L’évolution des connaissances et des outils en génomique

Gaël Nicolas, MD, PhD

Department of Genetics, Rouen University Hospital, Normandy, France

Inserm U1245 – Genetics of Cancer and Neuropsychiatric disorders

National Reference Center for Young Alzheimer Patients

Normandy Center for Genomics and Personalized Medicine

1985

PCR

(Mullis)

2004-Ere génomique

2004Séquençage du

génome humain

2007Analyses

pan-génomiques

2009 NGS

1865 – 1975Ere pré-moléculaire

1975 – 2004Ere moléculaire

1865

Lois de

Mendel

1953

Structure

de l'ADN

Watson Crick

1959

Trisomie 21

Lejeune

Turpin

Jacobs

1975

Southern

1993

Séquenceurs

Automatiques

d’ADN

Sanger

sequencing

RappelsHistoire de la Génétique

1,5% : exome20 000 gènes / 50-70 Mb

98,5% : non-codantStructureRégulation…

RappelsVariabilité du génome humain

Variation de séquenceSNVs et indels Variations du nombre de copies

(CNV)

Séquences répétées

TTCCAG(CAG)nCAGCAAWT-CAG.TTC.CTA.GCA.GTC.

Mut-CAG.T CC.TAG.CAG.TC

3 Gb

Séquençage Massif en Parallèle : une révolution technologiqueSéquençage Massif en Parallèle : une révolution technologique

ddNTP terminateurs

ddNTPterminateursRéversibles���� débit

PCR exon par exonAmorces ciblées

Amplification clonaleAmorces universelles���� Parallélisation

Séquençage Sanger

Capture préalable de tous les exons (exome)

+ barcodes moléculaires : mutliplexage

Exon après exon, gène après gène…

pb -kb

Gb

X 1 000 000

RappelsSéquençage de nouvelle génération (NGS)

RappelsUne technologie de plus en plus accessible et performante

Wikimedia commons

RappelsVers le séquençage de single long molecules

PacBio SequelSMRT sequencing

Oxford NanoporeMini Ion

Apports du NGS en recherche

Révolution dans la recherche génétique Identification de « nouveaux » gènes dans les maladies Mendéliennes

Elargissement phénotypique, Maladies alléliques, découverte de la diversité du génome

RappelsNGS : ère de la génomique

� Preuve de conceptNg et al., Nature 2009

� 1ère identification d’une cause de maladie Mendélienne par exome

Ng et al., Nature Genetics 2010 [Epub 2009]

� 1ère application diagnostiqueChoi et al., PNAS 2009

� 1ère utilisation d’exomes en triosVissers et al., Nature Genetics 2010

� 60,000 exomes dans la base ExACLek et al., Nature Genetics 2016

� Des milliers d’exomes de triosAutisme / déficience intellectuelle...

Pubmed « exome » + « publication date » :

Apports du NGS en rechercheRappelsNGS : identification extensive des gènes de maladies Mendéliennes

Vissers, Veltman & Gilissen, Nat Genet Reviews 2016

ExAC ���� gnomAD 2017: 123 136 exomes et 15 496 génomes

La découverte de la diversité du génomeLa découverte de la diversité du génome

transversions

Non CpG transitions CpG transitions

Séquencer un nouvel individu = Identifier de nouvelles variations

De nombreux gènes sont tolérants à la perte de fonctionLek et al.,

Nat Genet 2006

Ce qui est mutable,

la nature le mute

Toléré = observé

Découverte de la mutabilité du génomeDécouverte de la mutabilité du génome

Séquençage d’exome / génome en trio

4 000 000 variants génomiquesDont 20 000 exoniques

4 000 000 variants génomiquesDont 20 000 exoniques

4 000 000 variants génomiquesDont 20 000 exoniques

- -

60 - 80 variants génomiques de novo

Dont 1,5 exonique de novo

4x plus de mutations de novo

dans la lignée germinale paternelleEffet âge :

� Père : 1-1,51 de novo mutation/an� Mère : 0,25-0,37 de novo mutation/an

Nombre de réplications dans la lignée germinale:

� Mère : 22� Père jeune : 100

� Père âgé : 600-1000

Pression environnementale MigrationsInfections

Modifications alimentaires

� Croissance exponentielle récente de la population humaine

�La plupart des SNV/CNV rares sont survenus au cours des 10 000 dernières années

RappelsMutabilité du génome : une nécessité pour l’adaptation des espèces

Les maladies génétiques : le prix de l’adaptabilité des espèces

Notre génome n’est pas figé : mutations post-zygotiques et somatiquesNotre génome n’est pas figé : mutations post-zygotiques et somatiques

Accumulation de driver mutations pendant le vieillissement

Identifier les variations somatiques parmi les erreurs de séquençage :

Adaptation technologique :Utilisation de barcodes moléculaires

Acuna-Hidalgo, Veltman & Hoischen, Genome Biol 2016

Hiatt et al., Genome Research 2013

Acuna-Hidalgo et al., Am J Hum Genet 2017

Lim et al., Nat Neurosci 2017; Lodato et al., Science 2015

Single cell sequencing~1,500 variants somatiques par génome neuronal ���� Activité transcriptionnelleNeurones < peau/hématopoièse

