Aperçu des variations du nombre de copies (VNC)

Qu'est-ce que la variation du nombre de copies (CNV) ?

Les variations du nombre de copies (VNC) englobent des modifications du nombre de segments d'ADN spécifiques au sein des génomes individuels. Ces variations constituent un type de variation structurelle génomique, impliquant généralement des segments dépassant 1 kilobase de longueur. Ces distinctions structurelles peuvent survenir par des processus tels que la duplication, la délétion ou d'autres modifications et affectent fréquemment un ou plusieurs gènes.

Les CNV représentent une classe de variants structurels génomiques, qui sont classés en deux niveaux : microscopique et submicroscopique. La variation structurelle génomique microscopique concerne principalement les anomalies chromosomiques visibles lorsqu'elles sont observées au microscope, englobant des conditions telles que l'aneuploïdie, les délétions, les insertions, les inversions, les translocations et diverses autres altérations structurelles. En revanche, la variation structurelle génomique submicroscopique fait référence aux variations dans les longueurs des fragments d'ADN allant de 1 kilobase à 3 mégabases, englobant les délétions, les insertions, les duplications, les réarrangements et les inversions. Collectivement, ces changements submicroscopiques sont appelés CNV ou CNP (polymorphismes du nombre de copies, CNP).

Variations du nombre de copies germinales. (Nakatochi et al., 2021)

Mécanismes sous-jacents à la formation des variations du nombre de copies (VNC)

Variations du nombre de copies (CNC) sont des phénomènes génétiques résultant d'une diversité d'événements génétiques. Ces mécanismes englobent plusieurs processus distincts. L'un de ces mécanismes est l'erreur de réplication, où des erreurs lors de la réplication de l'ADN entraînent des insertions ou des suppressions, conduisant finalement à des modifications du nombre de copies de segments spécifiques de l'ADN. Un autre mécanisme implique la recombinaison non homologue, caractérisée par l'échange de segments d'ADN entre différents chromosomes, entraînant des changements dans le nombre de copies pour les deux chromosomes impliqués.

Les événements de recombinaison se produisent principalement au sein de régions spécifiques de séquences répétitives connues sous le nom de Répétitions à Faible Copie (LCR). Les LCR abritent divers éléments génétiques, y compris des gènes, des pseudogènes, des fragments de gènes, des séquences rétrovirales et des régions régulatrices de gènes. En général, les LCR sont situées aux extrémités des chromosomes et le long des filaments chromosomiques. La taille, l'orientation relative des LCR, l'espacement entre les copies et le degré d'homologie des séquences influencent tous la formation des CNV.

Cependant, les mécanismes précis régissant la formation des CNV restent incompris. Plusieurs mécanismes ont été proposés :

• Recombinaison Homologue Non-Allélique (NAHR) : La NAHR se produit principalement dans des régions sujettes à des recombinaisons fréquentes. Les caractéristiques clés des régions NAHR incluent des tailles de fragments dépassant 10 kb, une homologie de séquence supérieure à 97 %, une orientation de séquence bien définie et des LCR situés au sein du même chromosome.
• La jonction non homologue des extrémités (NHEJ) : Certains CNV plus simples peuvent surgir par le biais du mécanisme NHEJ, qui ne nécessite pas d'homologie précise entre les ruptures d'ADN. Au lieu de cela, le NHEJ peut unir des ruptures d'ADN disparates, ce qui peut entraîner des réarrangements chromosomiques tels que des translocations et d'autres mutations.
• Le blocage de la fourche et le changement de modèle (FoSTeS/MMBIR) : FoSTeS représente un mécanisme complexe responsable de la génération de CNV avec des structures complexes. Ce mécanisme produit non seulement des CNV s'étendant sur plusieurs mégabases, mais induit également des réarrangements tant au niveau des gènes qu'au niveau des exons. Ces réarrangements comprennent des duplications de gènes et un mélange d'exons, contribuant de manière significative à l'évolution du génome.

L'interaction de ces mécanismes et leurs conséquences spécifiques dans divers contextes justifient une enquête plus approfondie. Une compréhension complète de la formation des CNV et de leurs implications pour la diversité génétique et l'étiologie des maladies nécessite des recherches continues.

CNVs et maladie

Actuellement, Variations du nombre de copies (VNC) dans le domaine des maladies, on peut les classer en trois catégories principales :

• CNVs hérités des cellules germinales : Ces CNVs sont inhérents au génome parental et sont transmis à leur progéniture par le biais des cellules germinales. La détection de ces CNVs implique l'examen des génomes des parents et constitue un aspect crucial du conseil génétique. Les CNVs hérités des cellules germinales sont liés au développement de nombreux troubles génétiques.
• CNVs acquis de novo : Contrairement aux CNVs hérités des cellules germinales, ces variantes ne sont pas présentes dans les génomes parentaux mais émergent dans les génomes des nouveau-nés. Elles peuvent résulter d'événements mutationnels soudains ou de mutations survenant au cours du développement embryonnaire précoce. Les CNVs acquis de novo sont également associés à l'apparition de diverses maladies.
• CNV produits par des cellules somatiques : Ces CNV apparaissent après la phase embryonnaire à cellule unique et peuvent découler d'influences environnementales, de la division cellulaire ou d'autres processus biologiques. Les CNV somatiques peuvent différer entre les différents tissus d'un individu et peuvent influencer la fonctionnalité et les caractéristiques des cellules somatiques.

