(CERTAINS) ASPECTS GENETIQUES ET CYTOGENETIQUES DE LA FERTILITE

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1 (CERTAINS) ASPECTS GENETIQUES ET CYTOGENETIQUES DE LA FERTILITE Jean Pierre SIFFROI Service de Génétique et d Embryologie médicales Hôpital Armand Trousseau, Paris. jean-pierre.siffroi@trs.ap-hop-paris.fr

2 La recherche des causes génétiques d une pathologie particulière part toujours du phénotype des patients atteints Signes cliniques particuliers Diagnostic de la maladie Identification du ou des gènes responsables Pour l infertilité, la situation est plus difficile car de multiples causes génétiques peuvent correspondre à une anomalie phénotypique identique comme la diminution du nombre ou l absence de spermatozoïdes chez l homme ou une IOP chez la femme. Nécessité encore plus importante de réaliser un bilan clinique et biologique méticuleux avant de lancer une étude génétique.

3 Pour ne parler que des causes génétiques d infertilité accessibles à un diagnostic et/ou présentant un risque pour la descendance:

4 Chez l homme, la recherche de ces causes génétiques d infertilité repose d abord sur: - un examen clinique rigoureux - l interprétation des données biologiques: spermogramme, biochimie séminale, dosages hormonaux, etc - l étude de l arbre généalogique Infertilité de nature obstructive Absence congénitale bilatérale des canaux déférents (cf cours suivant) Cause chromosomique? Idiopathique? Infertilité de nature non obstructive Délétion de l Y? Non idiopathique? Syndrome particulier: modèles animaux

5 Chez la femme, le point de départ de la recherche des causes génétiques d infertilité repose souvent sur des anomalies menstruelles Aménorrhée primaire Aménorrhée secondaire Dysgénésies gonadiques (Turner et variants, femmes XY SRY-, certains hypogonadismes hypogonadotropes,.) Anomalies du tractus génital (MRKH, certaines réversions sexuelles, ) IOP (et, à la limite, femmes hypofertiles, à FSH un peu élevée ou mauvaises répondeuses en FIV) et l étude de l arbre généalogique

6 Insuffisances ovariennes précoces (IOP) Aménorrhée depuis plus de 6 mois Gonadotrophines: FSH > 40mUI/ml Survenue avant 40 ans (notion arbitraire) Faddy 2000 Mol Cell Endocrinol 163; 43-8

7 L IOP touche 2% à 3% des femmes et dans 90% des cas, l étiologie reste inconnue. Par contre, dans 15% à 20% des cas, on retrouve un contexte familial

8 Autosomes FSHR FOXL2 GDF9 ATM AIRE NOBOX GALT EIF2B NSB1 DMC1 Parathyroid responsive B1 gene FIGLA Progesterone receptor membrane component-1 HARS2 SF1 Chromosome X triple X Monosomie X Mosaïque X/XX Délétions X Translocations X-autosome FMR1 BMP15

9 Recherche des régions du génome impliquées: exemple du chromosome X Xq13-21 Xq 22-26

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11 A côté des anomalies de structure de l X, il existe également des gènes candidats

12 Normal: répétitions Zone de répétition CGG Gène FMR1 Prémutation: répétitions Gène FMR1 inactivé Passage à une mutation complète (>200) obligatoire dès répétitions à travers une méïose féminine: méthylation anormale de la région et inactivation du gène FMR1

13 20% des femmes avec une prémutation ont une IOP 3% des cas sporadiques d IOP ont une prémutation et une femme sur 350 dans la population générale est pré-mutée Attention lors de la prise en charge de ces femmes en AMP: DPN voire DPI

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16 Syndrome BPES type I: IOP et blepharophimosis Gène FOXL2 en 3q22-23 transmission autosomique dominante

17 Surdité neurosensorielle et IOP: syndrome de Perrault?

18 Voies génitales masculines et azoospermie obstructive Exemple de l absence bilatérale congénitale des canaux déférents ABCD (CBAVD: Congenital Bilateral Absence of Vas Deferens) Azoospermie, volume faible, ph acide Diagnostic clinique et échographique Malformation pratiquement constante dans la mucoviscidose (98% des cas) (atrésie secondaire et non pas agénésie)

19 CBAVD = forme génitale de mucoviscidose?

20 Recherche des mutations du gène CFTR positive dans environ 80% des cas de CBAVD (4% dans la population générale) (en l absence d anomalie rénale associée) 20% de doubles hétérozygotes 1 mutation grave + 1 mutation modérée 33% d hétérozygotes simples + allèle 5T 1 mutation grave (classe I, II) + 5T 27% hétérozygote simple ou allèle 5T 20% sans mutation absence de mutation ou mutation non détectable?

