Applications évolutives, médicales et cliniques du séquençage de l'exome complet

Comme nous le savons tous, les protéines jouent des rôles importants dans le corps humain, car tous les événements physiologiques sont liés aux fonctions structurelles ou mécaniques de certaines protéines. Étudier le processus de synthèse des protéines est une manière d'étudier l'étiologie, la pathophysiologie, le diagnostic et le traitement de certaines maladies. Le génome humain contient environ 3 milliards de paires de bases d'ADN. Parmi celles-ci, seulement environ 30 millions de paires de bases d'ADN portent l'information de la synthèse des protéines. Cette partie du génome est appelée exome. L'exome est précieux aux yeux des chercheurs car il est l'origine de la synthèse des protéines. Avec le développement des stratégies d'enrichissement de l'exome et du séquençage à haut débit, séquençage de l'exome entier (WES) devient possible. WES est une méthode plus rentable par rapport à séquençage du génome completet a été appliqué dans la recherche évolutive et médicale, ainsi que dans la pratique clinique.

Application dans la recherche sur l'évolution

Le génome est une encyclopédie, racontant les histoires qui se sont déroulées tout au long de l'histoire de l'humanité. Le séquençage de l'exome complet pourrait être utile pour résoudre le puzzle de l'évolution humaine. En étudiant l'anthropologie, l'intervention sur certaines maladies pourrait être plus efficace. Prenons le carcinome œsophagien comme exemple. En Chine, les habitants de deux régions ont une incidence élevée de carcinome œsophagien, autour de la montagne Tai et de la région de Chaoshan dans la province du Guangdong. Les langues, coutumes, modes de vie, aliments et climats sont assez différents les uns des autres. Les études historiques suggèrent qu'ils pourraient partager les mêmes ancêtres. Le séquençage de l'exome complet a été appliqué afin de déterminer une carte d'expression génique des personnes de ces deux régions.

Application dans la recherche médicale

Recherche étiologique. Il existe de nombreuses maladies non traitées d'étiologie inconnue, appelées maladies idiopathiques en clinique. Sans connaître les causes, ces maladies ne peuvent être diagnostiquées et traitées qu'en fonction des symptômes, tels que l'hypertension primaire et l'aménorrhée primaire. Tout ce que nous savons, c'est que ces maladies ne sont pas secondaires. Les médecins avaient l'habitude d'étudier ces maladies par la surveillance des signes vitaux et les résultats des examens de laboratoire des patients. Puis, avec le développement de la technologie biologique, des altérations physiologiques ont été découvertes au niveau des tissus, des cellules, voire même des molécules. De nombreuses maladies idiopathiques se sont révélées être liées à un dysfonctionnement ou à une carence de certaines protéines. Pour une analyse plus approfondie de l'étiologie des maladies idiopathiques, le séquençage de l'exome entier nous permet de déterminer l'origine du dysfonctionnement ou de la carence des protéines.

Un exemple est les maladies de stockage lysosomal. Ce groupe de maladies est défini par une fonction déficiente des lysosomes, entraînant un retard de croissance, une surdité ou une démence. Les lysosomes sont un type d'organite qui décompose certaines substances à l'intérieur des cellules. Nous savons peu de choses sur le mécanisme des maladies de stockage lysosomal. De nos jours, les chercheurs ont trouvé plusieurs gènes liés à ce groupe de maladies en utilisant le séquençage de l'exome entier. En connaissant les gènes fonctionnels, des explorations telles que des expériences de knockout de gènes peuvent être réalisées pour mieux comprendre le mécanisme de ce groupe de maladies. Un autre exemple est le cancer d'étiologie inconnue. En analysant l'étiologie du cancer, les médecins pourraient déterminer des stratégies de prévention. La figure 1 montre une recherche typique sur l'étiologie utilisant le séquençage de l'exome entier.

Figure 1. Une recherche typique sur le cancer du sein utilisant le séquençage de l'exome complet. (Kim et al., 2015)

Recherche épidémiologique. Les risques de contracter certaines maladies varient d'un individu à l'autre. Certaines de ces maladies se développent facilement chez certains groupes de personnes. La variété de l'incidence est due aux différences dans les conditions sanitaires, la culture et les facteurs génétiques. Il est facile de comparer les conditions sanitaires et la culture par des études sociales. Mais il est difficile d'étudier les facteurs génétiques car la quantité de génome est trop importante. Les psychiatres actuels bénéficient beaucoup du séquençage de l'exome entier, car cela résout le problème mentionné ci-dessus.

