Déchiffrer les variations structurelles complexes et les mécanismes de réparation de l'ADN par séquençage de génome entier

HRD dans les génomes du cancer

Les génomes du cancer servent de registre des altérations génétiques qui résultent de dommages à l'ADN et de processus de réparation de l'ADN défectueux au cours du développement normal des cellules et de la progression de la carcinogenèse. Ces altérations génétiques se manifestent sous forme de changements somatiques répandus dans les cancers déficients en BRCA1 (BRCA1d) et en BRCA2 (BRCA2d), principalement liés à des déficiences dans la recombinaison homologue (HR), une voie essentielle pour réparer les cassures double brin (DSB) dans les cellules humaines. Certains de ces motifs de mutation peuvent représenter des mécanismes spécifiques de réparation des DSB, sujets à erreurs, que les cellules utilisent en l'absence de HR fonctionnelle, offrant potentiellement des biomarqueurs précieux pour identifier les défauts de HR et orienter des stratégies thérapeutiques cliniquement pertinentes.

La réparation DSB compromise dans les cellules déficientes en HR (HRD) est souvent associée à des perturbations de l'intégrité génomique structurelle, entraînant des anomalies cytogénétiques distinctes telles que des chromosomes radiaux et des ponts chromosomiques. Les microarrays et séquençage du génome entier (SGE) des études ont révélé d'importants schémas de délétions hétérozygotes (perte d'hétérozygotie ou LOH) et d'autres déséquilibres alléliques dans les cancers liés à l'HRD. Il convient de noter que de telles altérations du nombre de copies peuvent également être observées dans des tumeurs avec HR intact (HRP) et ne sont pas liées à des types spécifiques de variantes structurelles (SVs)Paradoxalement, les caractéristiques génomiques distinctives qui différencient les tumeurs BRCA1d et BRCA2d des tumeurs HRP comprennent des variants de nucléotides uniques (SNVs), de petites délétions caractérisées par une microhomologie, des duplications en tandem et des délétions simples. Fait frappant, ces altérations ont un impact minimal sur la structure des chromosomes. Les mécanismes sous-jacents à la manière dont les processus de réparation des DSB aberrants donnent lieu à des anomalies cytogénétiques associées en présence de défauts de HR restent mal compris.

Variations structurelles complexes et mécanismes de réparation dans les cancers déficients en BRCA1 et BRCA2

Récemment, un article a été publié dans NatureCette étude, intitulée « Cicatrices de longues molécules de réparation de l'ADN de secours dans les cancers déficients en BRCA1 et BRCA2 », a exploité la puissance de 46 lectures de brins profonds. séquençage du génome entier (SGE) ensembles de données provenant de cancers du sein avec des mutations BRCA1 ou BRCA2. De plus, l'équipe a réalisé une analyse de cartographie génomique sur des données de séquençage génomique à lecture courte provenant de milliers de tumeurs. Cette approche complète a révélé une classe unique de réarrangements, appelés 'paires de renversement', qui sont significativement enrichis dans les cancers déficients en HR. Les auteurs ont proposé un mécanisme de réplication et de restauration indépendants de HR pour expliquer l'ensemble du spectre des résultats des 'paires de renversement'. Cette découverte éclaire une catégorie distincte de réarrangements spécifiques aux déficiences BRCA1 ou BRCA2, qui sous-tendent les anomalies cytogénétiques observées dans les cellules déficientes en HR.

Pour explorer le rôle complexe des variations structurelles (SV) dans les cancers associés à une déficience en recombinaison homologue (HRD), les chercheurs de cette étude ont méticuleusement rassemblé des données provenant de 979 profils de séquençage de génomes entiers, comprenant principalement des tumeurs primaires (95 %). Ces tumeurs représentaient quatre types distincts fréquemment liés à des défauts de HR. Parmi cet ensemble de données, il y avait 24 et 36 tumeurs affichant l'inactivation des allèles BRCA1 et BRCA2, ainsi que 487 tumeurs associées à des anomalies de la voie de HR (HRP). Par la suite, les chercheurs ont utilisé une approche de cartographie génomique intégrée pour analyser les altérations du nombre de copies et les réarrangements, facilitant une évaluation comparative des schémas de SV entre les tumeurs déficientes en BRCA1 (BRCA1d), déficientes en BRCA2 (BRCA2d) et les tumeurs HRP.

