DEMELER LES LIENS ENTRE GENES ET MALADIES Kh.Ayed EPS.Charles Nicolle.Tunis I- INTRODUCTION: QUELQUES DEFINITIONS Entre le génotype, une définition de biologie moléculaire et le phénotype, une observation de la clinique se nouent des relations d une grande diversité. En introduction, précisons quelques définitions qui vont revenir souvent au cours de cet exposé et qui sont le phénotype et le génotype ; la mutation et le gène. 1- Le phénotype : est l ensemble des effets visibles, mesurables ou quantifiables de l expression d un gène 2 - Un génotype correspond à une constitution génétique particulière 3- Une mutation correspond aux modifications génétiques qui sont à l origine d un changement remarquable de phénotype. Les relations entre génotype et phénotype ne sont pas simples. Deux exemples peuvent illustrer cette complexité : Une mutation ponctuelle d un gène unique (un génotype très élémentaire) peut souvent être à l origine de phénotypes très compliqués : par exemple une maladie de l intelligence, à l inverse un phénotype est mesurable comme la taille d un individu ou la tension artérielle, a pour origine un génotype complexe impliquant l expression et l interaction de plusieurs gènes. 4-Un gène, C est un caractère qui peut être transmis d une génération à une autre à travers la division cellulaire (la méiose). Il correspond à l unité génétique il relève d une définition moléculaire. Classiquement un gène donné conduit à la synthèse d une protéine donnée via un ARN messager. Or ce schéma est trop simpliste. D abord parce qu un gène peut produire plusieurs ARN messagers et donc plusieurs protéines. Ensuite un gène peut s exprimer de façon variable en fonction du temps ou du développement de l individu, il pourra donc produire des protéines différentes. Ainsi le génome humain a la possibilité de s exprimer de façon variable. Une des questions fondamentales de la génétique moderne qui revient sans cesse est celle des corrélations que MARDIS PEDIATRIQUES 1
l on peut établir entre un phénotype déterminé et le génotype qui est à son origine. Cette question est souvent non résolue car ces corrélations sont très complexes : En simplifiant : à des phénotypes identiques ou voisins correspondent le plus souvent des génotypes multiples (plusieurs altérations d un gène, ou des mutations de gènes différents) et à un génotype unique peuvent correspondre à des phénotypes multiples. Nous allons illustrer ces différents cas de figures par des exemples, mais avant il faudrait insister sur l importance fondamentale de ces corrélations pour le généticien et pour le clinicien. En théorie un diagnostic génétique fiable suffirait pour poser un diagnostic clinique et un pronostic mais cette vision est trop simpliste et même un peu naïve. II CORRELATIONS ENTRE GENOTYPE ET PHENOTYPE A- UN GENE, UNE MUTATION? UN PHENOTYPE HOMOGENE La drépanocytose est l exemple le plus classique ; cette maladie de l hémoglobine est une des plus fréquentes maladies génétiques dans le monde. Elle touche plusieurs millions de personnes en particuliers en Afrique. Elle se traduit cliniquement par des douleurs osseuses et une falciformation des globules rouges et leur destruction dans les capillaires de l os, de la rate et du système nerveux. Le génotype de la drépanocytose est homogène sur le plan génétique. Elle est liée à une mutation du codon 6 du gène de la β globine qui aboutit au remplacement dans l hémoglobine d un acide glutanique par une valine. Toutes les personnes atteintes de drépanocytose (homozygotes ou hétérozygotes) sont porteuses de cette mutation en simple ou double dose. Le phénotype biochimique est lui aussi homogène. L électrophorèse de l Hb révèle la présence de l HbS responsable de la falciforamtion. Cette homogénéité observée au niveau du génotype et du phénotype biochimique ne se retrouve pas dans le phénotype clinique. Tous les patients ne présentent pas les mêmes manifestations cliniques. Cette variabilité clinique implique t-elle d autres facteurs génétiques? La drépanocytose constitue un exemple privilégié : un génotype unique (une mutation ponctuelle) associé à un phénotype homogène. En génétique de tels cas font l exception, la règle est plutôt la diversité. MARDIS PEDIATRIQUES 2
