La génomique au service de la filière équine Laurent Schibler Biologie Intégrative et Génétique Equine INRA, UMR1313 GABI A L I M E N T A T I O N A G R.

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1 La génomique au service de la filière équine Laurent Schibler Biologie Intégrative et Génétique Equine INRA, UMR1313 GABI A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T

2 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Objectifs de la présentation Qu’est ce que la génomique ? Le génome : chromosome, ADN, ARN et protéines Les outils et les méthodes de la génomique Génomique et amélioration génétique Le conseil génétique L’évaluation génomique Génomique et médecine vétérinaire La compréhension de la physiopathologie Biomarqueurs diagnostic et pronostic Le contrôle antidopage Génomique et gestion de l’entrainement La caractérisation des aptitudes Les biomarqueurs La nutrigénomique

3 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 La Génomique La génomique étudie la structure, l’expression et l’évolution du génome. Le génome, encyclopédie de la vie. Le patrimoine génétique, transmis de génération en génération Codé dans l’ADN Volume = Chromosome 2 copies = paires homologues, 2n=64 Phrase = Gène Rôle fonctionnel Production des protéines Production d’ARN régulateurs Mot = Codon Lettre = Nucléotide A, T, G, C Génome nucléaire

4 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 La Génomique La génomique étudie la structure, l’expression et l’évolution du génome. Le génome, encyclopédie de la vie. Le patrimoine génétique, transmis de génération en génération Codé dans l’ADN Cellule Génome nucléaire Gène Protéines ARN messager ADN Transcription Traduction Mécanismes de régulation ARN nc Génomique structurale : architecture des génomes Séquençage du génome Cartographier des gènes Analyser le polymorphisme (mutations) Génomique fonctionnelle: expression des génomes Caractériser le transcriptome et le protéome Identifier les gènes et déterminer leur fonction Analyser les mécanismes de régulation de l’expression Chromosome

5 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 La Génomique Quels liens entre génétique et génomique ? Le même objet d’étude : les gènes La génomique étudie l’ADN, l’ARN et les protéines pour identifier les gènes et analyser leur fonction biologique La génétique étudie statistiquement la transmission des caractères héréditaires pour mettre en évidence les gènes (notion abstraite)  La génétique apporte un cadre conceptuel à la génomique  La génomique apporte des outils permettant la compréhension des mécanismes Génétique mendélienne Caractères « qualitatifs » gouvernés par un ou quelques gènes (oligogéniques) Ex coloration Analyse des proportions phénotypiques observées dans la descendance de parents contrôlés (croisements) Génétique quantitative Caractères quantitatifs gouvernés par plusieurs gènes (polygénique) Ex taille, performance Mesurer l’héritabilité des caractères

6 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Outils et Méthodes en génomique Les cartes et les marqueurs génétiques Se repérer sur le génome grâce à des balises Les Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) Substitution, insertion ou délétion d’un nucleotide Automatisation du typage et interprétation simple « puce » de génotypage : 75000 SNPs ~ 150 €/cheval Cartographier des gènes d’intérêt sur la base du phénotype : clonage positionnel Suivre la co-transmission du caractère et des allèles des marqueurs Dans des familles : Liaison Dans une population : Association (GWAS)  Identifier des régions d’intérêt Des gènes (oligogénique) Des QTL (caractères complexes) A/A G/G A/G

7 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Outils et Méthodes en génomique L’analyse de l’expression Les puces d’expression pangénomiques Puce Agilent 44k ~40.000 gènes connus ou prédits analysés simultanément La protéomique : l’électrophorèse bidimensionnelle : 2DE Séparation des protéines sur gel selon 2 dimensions Identification des protéines par spectrométrie de masse Le séquençage NGS Séquençage massivement parallèle Des milliards de petites séquences en parallèle Des applications multiples Reséquençage d’individus : 11 jours, 5000 € Etude fine de la transcription : 500 € Illumina HiSeq2000 2x100pb 11j/run 600Gb ~ 200 génomes

