non identiques, l'un hérité de notre père et l'autre de notre mère. Par suite, chaque gène peut être présent en deux versions, chacune portée par un chromosome de chaque paire ; on appelle ces différentes versions des allèles. On distingue les allèles dominants (le caractère correspondant s'exprime toujours) des allèles récessifs (muets lorsqu'ils sont associés à l'allèle dominant). Il existe parfois des allèles codominants : les caractères associés aux deux allèles en présence s'expriment. Autrement dit, un allèle récessif ne s'exprime que lorsque la cellule possède cet allèle en double exemplaire. On dit que la cellule est «homozygote» pour ce gène. Alors qu un allèle dominant s exprime même si la cellule est hétérozygote pour ce gène (c est-à-dire que le gène est trouvé sous forme de deux allèles différents, un dominant et un récessif). Le génotype d'un individu est la description de ses allèles. Pour illustrer la notion de récessif et dominant, prenons l exemple des gènes codant pour le groupe sanguin. De façon simplifiée, on peut dire que le gène codant pour le groupe sanguin ABO dicte la synthèse de marqueurs spécifiques (protéines) à la surface des globules rouges (marqueurs A ou B). Il existe 3 allèles pour ce gène : l allèle A qui conduit à la synthèse du marqueur A, l allèle B qui conduit à la synthèse du marqueur B et l allèle O qui conduit à l absence de synthèse de marqueur. Les allèles A et B sont co-dominants, l allèle O est récessif. Une personne a un groupe sanguin O, elle a forcément deux allèles «o» pour ce gène. Alors qu une personne de groupe sanguin A peut avoir soit deux allèles «A», soit les allèles «A» et «o». Tous les cas possibles sont illustrés dans la figure ci-après : 11

13 Caractère (co-)dominant ou récessif des allèles du gène impliqué dans le groupe sanguin ABO Les bâtonnets jaunes représentent des chromosomes et la position du gène est indiqué par un trait horizontal sur le chromosome. Ce gène peut exister sous la forme de 3 allèles : 1. A co-dominant 2. B co-dominant 3. o récessif 2.3. Polymorphisme Les mutations génétiques peuvent avoir des conséquences +/- graves et conduire éventuellement à une maladie, mais dans la plupart des cas, elles ne sont pas pathogènes, voire même n ont pas de conséquence détectable. On parlera alors de polymorphisme génétique (du grec poly-, plusieurs et - morphos, forme : «qui peut prendre plusieurs formes»). Le polymorphisme génétique correspond donc à des variations naturelles d'une séquence d'adn au sein d'une population. Ces variations de séquences sont dues à des mutations successives au cours de l évolution et qui rendent compte d une certaine diversité entre les individus. Le polymorphisme peut intervenir soit au niveau des séquences codantes des gènes mais sans perturber leur expression correcte, soit dans les autres régions de l ADN. Ce sont ces polymorphismes génétiques qui sont détectés lors des tests de paternité ou lorsque la police scientifique réalise des empreintes génétiques sur un suspect. En jargon, on parle de mutation quand il s'agit d'une modification génétique nocive et de polymorphisme quand ce n'est pas le cas. La question délicate, quand on repère une mutation dans un gène, est bien sûr de savoir s'il s'agit d'une modification potentiellement toxique ou d'un polymorphisme inoffensif. En pratique, les mutations qui provoquent des maladies monogéniques sont toutes rares. Ainsi quand on trouve des modifications génétiques qui sont présentes chez plus d 1% de la population, on dit qu'il s'agit de polymorphismes. Si ces modifications sont moins répandues, il faut les étudier plus en détail. D'où l'importance des études de génétique des populations. 12

14 2.4 Causes et transmission des mutations Une mutation peut survenir à tout moment dans n'importe quelle cellule de l'organisme. Elle peut être spontanée (résultant d'une erreur de recopiage de l'adn car aucun système n est parfait ) ou induite par des agents qualifiés de «mutagènes», qui peuvent être chimiques ou physiques (par exemple les rayons ultra-violets ou la cigarette). Nous réparons l'immense majorité des mutations mais parfois celle-ci échappe à la réparation et se «fixe» dans l'adn. Une mutation ne sera transmissible que si elle se produit au niveau des cellules sexuelles. La descendance héritera alors de la mutation. Si une mutation apparaît dans un autre type de cellule (par exemple dans le foie), elle ne sera pas transmissible à la descendance mais pourra quand même provoquer une maladie chez l'individu touché (cancer du foie, par exemple). Une mutation avec laquelle naît un individu, qui est donc présente dans toute les cellules de son corps, est dite constitutive Une mutation «nouvelle», qui est présente chez un individu mais pas chez ses parents est une néomutation (ou mutation de novo) 13