21 Facteurs de modulation de l effet des mutations CFTR Présence de l allèle 5T EXON 7 INTRON 7 EXON 8 INTRON 8 EXON 9 INTRON 9 EXON 10 11% 84% GTGTGTTTTTTTTTAACAG 9T GTGTGTTTTTTTAACAG 7T Conséquences EXON 8 EXON 9 EXON 10 5% GTGTGTTTTTAACAG 5T Population générale ~ 50% des hommes CBAVD ont l allèle 5T EXON 7 EXON 8 EXON 10 Excision de l exon 9 dans 90% des cas Protéine tronquée

22 % d ARNm CFTR normal 100% Phénotype clinique Génotype PolyT Mutation CF 9T /9T 9T /7T 7T /7T Normal 9T /5T 7T /5T 10% CBAVD Mucoviscidose ± Mucoviscidose ++ 5T /5T 5T / 7T + / CF classe I ou II 7T / 7T CF mineure / CF mineure CF / CF

23 Conséquences pour l AMP: calcul du risque résiduel de mucoviscidose pour un enfant à naître C est principalement le statut génétique de la conjointe qui définit le risque Quelle est la probabilité qu elle soit quand même porteuse d une mutation du gène CFTR même si le dépistage des principales mutations est négatif? 1/25 x (1 sensibilité) Dépistage des 30 mutations les plus fréquentes: sensibilité ~ au moins 80% pour la France (86-90% en Bretagne) 1/25 x (1-0,8) = 1/125

24 Si l homme est hétérozygote et la femme négative, le risque pour l enfant est: 1 x 1/125 x 1/4 = 1/500 Soit x ~ 6 par rapport à la population générale non testée Séquencer le gène CFTR pour: -Trouver une 2eme mutation chez l homme -Détecter une mutation rare mais potentiellement grave chez la femme? à discuter

25 Anomalies chromosomiques et spermatogenèse Anomalies de nombre Anomalies de structure Syndrome de Klinefelter Marqueurs chromosomiques Translocations Robertsoniennes Inversions Double Y Translocations réciproques

26 Syndrome de Klinefelter Syndrome de Klinefelter homogène 47, XXY Syndrome de Klinefelter en mosaïque 47, XXY/46, XY Azoospermie Oligozoospermie Fécondité naturelle? IAD Biopsie testiculaire Négative Positive ICSI Risque pour la descendance? IAD

27 Ségrégation théorique des gonosomes dans les gamètes X X Y X X Y XX XY XY 2 fois plus de spz 23, X que de 23, Y Autant de formes normales que de disomiques Formes disomiques 24, XY > 24, XX

28 Y 18 En fait, les formes disomiques ne dépassent pas les quelques % et des spz 24, YY sont retrouvés (erreurs de méïose II) X

29 Hypothèse de l environnement testiculaire Spermatogonies XY Erreur en méiose I 24,XY 22, / 24,YY 24,XX Erreur en méiose II S il existe une augmentation des erreurs en méiose, cela peut toucher n importe quelle paire de chromosomes (21++) 23,X 23,Y Variabilité inter-individus très probable

30 Conduite à tenir pour la prise en charge d un sujet Klinefelter en AMP Oligozoospermie FISH sur spz possible Azoospermie BT et congélation des spz Evaluation du risque individuel ICSI «à l aveugle» Proposition de DPN voire de DPI?

31 Translocations Robertsoniennes [ou fusion centrique entre 2 chromosomes acrocentriques (centromère à l extrémité)] Fréquence 8 à 10 plus grande chez les hommes infertiles

32 ;14 Caryotype normal ou transloqué équilibré

33 Tri 13 Tri 14 Fausses couches ou polymalformés ;14 Région d asynapsis et d interaction possible avec le corpuscule XY Blocage en méïose

34 Translocations réciproques

35 ou Caryotype normal ou transloqué équilibré

36 ou Trisomies et monosomies partielles pour les segments transloqués FCS ou polymalformés Région d asynapsis Association avec le corpuscule XY Blocage en méïose par extension de l inactivation de l X aux segments autosomiques