LR WGS révèle des phases cis et trans pour des topologies de paires réciproques similaires.

Les résultats ont révélé des similitudes remarquables dans les profils de SV entre les cancers HRP et HRD, englobant des SV complexes. Néanmoins, une exception notable est apparue, car une classe particulière de SVs connue sous le nom de "Complexes d'Insertion Tandem" (TICs) a montré un enrichissement significatif dans les tumeurs BRCA1d et BRCA2d.

Les réarrangements inverses classiques, caractérisés par des translocations ou des inversions d'équilibre, sont des mécanismes qui se produisent sans perte ou gain net de matériel génétique, impliquant une paire de jonctions d'ADN positionnées adjacentes aux extrémités cassées au sein du même point de rupture. Cependant, il est essentiel de noter que de nombreux réarrangements, y compris les translocations et les inversions, s'écartent légèrement de cette définition classique, présentant des caractéristiques de quasi-inversion. Ces SVs de quasi-inversion, tels que les TICs, impliquent des modifications du nombre de copies au sein de régions génomiques intermédiaires appelées "fragments de lacunes". La polarité de ces modifications est déterminée par l'orientation de la jonction des extrémités cassées. Plus précisément, les gains de copies résultent de connexions entre les extrémités cassées et les fragments de lacunes avec une polarité positive (+), tandis que les pertes de copies se produisent lorsque ces connexions impliquent les segments flanquants avec une polarité négative (-).

Bien que les TIC aient été particulièrement enrichies dans les cancers BRCA1d et BRCA2d, il est à noter qu'elles étaient encore discernables dans une proportion substantielle (36 %) de tumeurs HRP. Cela suggère la possibilité de découvrir des motifs spécifiques à la déficience en HR grâce à une analyse plus approfondie des jonctions presque inversées.

Les paires réciproques sont enrichies dans les tumeurs BRCA1d et BRCA2d.

Sur la base de ces hypothèses, les chercheurs ont mené une analyse complète en comparant les variations structurelles (SV) à proximité les unes des autres entre différents génotypes. Leur enquête a révélé que les motifs circulants appariés étaient nettement plus abondants dans les cancers déficients en BRCA1 (BRCA1d) et en BRCA2 (BRCA2d) par rapport aux cancers de la population à haut risque (HRP). Ces motifs circulants appariés sont appelés "paires inversées" ou "paires réciproques".

De plus, en visualisant la longueur et la polarité des fragments d'écart au sein de ces paires inversées, les chercheurs ont identifié trois sous-modèles distincts spécifiques aux cancers déficients en BRCA1 et/ou BRCA2 :

• Dans les tumeurs déficientes en BRCA1 (BRCA1d), ils ont observé des paires inversées caractérisées par deux fragments d'écart allant de 100 paires de bases à 100 kilobases de longueur, les deux ayant une polarité positive. Celles-ci ont été appelées "dupliqués inversés" (rDups).
• Dans les tumeurs déficientes en BRCA2 (BRCA2d), les chercheurs ont trouvé des paires inversées comportant deux fragments de lacunes allant de 1 paire de bases à 10 kilobases de longueur, tous ayant une polarité négative. Celles-ci ont été appelées "délétions inverses" (rDel).
• De plus, ils ont identifié des paires inversées contenant des fragments de lacunes allant de 1 paire de bases à 100 kilobases de longueur, avec des polarités opposées (positive et négative). Ces paires inversées étaient enrichies dans les cancers BRCA1d et BRCA2d et étaient appelées "déletion-duplication inversée" (rDelDup).

Les chercheurs ont réalisé des lectures liées (LR) et standard. séquençage du génome entier (SGE) sur 46 échantillons de tumeurs, chacun associé à son échantillon normal correspondant. Ces échantillons présentaient des mutations génétiques ou somatiques dans les gènes BRCA1 ou BRCA2. Le séquençage génomique à lecture longue (LR WGS) offre une couverture complète du génome à la fois des échantillons tumoraux et normaux en utilisant le séquençage de courtes lectures barcodées de longues molécules d'ADN. Ces molécules d'ADN allongées jouent un rôle crucial dans le démêlage des paires inversées en haplotypes somatiques phasés, éclairant les mécanismes sous-jacents et les résultats des variations structurelles (SV).