15 [3. MALADIES MONOGENIQUES ET MALADIES MULTIFACTORIELLES] 3.1. Définitions : Maladie familiale, héréditaire, congénitale, génétique Attention! Il est très important de ne pas confondre ces différents termes! - Une maladie congénitale est une maladie présente à la naissance. - Une maladie génétique est une maladie dans laquelle les gènes jouent un rôle important. Une telle maladie est causée par une (ou plusieurs) modification(s) génétique(s). - Une maladie (génétique) héréditaire est une maladie causée par une modification génétique transmise de génération en génération. - Une maladie familiale est une maladie qu'on retrouve chez plusieurs membres d'une famille, sur plusieurs générations. Essayons ensemble de mieux comprendre ces termes. Voici différentes affirmations qui sont toutes vraies : - Certaines maladies n ont pas d origine génétique (ex : rhume, gastroentérite). - Certaines maladies familiales ne sont pas héréditaires - Toutes les maladies héréditaires sont génétiques, mais certaines maladies génétiques ne sont pas héréditaires - Une maladie congénitale n'est pas toujours d origine génétique Une maladie familiale peut ne pas être héréditaire. Son caractère familial peut aussi être dû à un environnement commun nocif partagé par la famille. Par exemple, dans certaines régions il était courant que tous les membres masculins d'une famille aient une silicose (grave maladie des poumons causée par l'ingestion de silice). Pourtant, celle-ci n'était pas du tout génétique mais due au travail que faisaient la majorité des hommes dans la famille : mineur de fond. Une maladie génétique n est héréditaire que si la modification génétique correspondante est présente dans les cellules sexuelles. Au contraire, une maladie génétique résultant d une mutation acquise à l âge adulte dans d autres cellules (par exemple cancer de la peau due à une exposition prolongée aux UV) ne peut pas être transmise à la descendance et n est donc pas héréditaire. On estime à 5% le nombre de cancers d origine héréditaire. Certaines maladies congénitales sont dues à des agressions du fœtus par des substances chimiques (la mère a pris de la thalidomide, médicament toxique, pendant la grossesse) ou virales (la mère a eu la rubéole pendant le 1 er trimestre de sa grossesse). Dans ce cas, la maladie ne sera pas présente dans le reste de la famille (elle n'est donc pas familiale) et n a pas d origine génétique Maladies (génétiques) monogéniques Les maladies dites monogéniques sont nombreuses (estimées à plus de 5 000) mais en général de fréquence très rare. Elles sont souvent invalidantes voire fatales en l absence de traitement ou de prévention. Dans le cas des maladies monogéniques à forte pénétrance (voir page 18), la présence d'un allèle particulier (en simple ou en double exemplaire selon si la maladie est de transmission dominante ou récessive) pour un seul gène est corrélé à une forte probabilité de développer la maladie, et ceci 14

16 quelque soit l'environnement dans lequel la personne vivra après sa naissance. C'est le cas notamment de la maladie de Huntington, de la mucoviscidose ou des myopathies. Transmission des maladies monogéniques Transmission autosomique dominante (= dominante non liée à l'x) Une maladie monogénique est dite «autosomique dominante» si : - le gène associé à la maladie est situé sur un chromosome non sexuel et - la présence d un seul allèle muté suffit à ce que la maladie se développe La probabilité, lorsque l un des 2 parents possède cet allèle, qu il le transmette à son enfant est alors de 50 %, et ceci à chaque grossesse, comme l'illustre le tableau ci-dessous. Illustration des combinaisons possibles de chromosomes 4 et de leur conséquence dans le cas d'une maladie autosomique dominante Exemples de maladies monogéniques dominantes : maladie de Huntington, polypose colique, syndrome de Marfan, polykystose rénale dominante Transmission autosomique récessive (ou récessive non liée à l'x) Au contraire, une maladie monogénique est dite «autosomique récessive» si : - le gène associé à la maladie est situé sur un chromosome non sexuel et - il faut que les deux allèles soient mutés pour que la maladie se développe Dans le cas d'une maladie récessive, l'individu porteur d un seul allèle muté ne développe pas de maladie (ou une forme mineure), l autre allèle «normal» étant suffisant pour empêcher l apparition de la maladie. La personne a alors le statut de «porteur sain» : elle n'est pas atteinte mais peut transmettre la maladie. La probabilité lorsque chacun des parents est «porteur sain» d avoir un enfant qui possède les deux allèles mutés, et donc risque de développer la maladie, est de 25 % (schéma ci-dessous). Les mariages consanguins augmentent la probabilité d avoir un enfant atteint d une maladie autosomique récessive. 15