Impact des variations du nombre de copies (VNC) sur l'activité génique

Variations du nombre de copies (CNC) dispersés à travers divers loci dans le génome peuvent donner lieu à une diversité de variations phénotypiques génomiques et moléculaires, contribuant finalement à l'émergence de maladies complexes, y compris le cancer. Les mécanismes sous-jacents par lesquels les CNV influencent l'expression génique et déclenchent par conséquent la tumorigenèse comprennent les éléments suivants :

• Knockouts et disruptions de gènes : La manière la plus directe dont les CNV influencent l'expression des gènes est en éliminant un gène entier ou en perturbant des portions spécifiques de celui-ci. Cela peut se produire par l'insertion de séquences partielles qui codent soit des protéines non fonctionnelles, soit des protéines fonctionnellement altérées.
• Interférence des régions régulatrices : Les CNV peuvent également exercer leur influence en interférant avec les régions régulatrices d'un gène. Des délétions fragmentaires au sein de ces régions régulatrices peuvent augmenter l'activité transcriptionnelle du gène, tandis que des duplications fragmentaires impliquant des promoteurs et des zones adjacentes peuvent entraîner des réarrangements instables, diminuant finalement l'activité d'expression génique. Un exemple notable de cela est la modulation liée aux CNV du gène UGT2B17 dans le cancer testiculaire, qui impacte non seulement son propre activité mais influence également les gènes voisins.
• Effets Dépendants de la Dose : Les CNV ont le potentiel de moduler directement l'expression de gènes spécifiques par leurs effets de dosage. De petites délétions ou duplications de gènes au sein des régions CNV peuvent perturber leur fonctionnement normal. En essence, une augmentation du nombre de copies de CNV amplifie l'expression génique dans la région affectée ou dans les régions voisines, tandis qu'une réduction du nombre de copies diminue l'expression génique.
• Modifications des gènes structurels : Les CNV peuvent induire des changements structurels dans les gènes, affectant ainsi les produits de l'expression génique. Par exemple, un CNV répandu sur le chromosome 1q21.1, qui est également impliqué dans la susceptibilité au neuroblastome, entraîne une expression modifiée d'un transcrit de gène de la famille des points de rupture du neuroblastome récemment identifié (NBPF), NBPF23.

Méthodes de détection des variations du nombre de copies (CNC)

Hybridation génomique comparative basée sur des arrays (aCGH)

Hybridation génomique comparative basée sur des arrays, communément appelé aCGH, est une technique puissante utilisée pour identifier les variations du nombre de copies au sein d'un génome. En co-hybridant des échantillons marqués avec des marqueurs fluorescents distincts sur une seule puce de microarray, l'aCGH permet de visualiser les délétions ou les amplifications dans l'ADN génomique, tant dans le contexte des tumeurs que des maladies héréditaires à travers des groupes de chromosomes entiers. Cette méthode utilise des instruments et des puces spécialisés, offrant une haute résolution et un degré élevé d'automatisation. Il est important de noter que l'aCGH permet la détection complète des CNV à travers l'ensemble du génome en une seule expérience.

Une comparaison des étapes conceptuelles des méthodes aCGH et CNV-seq. (Xie et al., 2009)

Array de Polymorphisme de Nucleotide Unique (Array SNP)

L'Array de Polymorphisme de Nucleotide Unique, ou Array SNP, adopte une approche unique distincte de l'aCGH. Au lieu d'une stratégie de double hybridation, l'Array SNP implique un événement d'hybridation unique entre les échantillons à l'étude et les sondes de microarray. Il détermine ensuite le nombre de copies à chaque locus génomique en analysant les intensités de signal provenant de divers échantillons. L'Array SNP offre une résolution exceptionnelle et est capable de détecter une large gamme de microdélétions et de microduplications, y compris des phénomènes tels que la disomie uniparentale (DUP), la délétion hétérozygote (LOH) et le chimérisme, en plus des CNV.

Méthodes basées sur le séquençage

Techniques basées sur le séquençage fournir une approche alternative à la détection des CNV, généralement en utilisant séquençage du génome completSemblable à l'aCGH, ces méthodes impliquent le séquençage de quantités égales d'ADN provenant de l'échantillon d'intérêt et d'un ADN de contrôle normal, qui sont ensuite comparés à une séquence de référence. Le nombre de copies à chaque locus génomique est déterminé en comparant les comptes de lectures au sein de fenêtres glissantes entre les deux échantillons. Cette approche permet la détection de grands segments de CNVs à travers tout le génome.

Références :

1. Nakatochi, Masahiro, Itaru Kushima et Norio Ozaki. "Implications des variations du nombre de copies germinales dans les troubles psychiatriques : revue des études génétiques à grande échelle." Journal des Généticiens Humains 66.1 (2021) : 25-37.
2. Xie, Chao, et Martti T. Tammi. "CNV-seq, une nouvelle méthode pour détecter les variations du nombre de copies à l'aide du séquençage à haut débit." BMC bioinformatique 10 (2009) : 1-9.