Anomalies chromosomiques · Génétique

Objectifs du chapitre

À la fin de ce chapitre, vous serez capable de:

lire et écrire un caryotype dans la nomenclature internationale ISCN, des aneuploïdies aux translocations et aux mosaïques;
prévoir les gamètes d'une non-disjonction en méiose I ou II et les zygotes qui en résultent, et dire à partir de marqueurs génétiques quelle division a échoué;
décrire la trisomie 21 sous ses trois formes, les trisomies 18 et 13 et les aneuploïdies des chromosomes sexuels, et expliquer pourquoi ces dernières sont mieux tolérées;
énumérer les gamètes théoriques d'un porteur de translocation robertsonienne ou réciproque et distinguer le risque théorique du risque observé;
expliquer ce que deviennent les délétions, les duplications et les inversions en méiose, en particulier les produits d'un crossing-over dans une boucle d'inversion;
choisir entre caryotype en bandes G, FISH et puce à ADN selon la question posée, en connaissant la résolution et l'angle mort de chacun.

Compter et nommer les chromosomes

Une anomalie visible au microscope

Le chapitre 1, Chromosomes, mitose et méiose, a décrit le caryotype humain normal: $2 n = 46$ , vingt-deux paires d'autosomes et une paire de chromosomes sexuels, 46,XX chez la femme et 46,XY chez l'homme. Les chapitres 2 à 5 ont suivi des gènes, c'est-à-dire des différences de séquence trop petites pour être vues. Ce chapitre change d'échelle: il étudie les anomalies qui touchent un chromosome entier ou un segment de plusieurs millions de paires de bases: un chromosome en trop ou en moins, un fragment perdu, retourné ou déplacé sur un autre chromosome.

Une part importante des fausses couches précoces porte un caryotype anormal, et la plupart des aneuploïdies conçues n'arrivent jamais à terme. Celles qui sont compatibles avec la naissance forment un petit groupe de syndromes que tout médecin doit reconnaître. Une deuxième famille d'anomalies est équilibrée: rien ne manque et rien n'est en trop, seul l'agencement change. Le porteur est en général en bonne santé, mais sa méiose produit des gamètes déséquilibrés, et le raisonnement de transmission des chapitres précédents redevient nécessaire.

Le caryotype classique photographie des cellules arrêtées en métaphase, quand les chromosomes sont condensés, et les colore de façon à faire apparaître des bandes sombres et claires, propres à chaque chromosome. Une région se désigne alors par une adresse.

L'adresse d'une bande

Chaque chromosome a un bras court p (pour petit) et un bras long q. Chaque bras est divisé en régions, elles-mêmes divisées en bandes et en sous-bandes, numérotées en partant du centromère. L'adresse 5p15.2 se lit «chromosome 5, bras p, région 1, bande 5, sous-bande 2»: on dit «cinq p un cinq point deux», jamais «quinze». La bande 21q22 est la bande 2 de la région 2 du bras long du chromosome 21. Les désignations p10 et q10 ne désignent pas une bande: elles marquent le centromère lui-même, du côté du bras p ou du côté du bras q, et servent pour les cassures qui passent exactement par le centromère.

Cette nomenclature, l'ISCN (International System for Human Cytogenomic Nomenclature), a sa propre ponctuation, et c'est la seule raison pour laquelle ce chapitre déroge à la typographie du cours: dans un caryotype, la virgule sépare des champs et le point marque une sous-bande. 47,XY,+21 n'est pas un nombre décimal, et q11.2 ne s'écrit pas «q11,2». Les caryotypes sont donc toujours écrits en police à chasse fixe, tels quels.

Nomenclature ISCN: écrire un caryotype

Ordre des champs. Nombre total de chromosomes, virgule, chromosomes sexuels, puis, séparées par des virgules, les anomalies: d'abord celles des chromosomes sexuels, puis celles des autosomes par numéro croissant. Aucun espace.

Gain ou perte d'un chromosome entier. Signe placé devant le numéro: 47,XX,+21 (trisomie 21), 45,XY,-21. Une anomalie du nombre des chromosomes sexuels s'écrit directement dans le champ sexuel: 45,X, 47,XXY.

Remaniements de structure. Une abréviation, le ou les chromosomes entre parenthèses, puis les points de cassure entre parenthèses: del (délétion), dup (duplication), inv (inversion), t (translocation réciproque), der (chromosome dérivé), i (isochromosome), r (chromosome en anneau). Exemples: 46,XY,del(5)(p14), 46,XX,t(11;22)(q23;q11.2), 45,XX,der(14;21)(q10;q10). Le point-virgule sépare les chromosomes et les points de cassure qui leur correspondent.

Mosaïque. Le préfixe mos, suivi d'un espace, puis les lignées séparées par une barre oblique, avec entre crochets le nombre de cellules analysées de chacune; la lignée normale vient en dernier: mos 47,XXY[8]/46,XY[22].

Puces à ADN. Un résultat de puce s'écrit avec arr, la version du génome de référence, la région et le nombre de copies (x1 pour une perte, x3 pour un gain).

Question 6.1

Laquelle de ces écritures est le caryotype ISCN correct d'un garçon atteint de trisomie 21 libre?

Aneuploïdies et non-disjonction

Euploïdie et aneuploïdie

Un chromosome 21 en trop n'apporte aucun gène nouveau: il fait passer de deux à trois le nombre de copies des gènes qu'il porte. Que ce changement de dosage suffise à produire un syndrome montre que l'équilibre entre les produits de nombreux gènes compte autant que leur séquence. Les monosomies autosomiques sont plus graves encore: aucune n'est viable chez l'humain au-delà des premières semaines de développement.