8 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Objectifs de la présentation Qu’est ce que la génomique ? Le génome : chromosome, ADN, ARN et protéines Les outils et les méthodes de la génomique Génomique et amélioration génétique Le conseil génétique L’évaluation génomique Génomique et médecine vétérinaire La compréhension de la physiopathologie Biomarqueurs diagnostic et pronostic Le contrôle antidopage Génomique et gestion de l’entrainement La caractérisation des aptitudes Les biomarqueurs La nutrigénomique

9 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et amélioration génétique Le conseil génétique La cartographie et l’identification de gènes majeurs. Les gènes de coloration Les anomalies génétiques Exemple : le syndrome du poulain lavande (LFS) Syndrome neurologique létal, récessif, affecte les chevaux arabes égyptiens Crise de tétanie, contracture généralisée ses muscles extenseurs Anomalie de pigmentation Délétion dans le gène de la myosine Va (MYO5A) 6 LFS30 contrôles

10 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et amélioration génétique Le conseil génétique Des tests de dépistage génétiques commerciaux (~ 25 €) La gestion de la population Optimiser les accouplements pour obtenir une couleur de robe souhaitée Dépister les animaux porteurs d’allèles récessifs morbides Eradication de l’allèle (appauvrissement génétique) Eviter les accouplements à risque entre porteurs hétérozygotes X 25% LFS X 0% LFS

11 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et amélioration génétique L’évaluation génomique Principe de l’évaluation génétique Les indices : approximation de la valeur génétique L’information des indices est vraie « en moyenne » Source d’incompréhension et de frustration des éleveurs Souhait d’une information individuelle X 1m40 1m30 1m35 ½ (G père + G mère ) Performance = Environnement (E) + Génétique (G) Nécessite des phénotypes Nécessite des généalogies (Matrice de parenté )

12 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et amélioration génétique L’évaluation génomique L’information génomique permet de se rapprocher de la valeur génétique vraie Précision de l’évaluation dès la naissance, équivalente à celle obtenue après plusieurs performances propres / performance de la descendance Evaluation précise des femelles sans performance propre X 1m40 1m30 1m35 ½ (G père + G mère )  effets des gènes 1m601m401m20 Gène 1 Gène 2 1m50 1m30 1m50 1m30 1m20 1m50 1m30 1m401m20

13 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et amélioration génétique L’évaluation génomique En pratique : il faut une population de référence L’effet des gènes (SNP) est calculé dans une population de référence phénotypée La population générale est seulement génotypée Des équations de prédiction sont établies et utilisées pour évaluer la valeur génétique des individus de la population générale Equation de prédiction Population générale Génotypée Population de référence Génotypée et mesurée 1m60 1m40 1m20 Valeur génétique prédite 1m30 1m50 1m40 1m20

14 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Objectifs de la présentation Qu’est ce que la génomique ? Le génome : chromosome, ADN, ARN et protéines Les outils et les méthodes de la génomique Génomique et amélioration génétique Le conseil génétique L’évaluation génomique Génomique et médecine vétérinaire La compréhension de la physiopathologie, les gènes de prédisposition Biomarqueurs diagnostic et pronostic Le contrôle antidopage Génomique et gestion de l’entrainement La caractérisation des aptitudes Les biomarqueurs La nutrigénomique

15 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et médecine vétérinaire La compréhension de la physiopathologie La description des pathologies est essentielle Conditionne la qualité du diagnostic Conditionne le développement de traitements innovants Intérêt d’un aller retour clinicien – génomicien pour « disséquer » la pathologie Des causes différentes pour des pathologies identiques de prime abord Des pathologies différentes pour diverses mutations d’un même gène Dysplasie géléophysique Nanisme autosomique récessif rare. Anomalies des pieds et des mains faciès « joyeux». FBN1 6 mutations différentes ADAMTSL2 5 mutations différents Cartographie 6 Patients Syndrome de Marfan Dysplasie Acromicrique Syndrome de Weil-Marchesani