17 Illustration des combinaisons possibles de chromosomes 7 et de leur conséquence dans le cas d'une maladie autosomique récessive Exemples de maladies monogéniques récessives : mucoviscidose, drépanocytose Transmission dominante liée à l'x Une maladie monogénique est dite «dominante liée à l X» si : - le gène associé à la maladie est situé sur le chromosome sexuel X et - la présence d un seul allèle muté suffit à ce que la maladie se développe La probabilité, lorsque l un des 2 parents possède cet allèle, qu il le transmette à son enfant est alors de 50 %, et ceci à chaque grossesse, comme l'illustre le tableau ci-dessous. Cas où la mère est malade Cas où le père est malade Exemples de maladies monogéniques dominantes liées à l X : syndrome de l X fragile, rachitisme non traitable par la vitamine D Transmission récessive liée à l'x Lorsque le gène impliqué dans une maladie monogénique récessive est situé sur le chromosome X, la situation est différente de celle d une maladie autosomique récessive. La maladie surviendra presque exclusivement chez les hommes, puisqu ils ne possèdent pas de deuxième 16

18 chromosome X qui puisse apporter l allèle «normal». Une femme porteuse d'un allèle muté porte dans l'immense majorité des cas un allèle normal sur son autre chromosome X (l'allèle muté étant très rare, il y a peu de chances qu'elle en ait hérité deux). En général elle ne développera donc pas de maladie mais sera porteuse saine. Exemples de maladies monogéniques récessives liées à l X : dystrophie musculaire de Duchenne, hémophilies Cas où la mère est porteuse saine Cas où le père est malade Dans ce chapitre, nous avons supposé que le gène associé à la maladie était situé sur une des 23 paires de chromosomes du noyau. En fait, il existe aussi un peu d'adn en dehors du noyau, dans un compartiment appelé mitochondrie. Le mode de transmission est dans ce cas différent, les mitochondries étant transmises exclusivement par la mère ; Les caractéristiques pour ce type de maladies sont les suivantes : - Aussi bien les hommes que les femmes peuvent être atteints et peuvent avoir des symptômes très variables (diabète, surdité, etc.). - Seules les femmes transmettent la maladie. - Les enfants d'une femme atteinte ne sont pas tous atteints. Nous ne parlerons pas en détails ici de cette classe de maladies. En moyenne nous sommes porteurs de 7 mutations correspondant à une maladie monogénique récessive, présentes en un seul exemplaire! Autrement dit, nous pouvons tous transmettre une maladie à nos enfants si notre conjoint(e) est aussi porteur d'une de ces mutations. La raison pour laquelle les maladies récessives sont malgré tout rares est que nous avons gènes : la probabilité que nous rencontrions quelqu'un qui porte l'une des mêmes 7 mutations que nous parmi ces gènes est donc faible. 17