La non-disjonction méiotique

Rappelons la méiose du chapitre 1. En méiose I, les homologues appariés se séparent: chaque cellule fille reçoit un chromosome de chaque paire, encore formé de deux chromatides sœurs. En méiose II, ce sont les chromatides sœurs qui se séparent. Chaque division peut échouer.

Démonstration. Si les deux homologues partent ensemble en méiose I, une cellule fille en reçoit deux et l'autre aucun; la méiose II sépare ensuite les chromatides sœurs, si bien que les deux produits de la première portent un exemplaire de chaque homologue et ceux de la seconde aucun. Si la méiose I est normale, chaque cellule fille porte un seul homologue répliqué; une non-disjonction en méiose II dans l'une d'elles envoie deux copies du même homologue dans un gamète et laisse l'autre vide, tandis que l'autre cellule fille produit deux gamètes normaux. $□$

La différence entre les deux cas ne tient pas seulement aux proportions (quatre gamètes anormaux sur quatre en méiose I, deux sur quatre en méiose II), mais aussi au contenu du gamète disomique: deux homologues différents après une erreur de méiose I, deux copies d'un même homologue après une erreur de méiose II. Le crossing-over nuance ce second point: comme le chapitre 5 l'a montré, des chromatides sœurs qui ont échangé des segments avec l'homologue ne sont plus identiques sur toute leur longueur. Près du centromère, où un crossing-over entre le marqueur et le centromère est rare, la distinction reste nette, et c'est là qu'on la cherche.

Ce raisonnement, appliqué en sens inverse, date l'erreur: on génotype l'enfant et ses parents avec des marqueurs microsatellites (les STR du chapitre 15) proches du centromère du 21. Deux allèles différents d'un même parent signent une erreur de méiose I, deux copies du même allèle une erreur de méiose II, et l'origine parentale se lit directement. C'est ainsi qu'on sait qu'environ 90 % des chromosomes 21 surnuméraires sont d'origine maternelle, en majorité par une erreur de méiose I.

Question 6.2

Chez un enfant atteint de trisomie 21 libre, un marqueur situé près du centromère du chromosome 21 montre trois allèles: les deux allèles différents de la mère, qui est hétérozygote, et un allèle du père. Où s'est produite la non-disjonction, le plus probablement?

Non-disjonction mitotique et mosaïcisme

Une non-disjonction peut aussi survenir après la fécondation, dans une mitose de l'embryon. Une cellule $2 n$ dont les chromatides sœurs d'un chromosome ne se séparent pas donne une cellule $2 n + 1$ et une cellule $2 n - 1$ . Si l'erreur a lieu tôt et que les deux lignées survivent, l'individu se développe à partir de cellules de caryotypes différents.

Un mosaïcisme apparaît par deux voies. La non-disjonction mitotique d'un zygote normal produit une lignée trisomique et une lignée monosomique, cette dernière disparaissant en général pour un autosome. Ou bien, dans un zygote trisomique, une cellule perd l'un des trois exemplaires (sauvetage de trisomie) et sa descendance, normale, peut finir par dominer. Si le chromosome perdu est celui qui venait de l'autre parent, la cellule «sauvée» porte deux chromosomes du même parent: c'est une disomie uniparentale. Pour un chromosome soumis à l'empreinte parentale, cela suffit à produire une maladie: une disomie uniparentale maternelle du chromosome 15 est l'une des causes du syndrome de Prader–Willi décrit au chapitre 3, car elle prive l'enfant des gènes qui ne s'expriment qu'à partir de la copie paternelle.

Le phénotype d'un mosaïque est en général plus atténué que celui de l'aneuploïdie homogène correspondante, et difficile à prévoir. C'est une limite du diagnostic prénatal (chapitre 14): un mosaïcisme peut être confiné au placenta et absent chez le fœtus.

La trisomie 21 et les autres trisomies autosomiques

Trois formes d'une même trisomie

La trisomie 21, décrite cliniquement par Langdon Down en 1866 et rattachée à un chromosome surnuméraire par Lejeune, Gautier et Turpin en 1959, est l'aneuploïdie autosomique la plus fréquente à la naissance. Elle associe une déficience intellectuelle d'intensité variable, une hypotonie, des traits du visage caractéristiques, des malformations cardiaques fréquentes, un risque accru de leucémie et une maladie d'Alzheimer d'apparition précoce, que l'on relie à la troisième copie du gène APP, porté par le chromosome 21. Le chromosome 21 est le plus petit des autosomes, environ 46,7 Mb, à peine 1,5 % du génome haploïde: sa trisomie est l'une des rares à rester compatible avec la naissance.

Le caryotype en distingue trois formes, dont les proportions sont des ordres de grandeur couramment cités (Thompson & Thompson):

Forme	Caryotype (exemple)	Part environ	Mécanisme
Trisomie libre	`47,XX,+21`	95 %	non-disjonction méiotique, en majorité maternelle
Par translocation robertsonienne	`46,XY,der(14;21)(q10;q10),+21`	4 %	un bras long de 21 en plus, attaché à un autre acrocentrique
En mosaïque	`mos 47,XX,+21[12]/46,XX[18]`	1 %	non-disjonction mitotique ou sauvetage partiel

Dans l'exemple de mosaïque, les nombres de cellules entre crochets sont fictifs.

Une trisomie libre est un accident de méiose, au risque de récidive faible sans être nul. Une trisomie par translocation peut être héritée d'un parent porteur équilibré, avec un risque de récidive bien plus élevé: c'est pourquoi on fait le caryotype d'un enfant atteint même quand le diagnostic clinique ne fait pas de doute, et celui des parents si l'on trouve une translocation.

