Mutation germinale - Germline mutation
Une mutation germinale , ou mutation germinale , est toute variation détectable au sein des cellules germinales (cellules qui, une fois pleinement développées, deviennent des spermatozoïdes et des ovules ). Les mutations dans ces cellules sont les seules mutations qui peuvent être transmises à la progéniture, lorsqu'un spermatozoïde ou un ovocyte muté se réunissent pour former un zygote . Après cet événement de fécondation, les cellules germinales se divisent rapidement pour produire toutes les cellules du corps, provoquant la présence de cette mutation dans chaque cellule somatique et germinale de la progéniture ; ceci est également connu comme une mutation constitutionnelle. La mutation germinale est distincte de la mutation somatique .
Les mutations germinales peuvent être causées par une variété de facteurs endogènes (internes) et exogènes (externes) et peuvent survenir tout au long du développement du zygote. Une mutation qui n'apparaît que dans les cellules germinales peut donner naissance à une progéniture avec une maladie génétique qui n'est présente chez aucun des parents ; c'est parce que la mutation n'est pas présente dans le reste du corps des parents, seulement dans la lignée germinale. En raison de nombreuses maladies graves résultant de mutations germinales de novo , différentes techniques d'édition de gènes peuvent être utilisées pour induire des cassures d'ADN et réparer la mutation.
Quand la mutagenèse se produit
Des mutations de la lignée germinale peuvent survenir avant la fécondation et à divers stades du développement du zygote. Le moment où la mutation se produit déterminera l'effet qu'elle a sur la progéniture. Si la mutation survient dans le sperme ou l'ovocyte avant le développement, alors la mutation sera présente dans chaque cellule du corps de l'individu. Une mutation qui survient peu de temps après la fécondation, mais avant que la lignée germinale et les cellules somatiques ne soient déterminées, la mutation sera alors présente dans une grande partie de la cellule de l'individu sans biais envers la lignée germinale ou les cellules somatiques, c'est aussi ce qu'on appelle une mutation gonosomique. Une mutation qui survient plus tard dans le développement du zygote sera présente dans un petit sous-ensemble de cellules somatiques ou germinales, mais pas les deux.
Causes
Facteurs endogènes
Une mutation germinale survient souvent en raison de facteurs endogènes , tels que des erreurs de réplication cellulaire et des dommages oxydatifs. Ces dommages sont rarement réparés de manière imparfaite, mais en raison du taux élevé de division des cellules germinales, ils peuvent survenir fréquemment.
Les mutations endogènes sont plus importantes dans les spermatozoïdes que dans les ovules. En effet, les spermatocytes subissent un plus grand nombre de divisions cellulaires tout au long de la vie d'un homme, ce qui entraîne davantage de cycles de réplication pouvant entraîner une mutation de l'ADN. Des erreurs dans l'ovule maternel se produisent également, mais à un taux inférieur à celui du sperme paternel. Les types de mutations qui se produisent ont également tendance à varier entre les sexes. Les œufs d'une mère, après la production, restent en stase jusqu'à ce que chacun soit utilisé pour l'ovulation. Il a été démontré que cette longue période de stase entraîne un nombre plus élevé de délétions, de duplications, d'insertions et de transversions chromosomiques et de grandes séquences. Le sperme du père, en revanche, subit une réplication continue tout au long de sa vie, ce qui entraîne de nombreuses petites mutations ponctuelles résultant d'erreurs de réplication. Ces mutations comprennent des délétions, des insertions, des duplications et des modifications d'acides aminés d'une seule paire de bases.
Les dommages oxydatifs sont un autre facteur endogène qui peut provoquer des mutations germinales. Ce type de dommage est causé par des espèces réactives de l'oxygène qui s'accumulent dans la cellule en tant que sous-produit de la respiration cellulaire . Il manque un électron à ces espèces réactives de l'oxygène, et parce qu'elles sont hautement électronégatives (ont une forte attraction électronique), elles arracheront un électron à une autre molécule. Cela peut initier des dommages à l'ADN car cela provoque le passage de la guanine de l'acide nucléique à la 8-oxoguanine (8-oxoG). Cette molécule 8-oxoG est alors confondue avec une thymine par l' ADN polymérase lors de la réplication, provoquant une transversion G>T sur un brin d'ADN, et une transversion C>A sur l'autre.
