Chrοnοlοgie de survenue des variatiοns de nοvο dans la lignée germinale et cοnséquences pοur le cοnseil génétique des maladies rares

Timinig of occurence of de novo variants in the germline and consequences for genetic counselling of rare diseases

• Auteur / Autrice : François Lecoquièrre
• Direction : Gaël Nicolas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la sante
• Date : Soutenance le 28/10/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Cancer and Brain Genomics (Rouen ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Deleuze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël Nicolas, Jean-François Deleuze, Camille Charbonnier, Nathalie Rives, Jean-Baptiste Rivière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christel Depienne, Gaëtan Lesca

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exome

Haplotype

Génome

Mosaïcisme

Mots clés libres

Variations de novo

Mosaicisme

Génome

Long read

De novo mutations

Mosaicism

Genome

Long-Read sequencing

Résumé

Les variations de novo, ou mutations de novo, sont un phénomène biologique universel dans le vivant, menant à l’apparition de nouvelles variations génétiques entre les générations. Ces variations surviennent de manière essentiellement aléatoire dans les génomes mais dans des proportions très précises et conservées, sous l’influence d’un équilibre entre la nécessité d’une diversité génétique indispensable à l’adaptation des espèces et les conséquences potentiellement délétères de certaines variations. La possibilité récente de séquencer des génomes individuels a permis depuis les années 2010 d’identifier de nombreuses caractéristiques des variations de novo chez l’homme et dans le vivant. Les petites mutations (substitution, petites insertions et délétions) ont été particulièrement étudiées par des approches de séquençage du génome en trio, où les variations de novo de l’enfant sont mises en évidence par soustraction des variants présents chez les parents. Le nombre de variations de novo a été quantifié à environ 70 par individu, et un biais paternel fort a été mis en évidence, avec environ 75 à 80 % des variations de novo survenant sur l’haplotype paternel. Par ailleurs, un impact très fort de l’âge du père à la conception a été mis en évidence, témoignant d’une accumulation graduelle de variations génétiques dans les spermatogonies des hommes adultes tout au long de leur vie.En dehors de l’identification des caractéristiques génomiques des variations de novo, les approches en trio ont également révolutionné les connaissances sur les causes génétiques des maladies rares. La déficience intellectuelle, et d’une manière plus globale les maladies sévères du développement, a été identifiée comme résultant très fréquemment de variations de novo. Ainsi dans les explorations médicales de ces patients, 70 à 80 % des diagnostics posés correspondent à une variation de novo, et il a été estimé qu’une naissance sur 300 était marquée par une pathologie sévère du développement médiée par une mutation de novo dans les parties codantes de nos gènes.Les variations de novo sont considérées comme des évènements ponctuels à faible risque de récurrence dans les fratries, mais il est connu de longue date que certaines variations de novo résultent d’une mosaïque germinale parentale, faisant suite à un évènement mutationnel survenu à un stade embryonnaire précoce, où deux populations cellulaires cohabitent parmi les gamètes de l’individu, l’une de génotype sauvage et l’autre portant la variation. Dans ce contexte, les généticiens sont prudents pour le conseil génétique des affections liées aux variations de novo et évoquent habituellement un risque de récurrence non nul d’environ 1 à 2 % à chaque grossesse, menant fréquemment à un génotypage fœtal par prélèvement invasif.Alors que les variations de novo sont souvent considérées comme une entité unique, il n’en est rien. Les deux modèles cités de variations survenant dans les spermatogonies et de variations en mosaïque germinale parentale sont deux exemples centraux soulignant la diversité des mécanismes en jeu dans les variations de novo, qui peuvent en réalité survenir dans toute cellule de la lignée germinale, entre le zygote et les gamètes.L’objectif de ce travail de thèse était de catégoriser les variations de novo détectées chez des individus en fonction du mécanisme ayant mené à leur apparition, en exploitant des techniques génomiques innovantes. La volonté de quantifier notamment le phénomène de mosaïcisme germinal a été sous-tendue par les conséquences médicales notables pour le conseil génétique des maladies associées. Deux projets complémentaires ont été effectués. Le premier projet visait à quantifier la proportion d’une série de 189 variants de novo pathogènes qui présentait une mosaïque sanguine faible chez l’un des parents, témoignant d’un mosaïcisme germinal.

De novo variations, or de novo mutations, are a universal biological phenomenon in living organisms, leading to the appearance of new genetic variations between generations. These variations occur globally at random in genomes, but at precise and constrained rates, under the influence of a balance between the need for genetic diversity essential to species adaptation and the potentially deleterious consequences of certain variations. Since the 2010s, scientists' ability to sequence individual genomes has enabled the identification numerous characteristics of de novo variation in humans and other living organisms. Small mutations (substitutions, small insertions and deletions) in particular have been studied using trio genome sequencing approaches, where de novo variations in the child are highlighted by subtracting variants present in the parents. The number of de novo variations has been quantified at around 70 per individual, and a strong paternal bias has been demonstrated, with around 75 to 80 % of de novo variations occurring on the paternal haplotype. In addition, a very strong impact of the father's age at conception was demonstrated, testifying to a gradual accumulation of genetic variations in the spermatogonia of adult men throughout their lives.In addition to identifying the genomic characteristics of de novo variations, trio approaches have also revolutionized our knowledge of the genetic causes of rare diseases. Intellectual disability, and more generally severe developmental disorders, have been identified as frequently resulting from de novo variations. Thus, in the medical investigations of these patients, 70 to 80 % of diagnoses correspond to a de novo variation, and it has been estimated that one birth in 300 is marked by a severe developmental pathology mediated by a de novo mutation in the coding sequences of our genes.De novo variations are considered to be one-off events with a low risk of recurrence in siblings, but it has long been known that some de novo variations result from a parental germline mosaicism, following a mutational event at an early embryonic stage, where two cell populations cohabit among the individual's gametes, one of wild-type genotype and the other carrying the variation. In this context, geneticists are cautious when it comes to genetic counseling for conditions linked to de novo variations, and usually point to a non-zero recurrence risk of around 1-2 % with each pregnancy, frequently leading to fetal genotyping by invasive sampling.While de novo variations are often regarded as a single entity, this is not the case. The two examples cited of variations occurring in spermatogonia and parental germline mosaic variations are two central examples highlighting the diversity of mechanisms involved in de novo variations, which can in fact occur in any germline cell between the zygote and the gametes. The aim of this thesis was to categorize de novo variations detected in individuals according to the mechanism that led to their appearance, using innovative genomic techniques. The aim to quantify the phenomenon of germline mosaicism in particular was underpinned by the significant medical consequences for genetic counseling of associated diseases. Two complementary projects were carried out. The first project aimed to quantify the proportion of a series of 189 pathogenic de novo variants that showed low blood mosaicism in one of the parents, indicating germline mosaicism. The parents' blood samples were retrospectively analyzed using a sensitive targeted sequencing technique, and identified that around 4% of the de novo variations were detectable as blood mosaic in one of the parents. The second project focused on genome-wide de novo variations in five individuals. Short-read genome sequencing was applied to detect de novo variations in probands, long-read genome sequencing was used to phase variations onto the paternal or maternal haplotype, and mosaicism was searched for in parenta