16 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et médecine vétérinaire L’identification de gènes et la génomique personnelle : le management différencié Dépister précocement les individus malades Asymptomatiques : maladie à révélation tardive Avec une expression clinique variable : ex Hyperkaliémie périodique paralysante Evaluer le risque d’apparition de la pathologie Exemple de l’ostéochondrose : le programme GenEquin Une vingtaine de régions détectées, ayant chacune un effet faible Etre homozygote pour l’allèle défavorable x2.5 le risque d’avoir de l’OC Des individus prédisposés ne déclarent pas la pathologie Des individus au génotype favorable déclarent tout de même la pathologie  On n’a pas de certitudes dans le cas des caractères complexes Combinaison des allèles à plusieurs loci et effet de l’environnement (facteur déclenchant)

17 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et médecine vétérinaire L’identification de gènes et la génomique personnelle : le management différencié Proposer des solutions pour minimiser l’impact de la pathologie Adapter l’environnement pour prévenir la survenue de la pathologie Contrôler la teneur en potassium de la ration Eviter de laisser les chevaux au froid Eviter d’exposer les animaux prédisposés au facteur déclenchant de l’OC Adapter l’entrainement Interaction étroite avec les entraineurs, les cavaliers Proposer des traitements préventifs Interaction étroite avec les praticiens vétérinaires, l’industrie pharmaceutique  Alternative à l’éradication Evite d’appauvrir le pool génétique Diminue la fréquence des crises de HYPP

18 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et médecine vétérinaire Les signatures génomiques pour un diagnostic et un pronostic plus précis Analyse l’expression des gènes, des miARN ou des protéines Deux options possibles Tissus cibles (invasif) : Biopsie, micro-biopsie Biomarqueurs (non invasif) : Molécules présentes dans le sang ou les liquides corporels Identifier des signatures en lien avec le développement de pathologies Exemple de la classification des tumeurs de cancer des poumons Carcinomes à petites cellules (SC) qui évoluent rapidement et métastasent Adénocarcinomes (AC), cancers épidermoïdes (SQ), carcinomes à grandes cellules (LC) Garber M E et al. PNAS 2001;98:13784-13789 AC1AC2SQSCLC Gènes caractéristiques des cancers à grande cellules Gènes caractéristiques des cancers à petites cellules Gènes caractéristiques des cancers épidermoïdes

19 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Applications en médecine vétérinaire Le séquençage au service du diagnostic Détecter des séquences nucléotidiques virales ou bactériennes détecter une contamination ou une infection, même très faible. Mesurer et caractériser l’infestation par les nématodes gastro-intestinaux Séquençage NGS de crottins ou de pool de crottins Niveau d’infestation par des nématodes gastro-intestinaux Inventaire des espèces de nématodes Identification directe de souches résistantes et évaluation de la prévalence  Améliorer la prophylaxie et réduire le risque d’apparition de résistances Prix encore élevé, mais certainement économiquement viable d’ici 3 à 5 ans

20 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Applications en médecine vétérinaire Les signatures génomiques comme contrôle antidopage Vers une évolution du principe et des méthodes Détecter l’effet d’une molécules dopantes au lieu de détecter la molécule Les produits dopants agissent sur un nombre restreint de voies métaboliques Métabolomique du sang ou des urines Spectrométrie de masse (LCH) ou spectres RMN 2D Analyse factorielle Transcriptomique du sang Coupler signature et contrôle d’identité génétique à partir du même prélèvement Moindre sensibilité aux fluctuations journalières Bœufs traités Vaches traitées

21 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Objectifs de la présentation Qu’est ce que la génomique ? Le génome : chromosome, ADN, ARN et protéines Les outils et les méthodes de la génomique Génomique et amélioration génétique Le conseil génétique L’évaluation génomique Génomique et médecine vétérinaire La compréhension de la physiopathologie, les gènes de prédisposition Biomarqueurs diagnostic et pronostic Le contrôle antidopage Génomique et gestion de l’entrainement La caractérisation des aptitudes Les biomarqueurs La nutrigénomique