����Réplication cellulaire

~7% des mutations de novo apparemment germinales sont post-zygotiques

Applications au diagnostic des maladies rares

Par exome50 Mb : 1.5% du génome

�20 000 variations SNV/indels�1000 variations rares (<0.1%)

�1,5 variation de novo

Défi médical et scientifique :Interprétation

des variations génétiques rares

RappelsGénétique humaine en 2017 : défi de l’interprétation des variants

détection

Variations d’intérêt médicalclassification

American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG) –

Association of Molecular Pathology (AMP)

Class 5: PathogenicClass 4: Likely pathogenic

Class 3: Variant of uncertain significance (VUS)Class 2: Likely benign

Class 1: Benign

Bases de données de contrôles

Bases de données de malades

Prédictions bioinformatiques

Biostatistiques

Données de ségrégation

Expertise moléculaire

Expertise clinique

Confrontations clinico-biologiques

Assurer l’expertise de l’interprétation des variations génétiquesAssurer l’expertise de l’interprétation des variations génétiques

Données fonctionnelles

Applications au diagnostic des maladies raresApplications au diagnostic des maladies rares

Stratégies diagnostiques

Séquençage des gènes du panel uniquement

Exome entier Génome entier

Panels de gène in silico

Coût séquençage

Coût bioinformatique

Couverture

Détection de variants de structure

Sensibilité de détectionSpécificité du phénotype Coût

Profondeur / détection de variants somatiques

Approches pangénomiques pour le diagnostic des maladies raresApproches pangénomiques pour le diagnostic des maladies rares

ExomeGènes

Mendéliens

Gènes concordant avec le phénotypeSéquençage exome ou génome

Analyse restreinte à des panels in silico

� maladies hétérogènes (nombreux gènes potentiellement impliqués)� syndromes difficilement reconnaissables� nombreux diagnostics différentiels

���� Pas de reséquençage si panel n°1 négatif

Risque : incidental findings / données secondaires� Identification incidentale ou active d’un variant pathogène dans un gène de

susceptibilité héréditaire au cancer, cardiopathie…� Actionable genes : recommandations américaines� Nécessité de préciser :

Pour qui ? Comment ? prescription / consentement / suivi psychologique - impactComment ? expertise moléculaire / RCP

La révolution de la Génomique Médicale depuis 2010

Révolution en recherche� Diversité du génome humain

� Dissection des bases moléculaires des maladies Mendéliennes et complexes

Rares et fréquentes

Révolution médicale� Rapidité du diagnostic � Prise en charge précoce

� Suivi adapté� Traitement médical personnalisé

� Prise en charge des familles

RappelsConclusions : la révolution de la génétique humaine

� Compréhension des mécanismes physiopathologiques

� Cibles thérapeutiques� Génétique des populations

La révolution de la Génomique Médicale depuis 2010RappelsL’avenir de la Génomique

Développement et accès au séquençage du génome : plan France médecine génomique 2025

Médecine génomiquepersonnaliséede précision

Compréhension de la variabilité du génome non codant (>98,5%)

Interactions gènes-gènesDéterminisme oligogénique

Interactions gènes-environnementÉpigénétique

Intégration des

connaissances

Calcul de risques personnalisés multigéniques

Meilleure interprétation des

variations codantes

Prise en charge personnalisée

OncogénétiqueCRLCC François Baclesse, Caen

Inserm U1245Dominique VaurLaurent CasteraSophie Krieger

Baptiste BraultNicolas GoardonEtienne Muller

Germain PaimparayAgathe Ricou

Antoine RousselinPascaline Berthet

Interactive BiosoftwareFlorian Mancini

Alexandre HatzoglouAndré Blavier

Fédération de Génétique CHU de RouenInserm U1245

Pascale Saugier-VeberStéphanie Baert-DesurmontGaëlle Bougeard-Denoyelle

Dominique CampionCamille Charbonnier

Isabelle TournierAlexandra MartinsPascaline Gaildrat

Françoise CharbonnierSophie CoutantMyriam VezainRaphaël LanosOlivier Quenez

Alice GoldenbergAnne-Marie GuerrotAnne-Claire BrehinIsabelle Tennevet

Jean-Christophe Théry Nathalie Parodi

Gaëlle ColletAlain Hedouin

Didier Hannequin

Aude LamyJean-Baptiste Latouche

Jean-Christophe Sabourin

Thierry LecroqLaurent Mouchard

Laboratoire d'informatiqueUniversité de Rouen

DSI - Université de RouenBruno Levasseur

Paul TavernierFrançoise CharlesFlorence CharlesRodolphe Bourru

Centre Normand de Génomique et Médecine Personnalisée

Nathalie PorchetPatricia Faure

CHU de CaenMarie-Laure Kottler

Marion Gérard

La révolution de la Génomique Médicale depuis 2010RappelsMerci pour votre attention