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Consultez le site de Nicolas BERTRAND, vous y trouverez les articles que vous devrez présenter en trinome le 27 février avec Françoise MUSCATELLI.

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1 Consultez le site de Nicolas BERTRAND, vous y trouverez les articles que vous devrez présenter en trinome le 27 février avec Françoise MUSCATELLI

2 CARTOGRAPHIE PHYSIQUE CLONAGE POSITIONNEL Laurent VILLARD Inserm Unité 491 Faculté de Médecine de La Timone M1 Génétique des Mammifères LUMINY 1

3 CARTES PHYSIQUES Etablir la carte physique dun génome consiste à localiser les gènes, les marqueurs génétiques, le centromère etc… le long des chromosomes à leur position correcte. Il existe différentes résolutions pour une carte physique : Basse Haute Chromosome Hybrides dirradiation Contig de YACs Contig de cosmides Sequence Resolution 29

4 CARTES PHYSIQUES - HYBRIDATION IN SITU FISH FISH (Fluorescent In Situ Hybridization) Un fragment dADN (gène, marqueur etc…) est marqué avec une molécule fluorescente. Cette sonde est hybridée directement sur une préparation de noyau où les chromosomes sont en métaphase (et donc reconnaissables). Précision obtenue : environ 5 Mb (i.e. basse résolution) Il existe une technique de FISH sur fibre de chromatine étirée où la précision peut atteindre 10 kb mais on ne peut plus reconnaître le chromosome (cette technique est utilisée pour positionner les sondes les unes par rapport aux autres dans une région déjà cartographiée à basse résolution). 30

5 Caryotype humain standard X Y 31

6 Caryotype « spectral » - SKY (Spectral KarYotyping) 32

7 Exemple de FISH utilisant deux sondes : 1- centromère du chromosome X (Xcen) 2- gène STS (Xp22.3) 33 Que se passe-t-il chez cet individu ? Délétion de la région contenant le gène STS

8 CARTES PHYSIQUES - HYBRIDES SOMATIQUES Hybrides somatiques (SCH, Somatic Cell Hybrids) Cest le résultat de la fusion cellule humaine / cellule de rongeur. Certains chromosomes humains sont retenus par lhybride. Le contenu chromosomique des hybrides est déterminé et ils sont ensuite utilisés pour localiser un gène, un marqueur… Linformation obtenue est de lordre de la région chromosomique. + Cellule humaineCellule de rongeurCellule de rongeur + chromosome(s) humains Fusion 34

9 CARTES PHYSIQUES - HYBRIDES SOMATIQUES Exemple dutilisation dun « panel » de localisation Chromosomes X Y Hybride # Hybride # Hybride # Hybride # Hybride # Hybride # Le gène testé par PCR sur lADN des hybrides donne un signal positif dans les hybrides 1 et 4. Tous les autres hybrides sont négatifs. Quel est le chromosome sur lequel est situé ce gène ? 35

10 36 CARTES PHYSIQUES - HYBRIDES SOMATIQUES Exemple dutilisation dun « panel » de localisation Chromosomes X Y Hybride # Hybride # Hybride # Hybride # Hybride # Hybride # Le gène testé par PCR sur lADN des hybrides donne un signal positif dans les hybrides 1 et 4. Tous les autres hybrides sont négatifs. Quel est le chromosome sur lequel est situé ce gène ? Chr.18

11 CARTES PHYSIQUES - HYBRIDES dIRRADIATON (hybrides dirradiation Une précision supérieure peut être obtenue en utilisant des cellules cellules humaines lourdement irradiées et fusionnées à des cellules de hamster (hybrides dirradiation). Deux marqueurs initialement localisés à proximité l'un de l'autre ont plus de chance d'être simultanément retrouvés dans les mêmes hybrides que deux marqueurs éloignés. Les distances se mesurent en centiray (cR). + Cellule humaineCellule de rongeurCellule de rongeur + Fragment(s) de chromosome(s) humains Rayons X Fusion 37