22 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et gestion de l’entrainement Génomique personnelle et aptitudes Le gène « de la vitesse » en pur-sang anglais Speed Gene Test commercialisé par Equinome Permet aux propriétaires et entraîneurs de chevaux de course de déterminer la distance optimale de course de leurs poulains et d’orienter leur l’entraînement Transcriptome comparé 13 chevaux Entrainement 10 mois 58 gènes sous-exprimés Myostatine MSTN (-3x) Recherche de polymorphismes Plusieurs polymorphismes dont une transition C>T Etude d’association 187 chevaux Sprinter C/C Stayers T/T Milers C/T

23 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et gestion de l’entrainement Les biomarqueurs pour un suivi de l’entrainement Identifier des signatures en lien avec la réponse à l’entraînement ou la récupération Analyse transcriptomique comparée du sang de chevaux d’endurance 10 chevaux d’endurance de haut niveau Prise de sang avant et plusieurs jours après la course Analyse d’expression pan-génomique Réponse inflammatoire aiguë durant 24 heures Retour à l’homéostasie après 24 heures  Profil d’expression après 2 jours permet de connaitre l’état physiologique du cheval Quelle signification donner à ce retour rapide à l’homéostasie ? Chez les chevaux « standard », l’inflammation dure généralement plusieurs jours Caractéristique particulière des chevaux de haut niveau ? Réponse adaptative à l’entraînement (diminue l’inflammation) ?  Nécessité d’étude comparative de validation  Trouver des biomarqueurs potentiel est assez simple  Valider leur intérêt demande des dispositifs lourds et adaptés

24 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Génomique et gestion de l’entrainement La nutri-génomique pour optimiser le potentiel génétique Le génome a une incidence sur l’utilisation des nutriments Variants modifient l’activité des enzymes Intolérances, allergies alimentaires…  Les besoins ne sont pas identiques selon les génomes Les nutriments ont une action sur le génome. Contrôle direct de l’expression de certains gènes, activation de voies de signalisation  L’alimentation module l’effet du patrimoine génétique  Optimiser l’alimentation en fonction du génome pour améliorer certains caractères La performance sportive (limite avec le dopage ?), la récupération Prévenir la survenue de pathologies, voire les guérir Balbutiement de la nutrigénomique, mais des perspectives séduisantes Argument marketing pour valoriser des grands classiques (minéraux) Un pré-requis : connaitre les gènes cibles pertinents Il faut développer d’abord des approches QTL, signature et biomarqueurs sur biopsies des tissus cibles Identifier les nutriments pertinents nécessitera des dispositifs expérimentaux Plans d’expérience complexes sur individus de génotypes connus en contrôlant les apports nutritifs

25 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Conclusion La génomique : un outil tant collectif qu’individuel Des applications collectives immédiates en amélioration génétique Des applications individuelles à développer Permettre aux professionnels d’exercer leur savoir-faire et leur expertise en toute liberté en bénéficiant d’une information plus riche et plus précise Application performantes pour les gènes majeurs La génomique personnelle ne fait pas encore de miracle pour les caractères complexes Il ne peut pas y avoir de demi-mesure Pour être fiable, l’information doit provenir d’une population aussi large que possible La qualité du phénotypage est primordiale Il faut savoir comment exploiter l’information (zootechnie, médecine, entrainement) Nécessité de collaborations étroites entre tous les acteurs de la filière Il y a des choix à faire dès maintenant Le leadership mondial est encore à prendre dans le domaine Les techniques deviennent abordable

26 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Conclusion L’opportunité de la caractérisation génomique Un investissement limité pour les éleveurs Surcoût de moins de 90 € par rapport au simple contrôle de filiation L’analyse des performances permet un retour sur investissement à court terme La population de référence s’enrichi au cours du temps La prédiction s’améliore progressivement Fédérer tous les acteurs autour de la population de référence L’analyse du modèle et des allures (concours d’élevage) L’analyses des pathologies (épidémiologie génétique) L’analyse du tempérament/comportement L’analyse des pratiques Zootechnie, nutrition Entrainement  Enrichissement progressif des connaissances  Développement de la génomique personnelle, des biomarqueurs, de la nutrigénomique  Optimisation des pratiques  Amélioration de la compétitivité Phénotypage

27 A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Rencontres de la SHF, 4 février 2012 Merci de votre attention