L'effet de l'âge maternel

Le risque d'avoir un enfant atteint de trisomie 21 libre augmente avec l'âge de la mère, lentement jusque vers la trentaine, puis de plus en plus vite. Ce cours ne donne pas de table par âge: les chiffres qui circulent dépendent de la source et de ce qu'ils comptent, naissances ou grossesses. La tendance, elle, est solide et vaut aussi pour les autres trisomies.

L'explication classique vient de l'ovogenèse, décrite au chapitre 1: les ovocytes entrent en méiose avant la naissance et restent bloqués en prophase I, au stade dictyotène, jusqu'à l'ovulation, parfois plus de quarante ans plus tard. Les homologues appariés y sont maintenus ensemble par des complexes protéiques (les cohésines) et par les chiasmas; l'usure de ces liens au fil des années est aujourd'hui l'hypothèse la plus étudiée pour expliquer qu'ils se séparent mal. La spermatogenèse, continue, ne connaît pas de telle attente, ce qui est cohérent avec la rareté de l'origine paternelle.

Les trisomies 18 et 13

Deux autres trisomies autosomiques complètes sont observées à la naissance: la trisomie 18 (syndrome d'Edwards), 47,XX,+18, et la trisomie 13 (syndrome de Patau), 47,XY,+13. Toutes deux entraînent des malformations multiples et graves, et la plupart des enfants atteints meurent au cours de leur première année; une grande partie des grossesses concernées s'interrompt avant terme. Les autres trisomies autosomiques complètes ne sont pas viables: la trisomie 16, par exemple, n'est jamais observée à la naissance alors qu'elle figure parmi les anomalies les plus fréquentes des fausses couches précoces. Les trois trisomies viables touchent des chromosomes pauvres en gènes, ce qui va dans le sens de l'effet de dosage décrit plus haut.

Les aneuploïdies des chromosomes sexuels

Quatre caryotypes

Les aneuploïdies des chromosomes X et Y sont nettement mieux tolérées que celles des autosomes.

Syndrome de Turner, 45,X: environ une naissance féminine sur 2500. Seule monosomie viable chez l'humain, alors que la grande majorité des conceptions 45,X se termine par une fausse couche. Petite taille, dysgénésie des gonades et infertilité; intelligence en général normale. Beaucoup de cas sont des mosaïques ou portent un X remanié.
Syndrome de Klinefelter, 47,XXY: environ une naissance masculine sur 500 à 1000. Grande taille, petits testicules, infertilité et hypogonadisme; le diagnostic est souvent posé tard, parfois lors d'un bilan d'infertilité.
Triple X, 47,XXX, et syndrome 47,XYY: souvent peu ou pas de signes, avec parfois une grande taille ou des difficultés d'apprentissage; beaucoup de porteurs ne sont jamais diagnostiqués.

L'origine de l'anomalie se lit avec les mêmes outils que pour le 21. Un 47,XYY ne peut venir que d'une erreur paternelle de méiose II, puisque seul le père possède un Y; un 47,XXY peut venir d'une erreur paternelle de méiose I, qui laisse X et Y ensemble, ou d'une erreur maternelle, en méiose I ou II.

Pourquoi un X de plus ou de moins se tolère

Deux raisons expliquent cette tolérance. La première est l'inactivation de l'X, étudiée au chapitre 3: dans chaque cellule somatique, tous les chromosomes X sauf un sont inactivés et condensés en corps de Barr. Le nombre de corps de Barr est donc le nombre de X moins un, et un X supplémentaire est en grande partie réduit au silence. Une femme 46,XX et un homme 47,XXY ont un corps de Barr chacun, une femme 45,X aucun. La seconde raison est que le chromosome Y porte peu de gènes, pour l'essentiel liés au déterminisme du sexe (SRY) et à la spermatogenèse.

Si l'inactivation était complète, une femme 45,X ne différerait pas d'une femme 46,XX. Certains gènes échappent à l'inactivation, en particulier ceux des régions pseudo-autosomiques, présentes sur X et Y aux extrémités des deux chromosomes: ils fonctionnent normalement en deux copies actives chez l'homme comme chez la femme. Une seule copie, dans le syndrome de Turner, est une haploinsuffisance; la petite taille des femmes atteintes est attribuée à celle du gène SHOX. À l'inverse, ces gènes sont en trois copies actives chez un homme 47,XXY.

Question 6.3

Combien de corps de Barr compte le noyau d'une cellule somatique d'un individu de caryotype 48,XXXY?

Lire un caryotype

Exemple 6.2 · Lire cinq caryotypes ISCN

On demande, pour chacun des caryotypes suivants, le nombre de chromosomes, le sexe chromosomique, l'anomalie et le diagnostic. Les nombres de cellules du quatrième sont fictifs.

47,XY,+21: 47 chromosomes, sexe masculin, un chromosome 21 libre en plus. Trisomie 21 libre.
45,X: 45 chromosomes, un seul chromosome sexuel, un X. Syndrome de Turner.
46,XX,der(14;21)(q10;q10),+21: 46 chromosomes, sexe féminin. Le chromosome dérivé der(14;21) est formé du bras long du 14 et du bras long du 21, joints au centromère (q10;q10); il remplace un 14 et un 21 libres, et un chromosome 21 libre s'ajoute. Le matériel du 21 est en trois exemplaires: trisomie 21 par translocation robertsonienne.
mos 47,XXY[8]/46,XY[22]: deux lignées, 8 cellules 47,XXY et 22 cellules 46,XY sur 30 analysées, soit $8/30 \approx 26, 7 %$ de cellules anormales dans le tissu étudié. Syndrome de Klinefelter en mosaïque. Le pourcentage décrit l'échantillon, pas l'organisme entier.
47,XX,+18: 47 chromosomes, sexe féminin, un 18 en plus. Trisomie 18, syndrome d'Edwards.