B -UN GENE, PLUSIEURS MUTATIONS, DES VARIANTES PHENOTYPIQUES 1- variation par décalage de phase de lecture Deux formes de myopathies, celle de Duchenne et celle de Becker sont toutes deux liées au chromosome X. Elle sont cliniquement distinctes : elles débutent à des différents âges et ont une évolution différente. Malgré ces différences les deux affections sont liées aux anomalies du même gène. Le gène de la dystrophine. Ce gène est localisé sur le bras court du chromosome X en position Xp21. Couvrant un domaine de deux millions de paires de bases. Ce gène est plus grand de tous les gènes actuellement connus dans génome humain. Il comprend plus de 60 exons. Sur le plan moléculaire la pathologie de ce gène est constituée par : - des délétions (perte de matériel génétique) dans plus de 55% des cas - des duplications (contre partie de la délétion) dans 5 à 10% des cas Ces anomalies sont liées à la taille du gène et l existence de nombreux exons homogènes. Lors de l identification des délétions, tous les chercheurs étaient frappés par l absence de corrélation entre la taille de la délétion et le phénotype observé. En effet, on aurait pu s attendre à ce que les délétions soient plus étendues dans le cas de la maladie de Duchenne (phénotype sévère) que dans celui de la maladie de Becker (phénotype modéré). Comment expliquer cette discordance? On a constaté qu une délétion même courte pouvait faire apparaître une forme sévère dés lors qu elle entraînait un décalage de phase de lecture modifiant intégralement la signification génétique des triplets après la délétion. - inversement, des délétions des exons homologues, mêmes très étendues pouvaient n être à l origine que d un phénotype modéré, si la phase de lecture du code génétique n était pas perdue, et si l ensemble de l ARN messager en aval de la délétion était correctement traduit. L analyse de ces deux formes de myopathies montre que dans certains cas l observation de variants cliniques peut être expliquée par l existence de mutations différentes sur un même gène. MARDIS PEDIATRIQUES 3
2- variation par combinaison du variable des allèles Une autre origine de la variabilité des phénotypes pour différentes mutations d un même gène est la combinaison variable des allèles pour un même gène autosomique récessif : * le nombre des mutations est variable * les mutations sur les deux chromosomes sont différentes * chaque chromosome est porteur d une mutation différente au niveau du même gène) c est l exemple la phénylcétonurie. On connaît actuellement plus de 60 mutations du gène qui code pour phénylalanine hydroxylase. Enzyme dont le déficit ou l absence est la cause de cette maladie métabolique. Les mutations sont très variées, celles qui conduisent à la maladie sont les mutations fauxsens. Elles vont substituer un acide aminé à un autre dans la protéine. Le codant 408 traduit à l état normal une arginine (R 408). La mutation (R408) le transforme en un codon tryptophane, ensuite de quoi la protéine synthétisée perd toute activité (forme grave de la maladie). Cette mutation entraîne une modification majeure de la protéine mais une autre mutation R 408Q transforme ce codon en codon acide glutamique et est associée à une forme très peu sévère de la maladie. La modification qu elle introduit dans la structure de la protéine est donc minime. L existence chez le même patient de mutations différentes d un même gène explique le large spectre des phénotypes observés. 85% des enfants atteints de phénylcétonurie en France sont des hétérozygotes composites. Certains présentent des formes typiques et graves de la maladie, d autres pour lesquels un régime n est même pas nécessaire. 