Prenons la maladie d'Alzheimer comme exemple. La maladie d'Alzheimer est une maladie dégénérative chronique entraînant une démence. Des symptômes comme la perte de mémoire surviennent généralement chez les personnes âgées. En vieillissant, les symptômes deviennent plus graves. C'est un processus irréversible. Ce que nous pouvons faire, c'est une intervention précoce. Cependant, il est difficile pour les gens de distinguer si leur grand-père a un changement de comportement ou s'il est simplement de mauvaise humeur, sauf pour ceux qui sont formés. Cela empêche l'intervention précoce. Il existe un projet appelé Alzheimer’s Disease Sequencing Project, qui effectuera un séquençage de tout l'exome chez plus de 5 000 patients, afin d'identifier les gènes responsables de la maladie d'Alzheimer. Cela constituera un matériel de soutien solide dans la pratique épidémiologique, car le gouvernement local pourra élaborer des projets de prévention plus spécifiques en fonction de l'état d'expression génétique des résidents.

Figure 2. Projet de séquençage de la maladie d'Alzheimer.

Application en pratique clinique

Figure 3. Applications du séquençage de l'exome complet en clinique.

Diagnostic. Le diagnostic est le processus le plus important en pratique clinique. Il nécessite que les médecins soient familiers avec les symptômes, les signes, les indicateurs de laboratoire et les changements imagerie de certaines maladies. Parfois, le patient peut mal comprendre les questions des médecins, ce qui entraîne une histoire confuse pour les médecins. Cela peut se produire lorsque le patient a un faible niveau d'éducation, est délirant ou est un enfant, ce qui peut conduire à un diagnostic erroné. Le séquençage de l'exome entier apporte de grandes contributions dans ces cas. Les médecins peuvent utiliser le séquençage de l'exome entier pour diagnostiquer et éviter les erreurs de diagnostic. Il existe des preuves que le séquençage de l'exome entier a été appliqué au service pédiatrique, aidant à diagnostiquer des maladies neurologiques chez les nouveau-nés et les nourrissons. De plus, le séquençage de l'exome entier est utilisé pour établir un pronostic et diagnostiquer le syndrome d'aneuploïdie mosaïque variégée en détectant la mutation CEP57.

Traitement. Le traitement d'une certaine maladie ne fonctionne pas toujours, en particulier pour ceux qui souffrent de maladies systémiques comme l'hypertension, le diabète et les cancers. Prenons les cancers comme exemple. Au départ, nous savons que le cancer résulte d'une croissance incontrôlée des cellules, mais nous ne savons pas quel type spécifique de cellule il s'agit. Nous utilisons donc la chimiothérapie, la radiothérapie ou la chirurgie pour éliminer le tissu anormal que nous appelons nidus. Ces traitements ne peuvent parfois pas guérir les patients, en particulier dans les cas malins. De plus, tous ces traitements peuvent tuer les tissus normaux ainsi que les tissus anormaux, ce qui peut aggraver l'état des patients. Avec le développement de la médecine clinique et fondamentale, la compréhension de la physiopathologie du carcinome s'approfondit. Nous connaissons certains cibles potentielles des cancers, telles que EGFR, mTOR et KEAP1. La thérapie ciblée visant ces loci frappe précisément les cellules anormales et épargne les cellules normales. Cela maximise l'effet du traitement et minimise les effets secondaires. Grâce au séquençage de l'exome entier, nous pourrions connaître la classification de la tumeur afin de proposer une thérapie ciblée personnalisée.

Prévention. Il est plus efficace de prévenir que de traiter. Cependant, toutes les maladies ne présentent pas de symptômes précoces clairs. Le séquençage de l'exome complet fournit le profil génétique d'une personne. Avec ce profil génétique, on peut connaître ses facteurs de risque pour certaines maladies afin de pouvoir les prévenir tôt. Par exemple, une femme sachant qu'elle a des mutations dans DYNC2H1 et ALOX15, qui sont connues pour être des facteurs de risque de pertes de grossesse précoces récurrentes, peut consulter son obstétricien avant de planifier d'avoir un bébé.

Lecture supplémentaire:

Principes et flux de travail du séquençage de l'exome entier

Flux de travail en bioinformatique du séquençage de l'exome complet

Références :

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