Facteurs exogènes
Une mutation germinale peut également se produire en raison de facteurs exogènes . Semblables aux mutations somatiques, les mutations germinales peuvent être causées par l'exposition à des substances nocives, qui endommagent l'ADN des cellules germinales. Ces dommages peuvent alors soit être parfaitement réparés, et aucune mutation ne sera présente, soit être réparés de manière imparfaite, ce qui entraîne une variété de mutations. Les mutagènes exogènes comprennent les produits chimiques nocifs et les rayonnements ionisants ; la principale différence entre les mutations de la lignée germinale et les mutations somatiques est que les cellules germinales ne sont pas exposées aux rayons UV et donc pas souvent directement mutées de cette manière.
Implications cliniques
Différentes mutations germinales peuvent affecter un individu différemment selon le reste de son génome. Une mutation dominante ne nécessite qu'un seul gène muté pour produire le phénotype de la maladie , tandis qu'une mutation récessive nécessite la mutation des deux allèles pour produire le phénotype de la maladie. Par exemple, si l'embryon hérite d'un allèle déjà muté du père et que le même allèle de la mère a subi une mutation endogène, alors l'enfant présentera la maladie liée à ce gène muté, même si un seul parent porte l'allèle mutant. Ce n'est qu'un exemple de la façon dont un enfant peut présenter une maladie récessive alors qu'un gène mutant n'est porté que par un seul parent. La détection d'anomalies chromosomiques peut être trouvée in utero pour certaines maladies au moyen de prélèvements sanguins ou d'échographies, ainsi que de procédures invasives telles qu'une amniocentèse . Une détection plus tardive peut être trouvée par criblage du génome.
Cancer
Des mutations dans des gènes suppresseurs de tumeurs ou des proto-oncogènes peuvent prédisposer un individu au développement de tumeurs. On estime que les mutations génétiques héréditaires sont impliquées dans 5 à 10 % des cancers. Ces mutations rendent une personne susceptible de développer une tumeur si l'autre copie de l' oncogène est muté au hasard. Ces mutations peuvent se produire dans les cellules germinales, leur permettant d'être héréditaires . Les personnes qui héritent de mutations germinales dans TP53 sont prédisposées à certaines variantes du cancer car la protéine produite par ce gène supprime les tumeurs. Les patients porteurs de cette mutation présentent également un risque de syndrome de Li-Fraumeni . D'autres exemples incluent des mutations dans les gènes BRCA1 et BRCA2 qui prédisposent au cancer du sein et de l'ovaire, ou des mutations dans MLH1 qui prédisposent au cancer colorectal héréditaire sans polypose .
La maladie de Huntington
La maladie de Huntington est une mutation autosomique dominante du gène HTT. Le trouble provoque une dégradation dans le cerveau, entraînant des mouvements et un comportement incontrôlables. La mutation implique une expansion des répétitions dans la protéine Huntington, la faisant augmenter en taille. Les patients qui ont plus de 40 répétitions seront très probablement affectés. L'apparition de la maladie est déterminée par la quantité de répétitions présentes dans la mutation ; plus le nombre de répétitions est grand, plus les symptômes de la maladie apparaîtront tôt. En raison de la nature dominante de la mutation, un seul allèle muté est nécessaire pour que la maladie soit active. Cela signifie que si un parent est infecté, l'enfant aura 50 % de chances d'hériter de la maladie. Cette maladie n'a pas de porteurs car si un patient a une mutation, il sera (très probablement) affecté. La maladie a généralement un début tardif, de sorte que de nombreux parents ont des enfants avant de savoir qu'ils ont la mutation. La mutation HTT peut être détectée par criblage du génome .
Trisomie 21
La trisomie 21 (également connue sous le nom de syndrome de Down ) résulte d'un enfant ayant 3 copies du chromosome 21. Cette duplication chromosomique se produit pendant la formation des cellules germinales, lorsque les deux copies du chromosome 21 se retrouvent dans la même cellule fille chez la mère ou le père, et cette cellule germinale mutante participe à la fécondation du zygote. Une autre manière, plus courante, que cela peut se produire est lors du premier événement de division cellulaire après la formation du zygote. Le risque de trisomie 21 augmente avec l'âge de la mère, le risque étant de 1/2000 (0,05 %) à 20 ans et de 1/100 (1 %) à 40 ans. Cette maladie peut être détectée par des procédures non invasives et invasives. prénatale. Les procédures non invasives comprennent la recherche d' ADN fœtal à travers le plasma maternel via un échantillon de sang.