12 CARTES PHYSIQUES - HYBRIDES dIRRADIATON Il existe des hybrides dirradiation pour plusieurs espèces : Homme,vache, souris, rat, cochon, poisson zèbre, chien, cheval. La dose d'irradiation (rayons X) appliquée aux cellules humaines va conditionner la résolution de la carte : plus la dose de rayons est forte, plus les fragments générés sont petits et donc plus la résolution sera grande. Les doses varient de à rads, cest-à-dire une taille moyenne des fragments allant de 10 Mb à 800 kb. Ces outils sont disponibles dans le commerce. 38

13 Comparaison entre carte des hybrides dirradiation et carte génétique (basse résolution) du chromosome 13 humain. La carte des hybrides dirradiation est plus proche de la carte physique que de la carte génétique. 39

14 CARTES PHYSIQUES - Les Contigs de Clones On utilise des clones afin disoler la région du génome qui nous intéresse et de disposer de lADN correspondant de manière illimitée (facile daccès, reproductible). Un contig de clones est une série de fragments dADN clonés dont chacun chevauche son voisin dans lordre correct le long des chromosomes. Types de clones utilisés : Plasmides E. Coli - 10 kb --- PhagesE. Coli - 20 kb--- CosmidesE. Coli - 40 kb- PACsE. Coli kb ( kb)++ BACsE. Coli kb ( kb)+++ YACsS. cerevisiae kb (1 Mb) (0,5 - 2 Mb)+++ 43

15 CARTES PHYSIQUES - Marqueurs STS & EST STS STSs (Sequence Tagged Sites) Loci spécifiques pour lesquels suffisamment dinformation de séquence est disponible pour faire des amorces PCR et amplifier le locus correspondant (quelques centaines de pb). La seule information nécessaire pour définir un STS est la séquence des amorces PCR. EST ESTs (Expressed Sequence Tag) Etiquettes spécifiques de chacun de gènes. Ils proviennent des informations de séquence des ADNc et donc représentent des séquences transcrites. Ils peuvent provenir du 3, du 5 dun ADNc ou des deux côtés. Il existe plusieurs ESTs pour chaque gène. 47 ! !

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17 CARTES PHYSIQUES - La Séquence Du Génome 53

18 CARTES INTÉGRÉES 54

19 CARTES PHYSIQUES - La Séquence Du Génome Le génome humain est composé de millions de nucléotides. La taille moyenne dun gène est de 3000 bases, mais la taille varie beaucoup (ex : le gène de la dystrophine a une taille de 2,4 millions de bases). Le nombre total de gène se situe entre et % des nucléotides sont identiques entre deux personnes. Il existe donc 0,1% de différences (soit environ 3,5 millions de différences par génome). Plus de 50% des gènes ont une fonction inconnue. 55

20 CARTES PHYSIQUES - La Séquence Du Génome Les régions riches en gènes sont également les régions riches en nucléotides G/C Les régions pauvres en gènes sont riches en A/T. Ces différentes régions peuvent généralement être visualisées comme des bandes claires ou sombres des chromosomes métaphasiques. Le chromosome 1 contient le plus grand nombre de gènes estimés (environ 3000) tandis que le chromosome Y en a le moins (231). Moins de 2% de lADN code pour des protéines. Les séquences répétées composent environ 50% de la totalité du génome. 56

21 Cytogénétique Points de cassure chromosomique STS Couverture basse resolution YACs Couverture Haute resolution Autres clones génomiques Contigs Cosmides Pathologies localisées Gènes clonés Marqueurs génétiques Marqueurs murins homologues Régions de synténie 57

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23 Statistiques 59 D7S1790

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26 CLONAGE POSITIONNEL

27 IDENTIFICATION DE GÈNES DE PATHOLOGIE - Clonage Fonctionnel - Clonage Positionnel - Approche gène candidat position-indépendant - Approche gène candidat positionnel 61