Contrôle: le premier nombre doit être cohérent avec la suite. Pour le troisième, $46 - 2 + 1 + 1 = 46$ : on retire un 14 et un 21, on ajoute le dérivé et un 21 libre.

Les translocations

Les translocations robertsoniennes

Cinq paires de chromosomes humains sont acrocentriques: 13, 14, 15, 21 et 22. Leur bras court, minuscule, porte surtout des copies répétées des gènes des ARN ribosomiques, présentes sur les cinq paires (chapitre 1). Deux acrocentriques peuvent fusionner près de leur centromère en perdant leurs bras courts sans qu'aucun gène indispensable disparaisse.

Les translocations 13;14 et 14;21 sont parmi les plus fréquentes. À la méiose du porteur, le dérivé, le 14 libre et le 21 libre s'apparient en un trivalent, puis se répartissent entre deux pôles, le plus souvent deux d'un côté et un de l'autre.

Démonstration. Choisir deux chromosomes parmi trois, ou ce qui revient au même le chromosome isolé, donne trois partitions; chacune produit deux gamètes complémentaires, soit six types. On les obtient en ajoutant au gamète le chromosome isolé ou les deux autres, et on lit le zygote en ajoutant un 14 et un 21 libres. Les monosomies autosomiques et la trisomie 14 sont létales, si bien que trois types restent viables: normal, porteur, trisomie 21. Avec des poids égaux, la trisomie 21 en représente un sur trois. $□$

Le $1/3$ est un plafond théorique, pas un risque. Les six types ne sont pas également fréquents (la ségrégation alterne domine, une ségrégation 3:0 existe aussi), et les zygotes déséquilibrés disparaissent souvent tôt. Les risques observés de naissance d'un enfant trisomique, réunis dans des tables empiriques comme celles de Gardner et Sutherland (Chromosome Abnormalities and Genetic Counseling), sont nettement plus faibles que $1/3$ et dépendent du sexe du porteur: ils sont plus élevés quand c'est la mère qui porte la translocation. Ce chapitre ne cite pas ces chiffres; le conseil génétique, au chapitre 14, s'appuie sur eux et non sur le $1/3$ .

Exemple 6.3 · Les gamètes d'une porteuse de translocation 14;21

Une femme de caryotype 45,XX,der(14;21)(q10;q10) a un partenaire de caryotype normal. On cherche les gamètes théoriques, les caryotypes des zygotes et le risque théorique de trisomie 21.

Les gamètes. Par le théorème 6.2, ses ovocytes peuvent recevoir: (a) 14 et 21; (b) der(14;21); (c) der(14;21) et 21; (d) 14; (e) der(14;21) et 14; (f) 21.

Les zygotes, en ajoutant un 14, un 21 et un X du partenaire (on écrit ici des filles):

Gamète	Zygote	Issue
(a) 14 + 21	`46,XX`	normal
(b) der	`45,XX,der(14;21)(q10;q10)`	porteuse équilibrée, comme sa mère
(c) der + 21	`46,XX,der(14;21)(q10;q10),+21`	trisomie 21 par translocation
(d) 14	`45,XX,-21`	monosomie 21, non viable
(e) der + 14	`46,XX,der(14;21)(q10;q10),+14`	trisomie 14, non viable
(f) 21	`45,XX,-14`	monosomie 14, non viable

Les proportions théoriques. Avec des poids égaux, $3/6 = 1/2$ des zygotes sont viables; parmi eux, un sur trois est normal, un sur trois porteur équilibré et un sur trois trisomique: $P (trisomie 21 ∣ viable) = (1/6) / (3/6) = 1/3$ . Parmi les enfants viables, la moitié de ceux qui ne sont pas atteints sont porteurs: .

Question 6.4

Avec la convention de poids égaux du théorème 6.2, quelle fraction des six types de gamètes d'un porteur de la der(14;21) donne, avec un gamète normal, un zygote non viable?

Le porteur d'une translocation robertsonienne 21;21, 45,XX,der(21;21)(q10;q10), n'a plus de 21 libre: chacun de ses gamètes reçoit le dérivé, deux doses de 21, ou rien. Il ne peut concevoir que des trisomies 21 ou des monosomies 21, non viables: tous ses enfants nés vivants sont atteints (exercice 6.4).

L'explorateur ci-dessous reprend les deux mécanismes de cette partie: la non-disjonction d'une paire, en méiose I ou II, et la ségrégation du trivalent robertsonien.

Explorateur 6.1 · Non-disjonction et gamètes

Choisissez une situation et la paire suivie: la figure refait la méiose et compte les gamètes et les zygotes formés avec un gamète normal du partenaire. Comparez la méiose I et la méiose II: la même erreur ne produit pas la même proportion de gamètes anormaux. Pour le porteur robertsonien, les six types de gamètes reçoivent des poids égaux, une convention théorique: les risques observés sont plus faibles.

Situation2

Paire suivie21

Situation

Non-disjonction en méiose I

Paire

chromosome 21 (méiose maternelle)

Gamètes disomiques

2 sur 4 (50 %)

Gamètes nullisomiques

2 sur 4 (50 %)

Gamètes normaux ou équilibrés

0 sur 4 (0 %)

Zygotes équilibrés

0 sur 4 (0 %)

Zygotes

trisomie 21 ×2 · monosomie 21 (non viable) ×2

Trisomie 21 parmi les zygotes viables

2 sur 2

L'explorateur compte les gamètes d'une méiose, ignore le crossing-over et donne aux six types robertsoniens des poids égaux, une convention de calcul et non une mesure. Pour la paire X, Y, la méiose I donne des 47,XXY et des 45,X, la méiose II un 47,XXX, un 45,X et deux 46,XY.