19 Notion de pénétrance Deux individus, porteurs de la même mutation dans un gène donné, ne vont pas forcément présenter les mêmes symptômes de la maladie. La «pénétrance d une mutation» associée à une maladie monogénique dominante correspond à : nombre d individus porteurs de cette mutation et malades Pénétrance d'une mutation = nombre total d individus porteurs de cette mutation La pénétrance varie de 0 (ou 0 %) à 1 (ou 100 %). Si la pénétrance est complète (pénétrance=1), tous les individus porteurs de la mutation seront malades. Si la pénétrance est incomplète (pénétrance<1), un sujet porteur de la mutation pourra ne présenter aucun signe de la maladie Il s'agit d'une notion très importante, car en pratique la plupart des maladies monogéniques ne sont pas à pénétrance complète. Quels sont les facteurs qui modulent la pénétrance? Il peut s agir d effet de l environnement : effet de l environnement interne, génétique, lié à la présence d autres gènes (notamment les gènes «modificateurs») ou effets de l environnement extérieur. Exemple : La phénylcétonurie est une maladie récessive. Dans cette pathologie, la présence de 2 allèles particuliers d un même gène (le gène codant pour la protéine «phénylalanine-hydroxylase») provoque l incapacité de cette protéine de transformer correctement la phénylalanine (un des acides aminés présents dans la nourriture) en tyrosine. Ceci entraîne l accumulation de composés toxiques pour le cerveau et un retard mental important dès l enfance. Sans précaution particulière, la pénétrance de cette maladie est très élevée. Mais un dépistage systématique à la naissance (par un test de nature biochimique qui mesure l activité de l enzyme correspondante) a permis depuis 30 ans de sauver tous les enfants ayant hérité de ces allèles par la mise en place dès la naissance d un régime alimentaire strict pauvre en phénylalanine et enrichi en tyrosine. Ainsi même quand la pénétrance d une maladie est extrêmement forte dans un environnement habituel, un changement de cet environnement peut rendre cette pénétrance quasi nulle. Enfin, la pénétrance peut varier avec l âge. Par exemple, la maladie de Huntington est une maladie neurodégénérative à déclenchement tardif. La pénétrance varie avec l âge : elle est de 0 % à la naissance, alors qu à 30 ans, 20 % des sujets ont des signes de la maladie, contre 40 à 50 % à 40 ans, et 80 % à 60 ans. Dans une maladie à pénétrance variable, il peut y avoir des «sauts de génération», c est-à-dire des générations où personne ne déclare les symptômes de la maladie bien que les individus soient porteurs de la mutation alors que leurs enfants porteurs de la même mutation seront eux atteints. Il est très important de garder à l'esprit la notion de pénétrance lorsque l on aborde la question des tests génétiques. Lorsque la pénétrance d une maladie est forte mais pas totale, ce qui est le cas le plus courant, la maladie ne se déclare pas systématiquement chez toute personne possédant l allèle (ou les deux allèles) en cause. Le test génétique ne donne alors qu'une probabilité, plus ou moins importante, de survenue de la maladie. 18

20 3.3. Maladies multifactorielles Des causes génétiques, sociales, environnementales interagissant les unes avec les autres Outre les maladies monogéniques décrites ci-dessus dont la fréquence au sein de la population est faible, une composante génétique est également présente dans des affections très fréquentes, telles que les maladies cardiovasculaires, l obésité, l hypertension, les diabètes, les maladies inflammatoires, certains cancers Ces maladies sont dites multifactorielles et présentent les caractéristiques suivantes : il existe une tendance familiale certaine mais leur transmission au sein d une famille n est pas compatible avec une hérédité de type maladie monogénique Ces maladies multifactorielles impliquent très souvent la présence simultanée de nombreux allèles de gènes différents, et ayant chacun un effet limité. Chacun de ces variants génétiques, considéré isolément, n'est ni indispensable ni suffisant pour entraîner la maladie. Au contraire, celle-ci n'apparaît que lorsqu'un certain «seuil» de susceptibilité est dépassé et ce seuil peut être atteint par l'action conjointe de facteurs génétiques (diverses combinaisons d'allèles correspondant à plusieurs gènes) et de facteurs environnementaux. Notion de gène de susceptibilité On définit ainsi un gène de susceptibilité (il serait plus correct de dire un «allèle de susceptibilité» ) comme un gène qui, combiné à l'action d autres facteurs (génétiques, environnementaux) peut être responsable d'une maladie. Un gène de susceptibilité pour une maladie ne pourra pas à lui seul causer l affection, toutefois sa présence augmente le risque pour l individu de développer la maladie. Nous revenons sur cette notion et sur l identification de tels gènes dans le chapitre suivant. 19