28 62 Gène non identifié de la maladie Produit du gène Essai fonctionnel Idée générale de la pathogenèse moléculaire Pathogenèse moléculaire connues pour des pathologies similaires (chez l Homme ou l animal) APPROCHE GENE CANDIDAT INDEPENDANT DE LA POSITION CLONAGE POSITIONNEL APPROCHE GENE CANDIDAT POSITIONNEL Localisation sous- chromosomique connue Bases biochimiques de la pathologie connues CLONAGE FONCTIONNEL

29 Clonage Fonctionnel (exemples) - Hémophilie A Obtention de la séquence protéique du facteur VIII de porc. Obtention d oligonucléotides susceptibles de coder pour une partie de la séquence criblage d une banque d ADNc humaine avec des oligonucléotides 63 - Anémie de Fanconi groupe C Complémentation fonctionnelle par transformation de cellules déficientes avec des fragments d ADN générés au hasard jusqu à sauver le phénotype mutant. - Phénylcétonurie Lenzyme responsable de la pathologie était connue (phénylalanine hydroxylase). L enzyme a été purifiée et des anticorps spécifiques ont été produits. Les anticorps ont servi à immunoprécipiter des polysomes contenant l ARN d intérêt.

30 Les étapes dun clonage positionnel 1- disposer de la localisation sous-chromosomique du locus morbide 2- réaliser une carte physique de la région identifiée en utilisant des clones génomiques et des nouveaux marqueurs 3- identifier tous les gènes présents dans la région 4- rechercher des mutations dans ces gènes et identifier le gène responsable 64

31 Obtenir une localisation sous-chromosomique Analyse de liaison génétique Permet didentifier un marqueur donnant un lod score supérieur à 3 dans des études familiales. Cest la plus utilisée des méthodes de localisation génétique. 65 Marqueurlod score ( ) à = 0 A - B 0.45 C 0.87 D - gène muté A1 B2 C4 D8 Gène muté Gène muté D9 B2 C4 A1 B3 C7 B2 C4 A D D8 B2 C7 A3 C7 D9 B3

32 66 Obtenir une localisation sous-chromosomique Mise en évidence dun déséquilibre de liaison Il sagit de lassociation non aléatoire dallèles pris à des loci différents. Les patients atteints dune maladie ont hérité, dun ancêtre commun, un segment de chromosome contenant le gène pathologique et les marqueurs qui lui sont liés sous leur forme allélique spécifique (ceux-ci sont donc en déséquilibre de liaison). A3 B4 C2 D7 A1 B2 C6 D1 Mutation A3 B4 C2 D7 A1 B2 C6 D1 Apparition dune mutation Sur lhaplotype A3-B4-C2-D7 Les allèles proches de la mutation (ex. B4 et C2) peuvent être transmis en même temps que la mutation et donc se retrouver en déséquilibre de liaison chez les individus atteints.

33 67 Obtenir une localisation sous-chromosomique Mise en évidence dune perte dhétérozygotie (LHO - Loss of heterozygosity) Permet d identifier une région chromosomique délétée par analyse familiale de la transmission de marqueurs polymorphes.

34 68 Obtenir une localisation sous-chromosomique Mise en évidence dune anomalie chromosomique Permet de déterminer la région du génome impliquée dans une maladie. Les anomalies peuvent être de plusieurs types : inversions, translocations, délétions, duplications. chromatide p q centromère chromosome a b t(a;b) TRANSLOCATION RÉCIPROQUE

35 Obtenir une localisation sous-chromosomique

36 Cartographie d'exclusion

37 69 Les étapes dun clonage positionnel 1- disposer de la localisation sous-chromosomique du locus morbide 2- réaliser une carte physique de la région identifiée en utilisant des clones génomiques et des nouveaux marqueurs 3- identifier tous les gènes présents dans la région 4- rechercher des mutations dans ces gènes et identifier le gène responsable