Les translocations réciproques

Un porteur équilibré est en général en bonne santé, sauf si une cassure interrompt un gène. La translocation t(11;22)(q23;q11.2) est la plus connue des translocations réciproques constitutionnelles récurrentes. La difficulté est, là encore, méiotique. Pour que chaque segment s'apparie à son homologue, les quatre chromosomes, A, B, der(A) et der(B), s'assemblent en prophase I en une figure en croix, le quadrivalent (figure 6.3). À l'anaphase I, ils se répartissent deux par deux de trois façons.

Alterne: A et B d'un côté, der(A) et der(B) de l'autre; deux gamètes équilibrés, l'un normal, l'autre porteur.
Adjacente-1: les centromères homologues (A et der(A), B et der(B)) vont à des pôles opposés: A avec der(B), der(A) avec B.
Adjacente-2: les centromères homologues vont au même pôle: A avec der(A), B avec der(B).

Les quatre gamètes adjacents sont déséquilibrés: chacun porte un segment en deux copies et en manque un autre. Avec un gamète normal, ils donnent une trisomie partielle d'un segment associée à une monosomie partielle d'un autre. Sur les six types issus d'une ségrégation 2:2, deux sont équilibrés, soit $1/3$ , et un seul est normal, soit $1/6$ . Ces fractions sont théoriques: la ségrégation adjacente-2 est en général rare, des ségrégations 3:1 existent, et la viabilité d'un zygote déséquilibré dépend de la taille des segments. Une translocation réciproque se signale souvent par des fausses couches à répétition ou par un enfant porteur d'un déséquilibre.

Délétions, duplications et inversions

Délétions et duplications

Une délétion est la perte d'un segment de chromosome: terminale quand elle emporte l'extrémité d'un bras, interstitielle quand elle se situe entre deux cassures internes. Le porteur d'une délétion hétérozygote est monosomique pour tous les gènes du segment, et la gravité dépend du nombre de gènes sensibles au dosage qui s'y trouvent: pour ceux-là, une copie active ne suffit pas, c'est l'haploinsuffisance du chapitre 9.

Deux syndromes servent de repères. Le syndrome du cri du chat, dû à une délétion terminale du bras court du chromosome 5, notée 5p−, par exemple 46,XY,del(5)(p14), doit son nom au cri aigu des nourrissons et s'accompagne d'une déficience intellectuelle; la taille de la délétion varie, mais la région critique se trouve dans la bande 5p15. Le syndrome de délétion 22q11.2 est une microdélétion interstitielle, trop petite pour être vue sur un caryotype standard. Il associe, avec une grande variabilité, des malformations cardiaques, une hypoplasie du thymus, des anomalies du palais et une hypocalcémie (on l'a longtemps décrit sous les noms de syndromes de DiGeorge et vélo-cardio-facial).

Les microdélétions récurrentes comme celle de 22q11.2 ont les mêmes bornes chez des patients non apparentés: des répétitions à faible nombre de copies, segments presque identiques présents à deux endroits du même chromosome. En méiose, ils peuvent s'apparier par erreur et recombiner entre eux: c'est la recombinaison homologue non allélique. Le crossing-over décalé produit, sur une chromatide, une délétion du segment compris entre les deux répétitions et, sur l'autre, une duplication du même segment. Les duplications réciproques existent donc, et elles sont en général moins graves que les délétions correspondantes.

À l'échelle de l'évolution, une duplication est aussi une source de nouveauté: une copie garde la fonction, l'autre peut diverger. Les familles de gènes du chapitre 7 sont nées ainsi.

Les inversions

Le porteur, hétérozygote pour l'inversion, est en général en bonne santé. En méiose, pour que chaque segment s'apparie à son homologue, l'un des chromosomes forme une boucle d'inversion (figure 6.4), où un crossing-over a des conséquences prévisibles.

Théorème 6.3 · Crossing-over dans une boucle d'inversion

Chez un hétérozygote pour une inversion, un crossing-over unique entre deux chromatides non sœurs à l'intérieur de la boucle produit deux chromatides recombinées déséquilibrées, à côté de deux chromatides non recombinées, l'une normale, l'autre inversée.

Inversion paracentrique: l'une des chromatides recombinées est dicentrique (deux centromères) et forme un pont à l'anaphase I avant de se rompre; l'autre est acentrique (aucun centromère) et se perd. Toutes deux portent des duplications et des délétions.
Inversion péricentrique: les deux chromatides recombinées ont un centromère chacune, mais chacune porte une duplication d'un segment et une délétion de l'autre.

Dans les deux cas, les gamètes viables qui proviennent de ces méioses sont surtout ceux qui ont reçu une chromatide non recombinée.

Démonstration. On coupe les deux chromatides au point du crossing-over et on raccorde chaque moitié à la moitié homologue de l'autre chromatide. Dans la boucle, les deux chromatides sont appariées en sens opposés: chaque raccord réunit deux morceaux orientés vers le même centromère, ou vers aucun. L'exemple 6.4 conduit le calcul pour une paracentrique. Dans une péricentrique, le centromère est dans la boucle: chaque produit en garde un, mais répète une extrémité du chromosome et perd l'autre. $□$

Cela touche les cartes génétiques du chapitre 5: chez un hétérozygote pour une inversion, les recombinants pour des gènes du segment inversé ne sont presque jamais retrouvés dans la descendance. Les crossing-over ont lieu, mais leurs produits disparaissent: on dit, par abus de langage, que l'inversion supprime la recombinaison. Les généticiens de la drosophile l'exploitent avec des chromosomes porteurs de plusieurs inversions, les chromosomes balanceurs, qui maintiennent des mutations ensemble.