21 [4. COMMENT SONT IDENTIFIES DES GENES DE SUSCEPTIBILITE] Il est rare qu'une maladie, ou d'ailleurs tout caractère physique ou comportemental, soit à 100% contrôlé par le patrimoine génétique d'un individu. En général les gènes et l'environnement «coopèrent» pour façonner un individu. Comment peut-on quantifier la part de la génétique et celle de l'environnement dans l apparition d une maladie? Peut-on identifier un ou plusieurs gènes de susceptibilité, et comment? La réponse à ces questions comporte trois étapes : montrer que la maladie est familiale, montrer que cette tendance familiale est due à des facteurs génétiques, et enfin identifier d'éventuels gènes impliqués Identification d'une composante génétique Montrer que la maladie est familiale : principe Pour démontrer qu une maladie est familiale, on peut par exemple montrer que chez les apparentés du 1 er degré des malades (parents, frères, sœurs ou enfants), la maladie est plus fréquente que dans la population générale (sujets «témoins» ou «de référence»). Pour faire ces comparaisons, il est nécessaire de tenir compte de l âge, du sexe, et même de l ethnie des apparentés des sujets malades ou témoins, de façon à comparer ce qui est comparable. Recherche d'une composante génétique Maladie familiale ne veut pas toujours dire maladie génétique! Pour prouver qu'une maladie a une composante génétique, une solution consiste à faire appel à des jumeaux. Considérons tout d'abord des vrais jumeaux. Ceux-ci ont un patrimoine génétique identique à 100% (ce sont des clones). Mais ils partagent aussi un environnement très similaire (familial, scolaire, culturel, etc.), ce qui brouille les cartes : si lorsqu'un vrai jumeau a une maladie, l'autre l'a aussi, comment savoir si c'est une conséquence de leur patrimoine génétique commun ou de leur environnement commun? En théorie, il existe une méthode presque idéale : étudier des vrais jumeaux séparés à la naissance (adoption par deux familles différentes). Ainsi, s'ils ont des traits de caractère ou des maladies communes, cela ne viendra plus d'un environnement commun, et donc sera attribuable principalement à une composante génétique. Le taux de similarité pour une certaine caractéristique (maladie, trait de comportement ) est appelé taux de concordance. Par exemple, dans le tableau ci-après, vous pouvez voir que le taux de concordance entre deux jumeaux monozygotes (vrais jumeaux) pour une fente labiale est de 30% : autrement dit, si un des deux jumeaux a une fente labiale, la probabilité que l'autre en ait une aussi est de 30%. En pratique, il existe très peu de vrais jumeaux séparés à la naissance! On a donc recours à une astuce : on compare des vrais jumeaux et des faux jumeaux. En effet, des faux jumeaux partagent le même environnement autant que des vrais jumeaux, mais n'ont en commun en moyenne que 50% de leurs gènes (contre 100% chez des vrais jumeaux). Les différences de taux de concordance observées entre les vrais et faux jumeaux sont donc (en théorie) d origine génétique. Le tableau ci-après donne plusieurs exemples. Ainsi, dans le cas du diabète insulinodépendant, la prévalence (la fréquence au sein de la population) est de 0,4%, alors que la prévalence pour les apparentés des malades est 12 fois plus élevée (5%) : il s'agit donc d'une maladie familiale. Le taux de concordance entre vrais jumeaux est de 40%, soit 8 fois plus élevé que le taux de concordance entre faux jumeaux (dizygotes) : ceci indique que la maladie a bien une composante génétique. Si l'on regarde le taux de concordance entre vrais jumeaux, et qu'on le compare au taux de concordance entre faux jumeaux, l'autisme semble avoir la composante génétique la plus forte (80% 20

22 de concordance pour les vrais jumeaux contre seulement 3% chez les faux jumeaux), suivi par la schizophrénie (50% contre 15%). Prévalence (fréquence au sein de la population) de quelques maladies multifactorielles chez les apparentés des malades et des témoins, et dans la population générale, et taux de concordance chez les jumeaux. D'après Médecine-Sciences 2005, 21(11), p Identification de gènes de susceptibilité Attention, quand on parle d'un gène de susceptibilité, on veut dire en fait qu'on a identifié un gène dont un allèle confère une susceptibilité. Par exemple, ce n'est pas le gène HLA B qui confère une susceptibilité à la spondylarthrite ankylosante (tout le monde a ce gène, ou plus précisément un ou deux allèles de ce gène!). C'est l'allèle HLA B27 de ce gène qui confère un risque. D'autre part, dans de nombreux cas, l'effet d'un allèle «à risque» est si faible que c'est la combinaison de plusieurs allèles «à risque» qui déterminera une susceptibilité générale à développer une maladie. Quand on parle de «gène de susceptibilité», il s agit en fait «d'allèle(s) de susceptibilité»! Deux modèles d étude pour les maladies multifactorielles En raison de la complexité de la génétique des maladies multifactorielles, de l importance des combinatoires entre allèles de susceptibilité pour plusieurs gènes donnés, du mode d interaction de ces derniers, le généticien essaie de simplifier la situation en établissant des modèles théoriques qui miment la situation réelle. On utilise essentiellement deux modèles : le modèle «polygénique» ou «multifactoriel», et le modèle «mixte». Dans le premier modèle, on suppose que la susceptibilité à développer la maladie est sous la dépendance d allèles de nombreux gènes et de facteurs environnementaux dont l effet individuel est mineur : aucun des gènes impliqués n est obligatoire. La contribution au développement de la maladie de chaque allèle individuel est très petite. C est au contraire le cumul d un certain nombre d allèles de susceptibilité qui déterminera l apparition de la maladie (effet seuil). Dans le second modèle dit «mixte», la susceptibilité est sous le contrôle d un gène majeur, dont l action est toutefois modulée par plusieurs autres gènes et des facteurs environnementaux. 21