37 Anomalies chromosomiques et infertilité féminine Corrélation moins nette MAIS facteur aggravant probable de l infertilité d un couple Caryotype pour l homme et la femme candidats à l ICSI? Etude Gekas et coll., Hum. Reprod., 2001, 16, caryotypes dont 1012 femmes 28 (2,77%) anomalies de nombre des gonosomes 14 (1,38%) translocations 7 (0,69%) inversions Plus de 2% d anomalies de structure (population générale ~ 1/500) Total : 4,84%

38 RAS Translocation Délai à la conception peut-être allongé mais pas d infertilité Dg sur FCS ou naissance d un enfant porteur d un syndrome chromosomique

39 OATS Translocation Infertilité de couple Passage en ICSI

40 Anomalies de la spermatogenèse et mutations géniques La spermatogenèse est un phénomène séquentiel impliquant un très grand nombre de gènes (+ de 1000 très probablement) Toute mutation délétère interrompant le processus peut être à l origine d une azoospermie ou d une OATS Peu de gènes ont cependant été décrits chez l homme 315 hommes avec un défaut de spermatogenèse inexpliqué 7 mutations faux-sens mais entraînant une diminution de l activité transcriptionnelle de NR5A1

41 Certaines tératozoospermies sont cependant spécifiquement associées à des mutations dans des gènes précis

42 Le chromosome Y humain: - petit chromosome: 2 à 3% du génome haploïde (difficulté d analyse par les techniques cytogénétiques classiques) - seul chromosome constitutionnellement à l état de monosomie - seul chromosome pour lequel la nullosomie est «viable» 45, X syndrome de Turner

43 A l origine, l Y était fluorescent! Description par Tiepolo et Zuffardi (1976) de chromosomes Y non fluorescents chez 6 patients azoospermiques le terme de facteur AZF (AZoospermia Factor) était né

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46 P 11.3 PAR1 Région pseudo-autosomale Bras court Centromère Q 11.2 Région euchromatique du bras long Zone Non recombinante NRY 12 Hétérochromatine PAR2 Région pseudo-autosomale 2

47 Anomalies de structure de l Y visibles au caryotype et infertilité P Q H Délétion Yq ter Iso Yp Iso dic Yp t(y;a) r(y) Y normal Infertilité par perte d une partie plus ou moins importante de la partie proximale du bras long (Facteur AZF)

48 Nature 2003, 423: Recombinaisons intra-chromosomiques très fréquentes NRY (Non Recombining Y) devient MSY (Male Specific Y)

49 Particularité notable des régions «ampliconic» = existence de 8 palindromes massifs couvrant 5,7 Mb, soit un quart de MSY Identité bras à bras de 99,94% à 99,997% Taille des bras de 9 kb à 1,45 Mb Palindromes imparfaits: existence d un segment central non dupliqué

50 Particularité notable des régions «ampliconic» = existence de 8 palindromes massifs couvrant 5,7 Mb, soit un quart de MSY Identité bras à bras de 99,94% à 99,997% Taille des bras de 9 kb à 1,45 Mb Palindromes imparfaits: existence d un segment central non dupliqué La plupart des gènes situés dans les amplicons sont exprimés principalement ou exclusivement dans le testicule

51 10% à 15% des hommes présentant une azoospermie ou oligozoospermie extrême de nature non obstructive sont porteurs d une délétion moléculaire (le + souvent invisible au caryotype) du bras long Perte de gènes constituant le facteur AZF Caractère non chevauchant de ces microdélétions 3 loci AZF AZFa intervalle 5 AZFb intervalles 5-6 AZFc intervalle 6

52 Pourquoi ces délétions sont-elles si fréquentes sur l Y et comment surviennent-elles? Le chromosome Y est très riche en séquences répétées (séquences Alu, rétrovirales, bras des palindromes, etc ) qui ne demandent qu à recombiner entre elles: recombinaisons homologues qui lorsqu elles sont alléliques (même endroit sur le chromosome) n entraînent aucune modification Exemple de la région AZFa bordée par des séquences d origine rétrovirale HERV15 HERV15 HERV15 HERV15 Phase G2-M: 2 chromatides soeurs

53 Pourquoi ces délétions sont-elles si fréquentes sur l Y et comment surviennent-elles? Le chromosome Y est très riche en séquences répétées (séquences Alu, rétrovirales, bras des palindromes, etc ) qui ne demandent qu à recombiner entre elles: recombinaisons homologues et qui lorsqu elles sont ne sont pas alléliques (NAHR: Non Allelic Homologous Recombination) entraînent délétion et duplication HERV15 HERV15 HERV15 HERV15 HERV15