La polyploïdie

Chez les plantes, la polyploïdie est fréquente. Le blé tendre est un allohexaploïde: $2 n = 6 x = 42$ , formé de trois génomes ancestraux notés $A$ , $B$ et $D$ , chacun en deux exemplaires. Parce que chaque chromosome n'y a qu'un seul homologue exact, l'appariement se fait en bivalents et la méiose est régulière: l'allopolyploïde est fertile, alors que l'hybride non doublé, dont les chromosomes n'ont pas de partenaire, ne l'est pas. En laboratoire, la colchicine, qui empêche la formation du fuseau, permet de doubler le nombre de chromosomes.

Un triploïde, au contraire, est en général stérile. À la méiose, chaque chromosome a deux homologues, et les trois se répartissent entre deux pôles: un pôle en reçoit deux, l'autre un. Si chacun des $x$ trios se répartit au hasard et indépendamment des autres, un gamète ne reçoit un lot équilibré, soit une copie de chaque chromosome, soit deux copies de chaque, qu'avec la probabilité

P (gam \overset{e}{ˋ} te euplo \overset{ı}{¨} de) = 2 \times (\frac{1}{2})^{x},

qui s'effondre quand $x$ augmente: $1/4$ pour $x = 3$ , $1/64$ pour $x = 7$ . C'est un modèle, qui ignore les univalents et les ségrégations irrégulières, mais il explique pourquoi on cultive des triploïdes précisément quand on ne veut pas de graines.

Chez l'humain, la polyploïdie n'est pas viable. La triploïdie, 69,XXY ou 69,XXX par exemple, résulte le plus souvent de la fécondation d'un ovule par deux spermatozoïdes ou de la participation d'un gamète diploïde; elle est une cause classique de fausse couche.

Méthodes de la cytogénétique

Le caryotype en bandes G

Le caryotype standard part de cellules qui se divisent: lymphocytes du sang stimulés en culture, cellules du liquide amniotique ou des villosités choriales. Une substance qui bloque le fuseau arrête les cellules en métaphase; un choc hypotonique les fait gonfler, une fixation puis un étalement libèrent les chromosomes sur une lame, et un traitement à la trypsine suivi d'une coloration au Giemsa fait apparaître les bandes G. Le cytogénéticien classe les chromosomes et rédige le caryotype en ISCN.

Question 6.5

Remettez dans l'ordre les étapes d'un caryotype en bandes G à partir d'un prélèvement de sang.

Glissez les éléments pour les mettre dans le bon ordre

Étaler les chromosomes sur une lame

Faire gonfler les cellules par un choc hypotonique, puis les fixer

Classer les chromosomes au microscope et écrire le caryotype en ISCN

Bloquer les cellules en métaphase avec un poison du fuseau

Traiter à la trypsine et colorer au Giemsa

Mettre les lymphocytes en culture avec un agent qui stimule leur division

La résolution se dit en nombre de bandes visibles sur un lot haploïde. Un caryotype standard atteint environ 400 à 550 bandes. Avec un génome haploïde d'environ $3, 1 \times 1 0^{9}$ pb, une bande représente en moyenne

\frac{3 , 1 \times 1 0 ^{9}}{550} \approx 5, 6 Mb \overset{a}{ˋ} \frac{3 , 1 \times 1 0 ^{9}}{400} \approx 7, 8 Mb,

soit plusieurs mégabases. Un déséquilibre plus petit qu'une bande échappe en général au caryotype, ce qui est le cas de la microdélétion 22q11.2. En revanche, le caryotype voit tout le génome à la fois, les aneuploïdies comme les remaniements équilibrés, translocations et inversions, et il distingue une trisomie libre d'une trisomie par translocation.

FISH

L'hybridation in situ en fluorescence (FISH) utilise une sonde d'ADN fluorescente complémentaire d'une région connue. Sur des chromosomes en métaphase, une délétion se signale par l'absence du signal sur un homologue, une translocation par un signal sur le mauvais chromosome. Sur des noyaux en interphase, sans culture, on compte les signaux: trois signaux d'une sonde du 21 indiquent une trisomie. La FISH est rapide, mais ne voit que la région ciblée.

Les puces à ADN

L'analyse chromosomique sur puce (CMA, chromosomal microarray) mesure le nombre de copies en très nombreux points du génome. Dans la CGH sur puce (array-CGH), l'ADN du patient et un ADN de référence, marqués de deux couleurs différentes, s'hybrident sur des sondes réparties le long du génome; le rapport des deux signaux révèle un gain ou une perte. Les puces SNP, celles du génotypage du chapitre 11, mesurent en plus le rapport des deux allèles en chaque point, ce qui fait apparaître les régions sans hétérozygotie, une isodisomie uniparentale ou une triploïdie. La résolution dépend de la densité des sondes et descend bien en dessous de la mégabase. Les recommandations professionnelles en font le test de première intention en cas de déficience intellectuelle ou de malformations multiples inexpliquées (Miller et al., Am. J. Hum. Genet. 2010).

Les variations du nombre de copies

Les puces ont montré que deux génomes humains normaux diffèrent aussi par le nombre de copies de nombreux segments.

Chaque génome porte de nombreux CNV, et la plupart sont bénins, comme les polymorphismes de séquence du chapitre 9. Un résultat de puce ne se lit donc pas «perte = maladie»: on compare le CNV aux bases de données de la population générale et de patients, on regarde quels gènes il contient et s'il a été hérité d'un parent en bonne santé ou est apparu de novo. Le chapitre 14 expose la même logique de classement pour les variants de séquence, du pathogène au bénin, avec la catégorie des variants de signification incertaine (définition 14.2).