23 Principe des études pour les maladies multifactorielles Fondamentalement le concept des études pour les maladies complexes est environ le même que pour les maladies génétiques monogéniques. Mais on peut étudier soit de grandes familles, soit des populations entières. Très brièvement, on essaie de mettre en évidence une association entre des marqueurs donnés (régions d'un chromosome présentes dans la population sous plusieurs allèles qui sont techniquement très faciles à distinguer), et la présence de la maladie étudiée. Ensuite, une fois identifié un locus suspect (région du chromosome située entre deux marqueurs suspectés), on affine les études, étape très fastidieuse où l'on progresse région par région et gène par gène, jusqu'à identifier un gène candidat. Ensuite on compare la fréquence des différents allèles de ce gène chez les personnes saines et les personnes malades. S'il existe une corrélation entre la présence d'un allèle et un risque plus élevé de développer cette maladie, cela signifie que cet allèle pourrait conférer une susceptibilité, mais ce n'est pas encore sûr, pour les raisons développées plus bas (chapitre : «corrélation n'est pas raison»). On conçoit que toutes ces études soient longues, complexes, et coûteuses! La différence principale entre ces études pour des maladies génétiques monogéniques et pour des maladies complexes réside dans la faiblesse de l'effet recherché (susceptibilité de quelques %) qui impose une contrainte drastique sur la méthodologie et les statistiques utilisées. Les difficultés qui en découlent sont détaillées dans le chapitre suivant Difficultés des études de gènes de susceptibilité Problèmes d'hétérogénéité génétique, de population et de méthodologie L'une des principales difficultés dans l'identification de gènes de susceptibilité à une maladie (par exemple le diabète) est tout simplement que le nom de cette maladie peut en fait recouvrir plusieurs affections aux causes différentes mais aux symptômes similaires ou identiques, qui sont donc gouvernées par des gènes de susceptibilité différents. Une autre difficulté est que les gènes de susceptibilité varient fréquemment d'une population à l autre. Enfin, un autre problème est la faiblesse de l'effet recherché (susceptibilité souvent inférieure à 5%). Ceci nécessite des statistiques très robustes et donc une grande taille de population étudiée ainsi qu'une méthodologie très stricte. La grande majorité des gènes de susceptibilité identifiés jusqu'à présent n'ont pu être confirmés par des études ultérieures! Par conséquent, aujourd'hui, pour être validée, l'identification d'un gène de susceptibilité doit être reproduite au moins par deux équipes différentes travaillant sur des populations différentes. L'identification d'un gène de susceptibilité est très délicate et ne doit être prise au sérieux que si elle est confirmée par des études indépendantes. Le tableau ci-dessous vous donne quelques exemples de gènes de susceptibilités remplissant ces critères. Par exemple, dans le cas de la maladie d'alzheimer à révélation tardive, l'allèle epsilon 4 de l'apolipoprotéine E confère un risque relatif de 2,8 aux personnes qui en ont un exemplaire, et de 8 aux personnes qui l'ont en double exemplaire. Le tableau illustre aussi le fait que nous sommes tous à risque pour certaines maladies complexes : par exemple, le groupe sanguin O confère un léger risque d'ulcère du duodénum par rapport au groupe sanguin A. 22