3- variation par intervention de facteur génétique ou environnementaux: Un autre exemple de variabilité génétique est fourni par la mucoviscidose. Dans ce cas la variabilité est moindre dans la population d Europe du Nord. Une même mutation du gène CF-TR est retrouvée à l état homozygote dans ces populations (50% des cas). En dépit de cette homogénéité génétique, les enfants homozygotes F508/ F508 ne présentent pas tous la même forme de mucoviscidose, l homozygotie n est pas toujours associée à la forme la plus sévère et la plus précoce de la maladie et les enfants présentant une forme sévère ne sont pas homozygotes F508. Certains facteurs rendent variable l expression de la maladie (même génotype) s agit-il d autres facteurs génétiques ou environnementaux? MARDIS PEDIATRIQUES 4
Dans ces deux cas de figure que nous venons de présenter (myopathie, liées à l X) et (phenylcetonurie, mucoviscodose maladies autosomiques récessives), la diversité des mutations donne une idée sur la variabilité du phénotype. Ce n est pas souvent le cas en matière d hérédité dominante. 4- Variabilité d expression inter et intra- familiales Il s agit de situation où une seule même mutation est retrouvée à l intérieur d une même famille avec une expression clinique très variable ; pouvant aller jusqu à l absence complète de signes cliniques de la maladie. C est ce qu on appelle un défaut de pénétrance, les exemples cliniques de ce phénomènes sont nombreux, citons le cas de la maladie de Recklinghausen où au sein d une même famille, on peut voir des individus porteurs de quelques taches café au lait tandis que d autres présentent un phénotype plus sévère (atteinte neurologique et osseuse). Dans ce cas cette variabilité ne peut être expliquée par la diversité des allèles, mais peut être par l expression d autres gènes dits modificateurs. C UN GENE, UNE MUTATION, PLUSIEURS EFFETS Dans cette situation, un même mutant peut entraîner des effets phénotypiques différents mais additifs. Les exemples les plus classiques en sont certaines hémoglobinopathies comme l hémoglobine Knossos qui a pour origine une mutation qui entraîne à la fois un phénotype de thalassémique c'est-à-dire une réduction de la synthèse de la β globine et un phénotype d'hémoglobinopathie c'est-à-dire une altération des propriétés biochimiques de la β globine mutante formée. Cette anomalie très étrange a reçu une explication moléculaire satisfaisante. D une part la mutation ponctuelle qui est à l'origine de l'hémoglobine Knossos, conduit à un faux-sens biochimique de l'hémoglobine. Mais elle introduit aussi dans la séquence un site critique pour le système d'excision et d'épissage. Pour une certaine proportion d'arn messagers, l'épisage est donc anormal ce qui réduit la synthèse quantitative de la globine et conduit donc au phénotype thalassémique. MARDIS PEDIATRIQUES 5
D PLUSIEURS GENES, PLUSIEURS MUTATIONS, DES PHENOTYPES VOISINS Toutes les maladies jusqu'ici évoquées résultaient de mutations qui n'affectaient qu'un seul gène. D'autres maladies correspondent à l'expression de plusieurs gènes indépendants. Il s'agit alors de famille de gènes situés aux différents endroits du génome, dont les différentes mutations peuvent introduire des phénotypes voisins, c'est le cas des Amyloidoses familiales. Dans cette pathologie plusieurs gènes différents codant pour des protéines apparentées mais d'expression différentes peuvent être touchées en donnant des phénotypes voisins. Des mutations de gènes différents peuvent aboutir un même phénotype. Cette notion ancienne a été clairement démontrée par les travaux de cartographie génétique. On a pu observer des familles atteintes d'une maladie génétique dont le mode d'hérédité était le même et le phénotype très voisin mais dont le gène n'était pas localisé au même endroit sur le génome, les exemples abondent actuellement. Citons simplement certaines névrites pour lesquelles les formes dominantes autosomiques ont au moins deux localisations génétiques, sur le chromosome 1 et le chromosome 17 et pour une forme rare sur le chromosome X. E UN GENE