Synthèse

Un caryotype s'écrit en ISCN, sans espace: nombre total, chromosomes sexuels, anomalies (47,XY,+21, 45,X, 46,XX,der(14;21)(q10;q10),+21, mos 47,XXY[8]/46,XY[22]). La virgule y sépare des champs et le point marque une sous-bande; ce ne sont pas des nombres.
Une non-disjonction en méiose I donne deux gamètes disomiques, porteurs des deux homologues, et deux nullisomiques; en méiose II, un disomique, porteur de deux copies du même homologue, un nullisomique et deux normaux (théorème 6.1). Des marqueurs proches du centromère datent l'erreur. Une non-disjonction mitotique ou un sauvetage de trisomie produisent un mosaïcisme.
La trisomie 21 est libre dans environ 95 % des cas, par translocation robertsonienne dans environ 4 % et en mosaïque dans environ 1 %; le chromosome surnuméraire est maternel dans environ 90 % des cas, et le risque augmente avec l'âge maternel. Les trisomies 18 et 13 sont les seules autres trisomies autosomiques complètes observées à la naissance.
Les aneuploïdies des chromosomes sexuels (45,X, 47,XXY, 47,XXX, 47,XYY) sont mieux tolérées grâce à l'inactivation de tous les X sauf un et au faible nombre de gènes du Y; les gènes qui échappent à l'inactivation expliquent qu'elles ne soient pas sans effet.
Un porteur robertsonien 14;21 produit six types théoriques de gamètes et, à poids égaux, $1/3$ de trisomies 21 parmi les issues viables; le risque observé est plus faible et dépend du sexe du porteur. Un porteur 21;21 n'a que des enfants atteints. Un porteur de translocation réciproque forme un quadrivalent; seule la ségrégation alterne donne des gamètes équilibrés.
Les délétions et duplications changent un dosage; un crossing-over dans la boucle d'une inversion donne des produits déséquilibrés (dicentrique et acentrique pour une paracentrique). Le caryotype voit tout le génome à quelques mégabases près, équilibré compris; la FISH voit une cible; la puce voit de petits gains et pertes, mais pas les remaniements équilibrés.

Série d'exercices du chapitre 6Exercice 1 sur 5

Question 6.6

Lequel de ces caryotypes correspond au syndrome de Patau?

Problème guidé 6.1 · D'où vient l'X surnuméraire?

Un marqueur microsatellite proche du centromère du chromosome X a de nombreux allèles. Une mère est hétérozygote 12/15; le père, hémizygote, porte l'allèle 14. Ils ont trois fils de caryotype 47,XXY, chacun né d'une méiose différente (situation fictive, construite pour l'exercice). Le fils 1 porte les allèles 12 et 14, le fils 2 les allèles 12 et 15, le fils 3 deux fois l'allèle 15. On suppose qu'aucun crossing-over n'a eu lieu entre le marqueur et le centromère.

Le fils 1

Un fils reçoit toujours son Y de son père. Comptez les X maternels et paternels.

Quelle division a échoué pour le fils 1?

Les fils 2 et 3

Les gamètes de la méiose du fils 1

Les corps de Barr

Exercices

Vous pouvez afficher le corrigé directement sous chaque énoncé après avoir cherché la solution.

Exercice 6.1 · Écrire et lire des caryotypes

Écrivez en ISCN le caryotype de chacune des personnes suivantes:

une fille atteinte de trisomie 18 libre;
un homme atteint du syndrome de Klinefelter, sans mosaïque;
une femme porteuse équilibrée d'une translocation robertsonienne entre les chromosomes 14 et 21;
son fils, atteint d'une trisomie 21 par translocation héritée d'elle;
une femme chez qui 10 cellules analysées sont 45,X et 20 sont 46,XX (nombres fictifs).

Puis lisez le caryotype 46,XX,t(11;22)(q23;q11.2): combien de chromosomes, quelle anomalie, quel déséquilibre?

Solution

47,XX,+18.
47,XXY.
45,XX,der(14;21)(q10;q10), ou 45,XX,rob(14;21)(q10;q10).
46,XY,der(14;21)(q10;q10),+21: 46 chromosomes, dont le dérivé hérité de sa mère, et deux chromosomes 21 libres, l'un de sa mère, l'autre de son père.
mos 45,X[10]/46,XX[20]: le préfixe mos, la lignée anormale d'abord, la lignée normale en dernier, les nombres de cellules entre crochets. Un tiers des cellules analysées est monosomique, $10/30$ ; ce n'est pas la proportion dans l'organisme.

46,XX,t(11;22)(q23;q11.2): une femme à 46 chromosomes porteuse d'une translocation réciproque entre 11q23 et 22q11.2. Le «t» sans «der» indique que les deux dérivés sont présents: la translocation est équilibrée, sans déséquilibre de dosage, mais la méiose de la porteuse peut produire des gamètes déséquilibrés.

Exercice 6.2 · Non-disjonction des chromosomes sexuels chez un homme

On suit la paire X, Y dans la méiose d'un homme 46,XY, sa partenaire produisant des ovules normaux, porteurs d'un X.

Donnez les quatre spermatozoïdes et les quatre zygotes possibles si X et Y ne se séparent pas en méiose I.
Même question si la méiose I est normale et que les chromatides sœurs du Y ne se séparent pas en méiose II.
Expliquez pourquoi un garçon 47,XYY permet de dater l'erreur sans aucun marqueur, alors qu'un garçon 47,XXY ne le permet pas.