Fibrose kystique
La mucoviscidose est une maladie autosomique récessive qui provoque une variété de symptômes et de complications, dont le plus commun est une muqueuse épaisse dans le tissu épithélial pulmonaire en raison d'un mauvais échange de sel, mais peut également affecter le pancréas , les intestins , le foie et les reins . De nombreux processus corporels peuvent être affectés en raison de la nature héréditaire de cette maladie; si la maladie est présente dans l'ADN à la fois du sperme et de l'ovule, elle sera alors présente dans pratiquement toutes les cellules et tous les organes du corps ; ces mutations peuvent se produire initialement dans les cellules germinales, ou être présentes dans toutes les cellules parentales. La mutation la plus courante observée dans cette maladie est ΔF508, ce qui signifie une délétion de l'acide aminé à la position 508. Si les deux parents ont une protéine CFTR mutée (régulateur de la conductance transmembranaire de la fibrose kystique), alors leurs enfants ont 25% d'héritage de la maladie. Si un enfant a 1 copie mutée de CFTR, il ne développera pas la maladie, mais deviendra porteur de la maladie. La mutation peut être détectée avant la naissance par amniocentèse, ou après la naissance par dépistage génétique prénatal.
Thérapies actuelles
De nombreux troubles mendéliens découlent de mutations ponctuelles dominantes au sein des gènes, notamment la mucoviscidose , la bêta-thalassémie , la drépanocytose et la maladie de Tay-Sachs . En induisant une rupture double brin dans les séquences entourant la mutation ponctuelle causant la maladie, une cellule en division peut utiliser le brin non muté comme matrice pour réparer le brin d'ADN nouvellement cassé, se débarrassant de la mutation causant la maladie. De nombreuses techniques différentes d'édition du génome ont été utilisées pour l'édition du génome, et en particulier l'édition des mutations de la lignée germinale dans les cellules germinales et les zygotes en développement ; cependant, bien que ces thérapies aient été largement étudiées, leur utilisation dans l'édition de la lignée germinale humaine est limitée.
Édition CRISPR/Cas9
Ce système d'édition induit une cassure double brin dans l'ADN, en utilisant un ARN guide et la protéine effectrice Cas9 pour casser les squelettes de l'ADN au niveau de séquences cibles spécifiques. Ce système a montré une spécificité plus élevée que les TALEN ou les ZFN en raison de la protéine Cas9 contenant des séquences homologues (complémentaires) aux sections d'ADN entourant le site à cliver. Ce brin cassé peut être réparé de 2 manières principales : réparation dirigée homologue (HDR) si un brin d'ADN est présent pour être utilisé comme matrice (homologue ou donneur), et si ce n'est pas le cas, alors la séquence subira des traitements non homologues. fin de jointure (NHEJ). NHEJ entraîne souvent des insertions ou des suppressions dans le gène d'intérêt, en raison du traitement des extrémités des brins émoussés, et est un moyen d'étudier les knock-outs de gènes en laboratoire. Cette méthode peut être utilisée pour réparer une mutation ponctuelle en utilisant le chromosome frère comme matrice, ou en fournissant une matrice d'ADN double brin avec la machinerie CRISPR /Cas9 à utiliser comme matrice de réparation.
Cette méthode a été utilisée dans les deux modèles humains et animaux ( drosophile , Mus musculus , et Arabidopsis ), et la recherche actuelle est axée sur ce que ce système plus spécifique pour réduire au minimum les sites de clivage hors cible.
TALEN édition
Le système d'édition du génome TALEN (transcription activator-like effector nucleases) est utilisé pour induire une rupture d'ADN double brin à un locus spécifique du génome, qui peut ensuite être utilisé pour muter ou réparer la séquence d'ADN. Il fonctionne en utilisant une séquence répétée spécifique d'un acide aminé d'une longueur de 33 à 34 acides aminés. La spécificité du site de liaison à l'ADN est déterminée par les acides aminés spécifiques aux positions 12 et 13 (également appelés résidus variables de répétition (RVD)) de cette répétition en tandem, certains RVD montrant une spécificité plus élevée pour des acides aminés spécifiques que d'autres. Une fois la rupture de l'ADN initiée, les extrémités peuvent être soit jointes avec NHEJ qui induit des mutations, soit par HDR qui peut fixer des mutations.
Édition ZFN
Semblable aux TALEN, les nucléases à doigt de zinc (ZFN) sont utilisées pour créer une cassure double brin dans l'ADN à un locus spécifique du génome. Le complexe d'édition ZFN se compose d'une protéine à doigt de zinc (ZFP) et d'un domaine de clivage par enzyme de restriction. Le domaine ZNP peut être modifié pour changer la séquence d'ADN que l' enzyme de restriction coupe, et cet événement de clivage initie des processus de réparation cellulaire, similaires à celui de l'édition d'ADN CRISPR/Cas9.
Par rapport à CRISPR/Cas9, les applications thérapeutiques de cette technologie sont limitées, en raison de l'ingénierie poussée requise pour rendre chaque ZFN spécifique à la séquence souhaitée.