PLUSIEURS MODES HEREDITAIRES Plusieurs modes d'hérédité différents pouvaient exister pour un même locus et pour un même gène. Surprenant! C'est le cas pour le gène qui code pour le canal chlore: pour certaines mutations le gènes s'exprime à l'état dominant et induit un phénotype de myotonie congénitale. Pour d'autres mutations, il va prendre la forme récessive conduisant à un type de myotonie très différent. La maladie n'est alors exprimée que lorsque le patient est porteur de 2 allèles mutants. F LES MUTATIONS INSTABLES: Les mutations instables de l'adn furent également une surprise pour les généticiens. Deux maladies fréquentes correspondent à ces phénomènes : le syndrome de l'x fragile et la myotonie de Steinert. Dans les deux cas des mutations répétitives ont affecté l'adn rendu instable lors des méioses: répétition d'un triplet de nucléotides localisé dans le gène ou dans son voisinage. Ce phénomène varie selon le nombre de répétitions. Lorsque celles-ci dépassent un certain seuil la maladie prend une forme sévère. Lorsque les répétitions sont moins nombreuses, La maladie prend une forme moins sévère et parfois ne s'exprime pas. Grâce à la découverte des mutations instables on commence à comprendre certains phénomènes étranges qu'on observait MARDIS PEDIATRIQUES 6
dans des familles atteintes de dystrophie myotonique de Steinert, qui est une maladie autosomique dominante. Une mère atteinte de la maladie et présentant des signes clinique très minimes, donne régulièrement naissance à des enfants atteints de formes néonatales gravissimes. On a démontré que la transmission du gène mutant s'accompagne régulièrement d'une amplification du nombre de répétition du triplet conduisant à un phénotype plus grave chez l'enfant. De façon similaire l'x fragile. Dans les situations classiques d'hérédité récessive liée au chromosome X. On observait, en effet, à la fois des hommes porteurs de la mutation, mais ne l'exprimant pas et des femmes qui présentait un certains retard mental alors que, par la force des choses, elles n'étaient qu'hémi zygotes pour la maladie. Là aussi, l'instabilité de cette région de l'adn en position Xq27 sur le bras long du chromosome X fournit un début d'explication. G- DES PHENOTYPES «SURPRISE» DES GENOTYPE «SURPRISE» Il est difficile de prédire la nature d un gène à l origine d un phénotype particulier. Le Piebaldisme est une forme d albinisme localisé lié à une anomalie de migration des melanocytes. Maladie autosomique dominante est due à une anomalie d un proto-oncogéne cellulaire C-kit (qui intervient dans la synthèse du tissu hématopoïétique). Or aucune anomalie hématologique n est décrite chez ces patients. H- PHENOTYPES DES ANOMALIES CHROMOSOMIQUES -Au cours des anomalies de nombre des chromosomes ou Aneuploïdie, les corrélations entre phénotypes et génotypes sont encore plus difficiles (dans ces cas plusieurs gènes sont en cause ). - La trisomie 21 constitut un modèle privilégié * La trisomie en mosaïque : ne s exprimant que dans un certain pourcentage de cellules chez des enfants atteints : les corrélations génotypes/phénotypes sont faibles. * La trisomie 21 partielle n intéressant alors qu une partie du chromosome 21. MARDIS PEDIATRIQUES 7
Ces observations extrêmement rares présentent un grand intérêt en terme de corrélation. Une zone du chromosome 21 (bande q21-q22) est nécessaire et suffisante pour qu apparaisse le phénotype trisomique classique avec retard mental et cardiopathie, les autres symptômes : vieillissement accéléré, malformations digestives ne sont pas liées à la même région chromosomique. III- CONCLUSION Ainsi qu il s agisse d une maladie chromosomique ou d une maladie monogénique, d un gène unique ou parfois d une mutation unique, le problème de la corrélation entre les phénotypes présentés par un individu et son génotype est probablement l un des plus actuels et des plus importants qu ont à résoudre de façon concentrée généticiens, cliniciens et généticiens moléculaires. MARDIS PEDIATRIQUES 8