54 Nature Genetics, 2001, 29, X

55 Des recombinaisons entre palindromes sont également responsables des délétions AZFb et AZFb+c P5/P1 proximal: AZFb 6,2 Mb - 32 gènes P4/P1 distal: AZFb+c P5/P1 distal: AZFb+c 7,7 7 Mb Mb gènes gènes Les locus AZFb et c se chevauchent

56 Microdélétions et phénotype d infertilité: intérêt pour la prise en charge des patients

57 AZFa: sévérité du phénotype d infertilité pour seulement 3 gènes dans la région Lequel est responsable? USP9Y DDX3Y Délétion AZFa complète: SCO UTY Biopsie testiculaire inutile

58 AZFa: sévérité du phénotype d infertilité pour seulement 3 gènes dans la région Lequel est responsable? USP9Y Mutation ou délétion ponctuelle: de l azoospermie par hypospermatogenèse à l oligozoospermie avec grossesses naturelles DDX3Y UTY Intérêt de la biopsie

59 AZFa: sévérité du phénotype d infertilité pour seulement 3 gènes dans la région Lequel est responsable? USP9Y Délétion partielle USP9Y + DDX3Y = SCO DDX3Y UTY? Délétions ponctuelles: SCO +++ ou oligozoospermie extrême Intérêt de la biopsie ±

60 AZFb Famille de gènes RBMY (RNA Binding Motif Y) L absence de protéine RBMY s accompagne d un arrêt de la maturation des cellules germinales au stade du début de la méiose Biopsie testiculaire a priori inutile mais il existe des cas de délétions AZFb (souvent partielles) avec hypospermatogenèse majeure à la biopsie

61 Les délétions de la région AZFc sont particulièrement monomorphes Perte des 4 copies des gènes DAZ (Deleted in AZoospermia) DAZ 1 et 2, DAZ 3 et 4 et des deux copies des gènes CDY1a et CDY1b Délétion AZFc ou délétion b2b4 Mais le phénotype testiculaire associé est particulièrement variable (transmissions naturelles décrites)

62 Les délétions classiques AZFa, b ou c restent toujours associées à des troubles majeurs de la spermatogenèse. Elles ne sont jamais retrouvées chez des hommes normospermiques Mais la structure palindromique de la région AZFc laisse prévoir plusieurs autres types de délétions b2/b4 (classique AZFc) b1/b3b2/b3 Polymorphisme en Europe du Nord? gr/gr 3% de la population

63 Les délétions partielles gr-gr sont-elles des facteurs d infertilité? D2b Repping et al., Nat Genet 2003, 35:

64 Etude Tenon/Pasteur sur 192 patients présentant une infertilité idiopathique et 181 contrôles (165 fertiles et 16 normospermiques) Patients: 4/192 (2.1%) Contrôles: 6/181 (3.3%)

65 Fertil Steril 2009, 92; Etude complétée par l analyse fine de la structure de la région AZFc chez 364 patients infertiles azoospermies - 72 oligozoospermies sévères oligozoospermies modérées - 18 oligozoospermies moyennes et 193 contrôles avec une fertilité prouvée (84) ou normospermiques (109) Origine ethnique variée dans les deux populations

66 Toutes ces délétions partielles sont retrouvées à la fois chez des sujets infertiles mais aussi chez des contrôles fertiles

67 * * Sans aller jusqu à l infertilité, les délétions gr/gr entraînent quand même: - une diminution de la concentration des spermatozoïdes - une diminution du nombre total de spermatozoïdes par éjaculat - une diminution de la mobilité * Les délétions gr/gr prédisposeraient donc à avoir un sperme de qualité moyenne Visser et al. Hum Reprod 2009; 24:

68 De par son impossibilité de recombiner avec le chromosome X, l Y accumule des variations et retrace l histoire humaine Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs): échange d une paire de bases, évolution lente Microsatellites: variations de taille, évolution rapide Différentes familles de chromosomes Y à travers le monde (+ de 200)

69 Avec un tel polymorphisme, que reste t-il des rapports entre anomalies de l Y et infertilité masculine? Les délétions classiques AZFa, b ou c restent toujours associées à des troubles majeurs de la spermatogenèse. Elles ne sont jamais retrouvées chez des hommes normospermiques Actuellement, il n est pas possible de dire si les délétions partielles représentent des facteurs de prédisposition à l infertilité, dont l expressivité dépendrait de l haplogroupe de l Y, ou si elles sont de simples polymorphismes