38 70 Les étapes dun clonage positionnel 1- disposer de la localisation sous-chromosomique du locus morbide 2- réaliser une carte physique de la région identifiée en utilisant des clones génomiques et des nouveaux marqueurs 3- identifier tous les gènes présents dans la région 4- rechercher des mutations dans ces gènes et identifier le gène responsable

39 Identifier les gènes dans la région dintéret 1- Cartographie des îlots CpG 2- Sélection directe dadn complémentaire 3- Recherche de séquences conservées au cours de lévolution 4- Piégeage dexons 5- Utilisation de méthodes bioinformatiques 71

40 Identifier les gènes dans la région dintéret 1- Cartographie des îlots CpG 2- Sélection directe dadn complémentaire 3- Recherche de séquences conservées au cours de lévolution 4- Piégeage dexons 5- Utilisation de méthodes bioinformatiques 72

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43 Les étapes dun clonage positionnel 1- disposer de la localisation sous-chromosomique du locus morbide 2- réaliser une carte physique de la région identifiée en utilisant des clones génomiques et des nouveaux marqueurs 3- identifier tous les gènes dans la région dintérêt 4- rechercher des mutations dans ces gènes et identifier le gène responsable 74

44 Types danomalies moléculaires a lorigine dune pathologie 75 ? Anomalies structurelles délétions - insertions - expansions de triplet duplications translocations Anomalies dexpression du transcrit absence dexpression expression bi-allélique anormale Mutations ponctuelles mutations faux-sens mutations non-sens mutations dépissage

45 Comment savoir si une mutation est pathogène ? 80 - peut-on complémenter le phénotype avec une copie normale du gène ? - une inactivation chez un animal modèle reproduit-elle le phénotype humain ? - cette mutation est-elle absente chez les individus normaux ? - cette mutation modifie-t-elle la protéine produite ?

46 Le clonage dun gène de pathologie permet 81 - A terme, éventuellement, thérapie génique / pharmacologique - Analyse de la protéine et de ses interacteurs potentiels - Analyse de la fonction normale et pathologique du produit du gène - Corrélations génotype / phénotype - Conseil génétique risque de récurrence diagnostic prénatal

47 Adresses électroniques utiles Chromosomes humains (cartographie) Maladies génétiques Cartographie du génome humain - Marqueurs polymorphes Bases de données de séquences 82

48 EXEMPLE 1 : MUCOVISCIDOSE (1989) La mucoviscidose (CF = cystic fibrosis) est la maladie génétique autosomique récessive mortelle la plus fréquente chez les caucasiens. La prévalence est de 1/2.000 nouveaux-nés. 1 adulte sur 22 est porteur de l'allèle mutant ! Le gène CF a été le troisième gène isolé grâce au clonage positionnel (après celui de la granulomatose chronique et celui de la myopathie de Duchenne).

49 Il n'y avait aucun remaniement chromosomique disponible pour localiser le gène, et il n'existait pas de carte très précise du génome à l'époque (ni génétique, ni physique). Le gène CFTR a été localisé initialement en 7q21 parce qu'il co-ségrégeait avec deux marqueurs RFLP (les seuls disponibles à l'époque). Ces marqueurs ont été utilisés comme points de départ pour isoler des clones d'ADN de la région concernée et pour reconstruire la carte physique de la région. Le gène a été identifié en utilisant différentes méthodes (zoo blots, northern blots et criblage de banques d'ADNc fabriquées à partir de patients CF). EXEMPLE 1 : MUCOVISCIDOSE (1989)

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51 Le gène CFTR (cystic fibrosis conductance regulator) code pour une protéine ayant la fonction de canal chlore. Cette protéine est responsable du transport de chlore à travers la membrane plasmique des cellules épithéliales qui bordent les voies respiratoires. Il y a un co-transport chlore-eau qui permet la sécrétion d'eau et donc la dilution du mucus des voies respiratoires. Chez les patients atteints de mucoviscidose, cette sécrétion d'eau se fait mal et le mucus s'accumule dans les voies respiratoires créant des difficultés respiratoires. L'espérance de vie des patients est fortement diminuée (d'autres signes cliniques son présents). EXEMPLE 1 : MUCOVISCIDOSE (1989)