24 Exemples de gènes de susceptibilité à différentes maladies multifactorielles D'après Médecine-Sciences 2005, 21(11), p Nous sommes tous porteurs d'allèles à risques pour plusieurs maladies complexes. Difficulté de prouver une causalité : corrélation n'est pas raison Même si en suivant les critères ci-dessus, on a mis en évidence avec certitude une corrélation statistique entre un allèle d un gène et une caractéristique, elle ne permet pas à elle seule de préjuger que l'un est la cause ou la conséquence de l autre. En effet, l association peut être d une autre nature : les deux caractéristiques peuvent être, par exemple, toutes deux conséquences d une autre cause L'identification d'un gène statistiquement corrélé à une maladie nécessite de nombreuses études ultérieures sur le rôle physiologique de ce gène avant qu'on puisse être sûr qu'il participe au développement de cette maladie. Illustration : Exemple du «gène de la criminalité» Le gène SRY est présent dans la population humaine sous 2 allèles d'égales fréquences (environ 50% de la population a l'allèle 1, et 50% a l'allèle 2). En faisant une étude sur les gens ayant commis un meurtre, on s'aperçoit que 90% d'entre eux possèdent l'allèle 1. - Pensez-vous que cela soit statistiquement significatif (autrement dit, qu'il ne peut s'agir d'une coïncidence?) - Pensez-vous que l'allèle 1 prédispose à commettre un meurtre? Correction de l exercice : attention à l'effet «boîte noire»! En fait, nous avons pris intentionnellement un exemple de la vie de tous les jours, avec un gène connu, pour lequel la réponse vous sautera aux yeux. Nous souhaitons vous montrer à quel point traiter les gènes comme une «boîte noire» en se laissant aveuglément guider par les statistiques peut obscurcir le bon sens. En fait ce gène SRY, situé sur le chromosome Y, est le gène qui détermine le sexe! Les hommes possèdent un gène SRY (allèle 1), et les femmes n'en possèdent pas (allèle 2 : absence du gène). A la question «pensez-vous que l'allèle SRY 1 prédispose-t-il à commettre un crime», vous pouvez 23

25 bien sûr maintenant répondre : «Non!» C'est vrai que 90 % des gens commettant des crimes sont des hommes, mais seule une infime proportion des hommes commettent des crimes : la corrélation est ici loin d'être parfaite. Vous vous êtes fait avoir? C'est que vous avez oublié de vous poser la question réciproque : quelle proportion des gens ayant l'allèle 1 de SRY commettent un crime? En conclusion, souvenez-vous qu'il ne faut pas traiter les caractères physiologiques, comportementaux, etc. et leur relation avec les gènes comme une «boîte noire». Le problème, quand on croit a priori que tout est déterminé dans les gènes, c est que lorsque apparaît une corrélation robuste entre gène et comportement, on est tenté de considérer que la découverte de cette corrélation tient lieu de réponse au lieu d être source d un nouveau questionnement. 24

26 Principe, applications et limites des tests génétiques [1. INTRODUCTION] La plupart des tests génétiques visent à mettre en évidence la présence (déjà déclarée ou non) d'une maladie héréditaire ou à détecter des porteurs sains de cette maladie, ayant un risque de la transmettre à leur descendance. D'autres cherchent à prédire la probabilité qu'une maladie à composante génétique se déclare ou non. Seul un nombre très restreint de tests permettent d identifier avec une certitude de 100 % la survenue d'une affection, et donc de proposer un diagnostic très tranché. A l'inverse, notamment dans le cas des cancers où beaucoup d'entre eux sont multifactoriels, le test génétique est plutôt un test de «prédisposition à» ou de «susceptibilité de» développer la pathologie. Selon la complexité de la maladie (nombre de gènes impliqués, pénétrance, ) et le rôle de l environnement, le résultat d un test génétique peut être une quasi-certitude ou une simple probabilité. [2. DEFINITION ET PRINCIPE D'UN TEST GENETIQUE] 2.1. Définition Il s'agit d'un test basé sur l'analyse de notre matériel génétique (chromosomes, ADN, ARN). C est la finalité du test qui compte (=mettre en évidence une modification de notre matériel génétique, et ceci pour différentes applications) plutôt que la technique mise en œuvre pour faire le test. En effet, pour réaliser un test génétique, on peut faire appel à un large éventail de techniques en fonction de la nature de l anomalie à détecter : - soit un microscope dans le cas d anomalies de nombre ou de structure des chromosomes - soit des techniques plus pointues pour mettre en évidence la présence de mutations bien précises dans le matériel génétique (séquençage, Southern blot, PCR, DHPLC, etc.). De façon schématique, un test génétique permet de détecter la présence ou l absence : - d une modification génétique particulière - dans un gène particulier - chez un individu donné - dans un but bien précis (diagnostic, diagnostic présymptomique, DPI, DPN, statut de porteur sain, ). 25