Les résultats de cette étude ont démontré la cohérence entre le mapping WGS LR et l'analyse des données WGS à courtes lectures précédemment décrite. De plus, le WGS LR a révélé un aperçu significatif des paires inversées avec des orientations de réarrangement identiques, produisant deux résultats chromosomiques distincts qui ne peuvent être distingués qu'en utilisant des données moléculaires longues. Le premier résultat, connu sous le nom de "cis", implique la réplication d'un petit fragment d'ADN transféré à un emplacement génomique éloigné. Le second résultat, appelé "trans", représente une translocation bien équilibrée ou une inversion multi-mégabases caractérisée par des répétitions substantielles (environ 10 kb) à chaque jonction. Fait intéressant, l'enquête a révélé que les paires trans-transversales sont prévalentes dans les cas de rDup, rDel et rDelDup, contribuant à des réarrangements étendus dans les tumeurs BRCA1d et BRCA2d. Ces paires trans-inversées exercent des effets chromosomiques considérables, potentiellement liés à des anomalies observables cytogénétiquement généralement associées à l'inactivation de BRCA1 et BRCA2.

LR WGS révèle des empreintes de l'ASA dans les génomes BRCA2d.

Expression différentielle et effets spécifiques à la population potentiellement induits par des facteurs génétiques

En utilisant des eQTL, notre analyse a révélé l'identification de 9 150 loci eQTL associés à 5 198 gènes distincts, dont 11 % présentaient des motifs spécifiques à l'ascendance. Parmi ceux-ci, 812 eQTL ont montré une spécificité de type cellulaire, avec 45 % d'entre eux étant principalement détectés dans les cellules myéloïdes. De plus, nous avons identifié 1 505 variantes de réponse stimulée par des virus, connues sous le nom de reQTL, liées à 1 213 gènes. Notamment, les bases génétiques de la réponse myéloïde ont montré une spécificité virale, avec des variations à travers les populations cellulaires.

Notre enquête sur les gènes exprimés de manière différentielle entre les populations et les gènes à effet différentiel a démontré que 56 % et 60 % d'entre eux, respectivement, étaient associés à au moins un eQTL. Cela suggère que les gènes présentant la variation la plus significative basée sur la population en termes d'expression différentielle et d'effets sont probablement influencés par un contrôle génétique, souvent lié à des loci de type effect-r substantiels. Cela met en évidence la présence de différences entre les populations dans des sous-ensembles spécifiques de gènes. Par exemple, entre les Africains et les Européens, nous avons constaté qu'un seul variant avec une forte différenciation entre les populations pouvait expliquer 81 à 100 % de la variation de l'expression de GBP7.

Les eQTL et les reQTL contribuent au risque de COVID-19. (Aquino et al., 2023)

Une analyse approfondie a révélé la présence de SV inversés dans des orientations cis et trans, chacune présentant des caractéristiques topologiques et de longueur de faisceau spécifiques corrélées aux mécanismes de redémarrage de la réplication. Notamment, ces mécanismes englobent des résultats de demi-crossover et d'insertion de modèle associés à la réplication induite par rupture (BIR). Sur la base de ces résultats, un modèle préliminaire est proposé, suggérant que la BIR médiée par microhomologie pourrait expliquer l'ensemble du spectre de cartographie des paires inversées.

De plus, LR WGS identifié une voie de réparation distincte connue sous le nom d'appariement de brins simples (SSA) spécifique aux défauts de BRCA2 dans les cancers humains. Cette découverte met en évidence une stratégie unique pour renforcer la voie de réparation dans les cellules présentant une déficience en recombinaison homologue (HRD).

Référence:

1. Setton, Jeremy, et al. "Cicatrices de longues molécules de réparation de l'ADN de secours dans les cancers déficients en BRCA1 et BRCA2." Nature (2023) : 1-9.