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54 Le gène CFTR (cystic fibrosis conductance regulator) code pour une protéine ayant la fonction de canal chlore. On pense que les personnes conductrices d'un allèle mutant CF pourraient avoir un avantage sélectif dans les populations où la diarrhée de l'enfant suite à des infections intestinales est commune. Les hétérozygotes auraient un fonction de CFTR réduite et perdraient ainsi moins d'eau (et seraient donc moins sujets à la déshydratation) que ceux qui ont deux allèles fonctionnels. Cela expliquerait le fort taux d'hétérozygotes dans certaines populations. 90% des hétérozygotes sont porteurs de l'allèle F508 (effet fondateur) EXEMPLE 1 : MUCOVISCIDOSE (1989)

55 EXEMPLE 2 : MYOPATHIE CENTRONUCLÉAIRE (2005)

56 Analyse de liaison sur tout le génome avec des microsatellites en utilisant deux grandes familles de myopathie centronucléaire (6 et 8 individus atteints). 3 marqueurs ont donné des lods scores positifs : D19S884, D19S865 et D19S226. D'autres petites familles de CNM ont été génotypé pour ces marqueurs et les évènements de recombinaison ont permi de définir un intervalle critique en 19p13.2 d'une taille de 11 Mb. EXEMPLE 2 : MYOPATHIE CENTRONUCLÉAIRE (2005)

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58 Dans la région minimale critique se trouve le gène de la dynamine, impliquée dans la cohésion des centrosomes.

59 EXEMPLE 2 : MYOPATHIE CENTRONUCLÉAIRE (2005)

60 EXEMPLE 3 : TEST DE PATERNITÉ Article 312 du Code Civil "L'enfant conçu pendant le mariage a pour père le mari". Depuis 1972, cet article a un second alinéa : "Néanmoins, celui-ci pourra désavouer l'enfant en justice, s'il justifie de faits propres à démontrer qu'il ne peut en être le père". Ce test consiste à calculer la probabilité que l'enfant et son père présumé portent un allèle commun par hasard et non par filiation. On utilise le génotypage à plusieurs microsatellites : - plusieurs marqueurs - marqueurs très informatifs Le taux d'erreur est d'environ 1 / Le taux d'erreur est de 0 si l'enfant et le père n'ont pas les mêmes allèles Cellules utilisées : cellules jugales Interdit en France sauf dans le cadre d'une procédure judiciaire.

61 EXEMPLE 4 : POLICE SCIENTIFIQUE Le principe est le même. On cherche ici à calculer la probabilité que le suspect d'un crime et l'ADN retrouvé sur les lieux soient identiques par hasard et non parce qu'ils appartient au même individu. On utilise le génotypage à plusieurs microsatellites : - plusieurs marqueurs - marqueurs très informatifs Problème ici : plusieurs suspects apparentés peuvent avoir les mêmes allèles… Le travail est donc plus complexe que dans le cas d'un test de paternité.

62 EXEMPLE 5 : LE FNAEG Fichier National Automatisé des Empreintes Génétiques Créé en 1998, commun à la Police et à la Gendarmerie. Date de la loi Champ d'application Infractions de nature sexuelle Conservation des empreintes seulement pour les personnes condamnées Refus de prélèvement possible Extension aux crimes d'atteinte grave aux personnes (homicides, violences criminelles…) Conservation des empreintes seulement pour les personnes condamnées Sanction en cas de refus de prélèvement Extension à tous les délits (vols simples, recel…) Conservation du profil des personnes mises en examen et pas uniquement des coupables Sanction en cas de refus, y compris pour les personnes mises en cause


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