Solution

Méiose I. Une cellule fille reçoit X et Y, l'autre aucun chromosome sexuel; la méiose II donne deux spermatozoïdes XY et deux spermatozoïdes sans chromosome sexuel (théorème 6.1). Avec un ovule X: deux zygotes 47,XXY (Klinefelter) et deux zygotes 45,X (Turner).
Méiose II. La méiose I sépare X et Y. La cellule porteuse de l'X donne deux spermatozoïdes X normaux; celle du Y, où la non-disjonction a lieu, donne un spermatozoïde YY et un spermatozoïde sans chromosome sexuel. Avec un ovule X: deux zygotes 46,XX, un zygote 47,XYY et un zygote 45,X.
Un Y ne peut venir que du père, et deux Y ne peuvent être réunis que par une non-disjonction des chromatides sœurs du Y, c'est-à-dire en méiose II paternelle: le caryotype suffit. Un 47,XXY a trois origines possibles: méiose I paternelle (spermatozoïde XY), méiose I ou méiose II maternelle (ovule XX). Seuls des marqueurs de l'X, comparés à ceux des parents, permettent de trancher, comme dans le problème guidé 6.1.

Exercice 6.3 · Choisir une méthode cytogénétique

Pour chacune des situations suivantes, indiquez l'examen le plus adapté (caryotype en bandes G, FISH, puce à ADN) et justifiez par ce que l'examen voit et ne voit pas.

Un nouveau-né présente les signes cliniques d'une trisomie 21.
Un enfant présente une déficience intellectuelle et des malformations sans diagnostic évident; son caryotype est normal.
Un couple a eu trois fausses couches précoces.
Une échographie prénatale montre une malformation cardiaque conotroncale, et l'on soupçonne une microdélétion 22q11.2.

Solution

Caryotype. Il confirme la trisomie et dit si elle est libre ou par translocation: une puce verrait trois doses de 21 dans les deux cas. Une FISH en interphase donne un résultat rapide, sans remplacer le caryotype.
Puce à ADN. Les déséquilibres plus petits qu'une bande échappent au caryotype; la puce est le test de première intention ici. Un CNV trouvé doit être interprété et recherché chez les parents.
Caryotype des deux parents. On cherche une translocation ou une inversion équilibrée, invisible sur une puce, qui expliquerait des conceptions déséquilibrées non viables.
FISH ciblée ou puce. La microdélétion est trop petite pour le caryotype. La FISH répond à la question posée; la puce aussi, en examinant tout le génome.

Exercice 6.4 · Porteur d'une translocation 21;21

Un homme de phénotype normal a pour caryotype 45,XY,der(21;21)(q10;q10). Sa partenaire a un caryotype normal.

Que contient son chromosome dérivé? Pourquoi est-il en bonne santé?
Quels gamètes peut-il produire pour le matériel du chromosome 21? Quels zygotes en résultent?
Quel est son risque d'avoir un enfant né vivant atteint de trisomie 21? Comparez avec un porteur de la der(14;21), dont le risque théorique, à poids égaux, est de $1/3$ parmi les issues viables.

Solution

Le dérivé réunit deux bras longs de chromosome 21; les bras courts, dont les gènes d'ARN ribosomiques existent en copies sur les autres acrocentriques, sont perdus sans conséquence. Le porteur a deux doses du bras long du 21: il est équilibré.
Il n'a aucun chromosome 21 libre. À la méiose, le dérivé part d'un côté ou de l'autre: un gamète reçoit le dérivé, donc deux doses de 21, ou n'en reçoit aucune. Avec un ovule normal, porteur d'un 21: 46,XX,der(21;21)(q10;q10),+21 ou son équivalent masculin, une trisomie 21; ou une monosomie 21, 45,XX,-21, non viable.
Les seules issues viables sont des trisomies 21: tous ses enfants nés vivants sont atteints, risque 1, et les conceptions monosomiques se perdent. Pour le porteur 14;21, trois issues sont viables, normal, porteur, trisomie 21, d'où le plafond théorique de $1/3$ ; le risque réel est plus faible. La différence vient de ce que le porteur 14;21 a un 21 libre qu'il peut transmettre sans le dérivé, ce que le porteur 21;21 ne peut pas faire.

Exercice 6.5 · Une famille porteuse d'une translocation réciproque

Une femme porteuse équilibrée d'une translocation réciproque entre deux autosomes A et B consulte après deux fausses couches. Ses chromosomes sont A, B, der(A) (le centre de A, son bras p et le segment distal de B, noté $b$ ) et der(B) (le centre de B, son bras p et le segment distal de A, noté $a$ ). On note $A_{1}$ la partie de A qui reste sur der(A) et $B_{1}$ la partie de B qui reste sur der(B). Son partenaire a un caryotype normal.

Références

Nussbaum, R. L., McInnes, R. R. & Willard, H. F., Thompson & Thompson Genetics and Genomics in Medicine, Elsevier (trad. Génétique médicale, Elsevier Masson) — aneuploïdies, trisomie 21, aneuploïdies des chromosomes sexuels, translocations, méthodes cytogénétiques.
McGowan-Jordan, J., Hastings, R. J. & Moore, S. (éd.), ISCN — An International System for Human Cytogenomic Nomenclature, Karger (dernière édition) — nomenclature des caryotypes, des remaniements, des mosaïques et des puces.
Griffiths, A. J. F., Doebley, J., Peichel, C. & Wassarman, D. A., Introduction to Genetic Analysis, Macmillan (trad. Introduction à l'analyse génétique, De Boeck) — non-disjonction, inversions et translocations en méiose, polyploïdie.
Klug, W. S., Cummings, M. R., Spencer, C. A. & Palladino, M. A., Concepts of Genetics, Pearson (trad. Génétique, Pearson) — variations du nombre et de la structure des chromosomes.

Ségrégation	Gamète	Segments
alterne	A + B	$A_{1}, a, B_{1}, b$
alterne	`der(A)` + `der(B)`	$A_{1}, b, B_{1}, a$