Épidémiologie génétique : leçons tirées de l’étude des

dissections artérielles

Stéphanie Debette, M.D., Ph.D. Service de Neurologie, CHU de Bordeaux, France

Centre INSERM U897 – Epidémiologie et Biostatistiques – Université de Bordeaux, France

stephanie.debette@u-bordeaux.fr

Jusqu’à 50% du risque d’AVC est inexpliqué par les FDR conventionnels (hypertension, diabète, tabac…)

Données convergentes suggèrent que des facteurs de risque génétiques contribuent probablement à ce risque résiduel

Rarement (< 5%): maladie monogénique

Majoritairement prédisposition multifactorielle, chaque variation génétique étant responsable seulement d’une augmentation modeste du risque • Etudes de jumeaux & études sur antécédents familiaux

• "Pseudohéritabilité" estimée à partir des génotypes pangénomiques (16-40% selon sous-type)

Rôle facteurs génétiques + fort attendu chez patients jeunes

Bevan , Stroke 2012; Devan, Stroke 2013 Falcone, Lancet Neurol 2014

Introduction

Génotypage d’un très grand nombre de variants (~polymorphismes mononucléotidiques [SNPs]) distribués sur l’ensemble des chromosomes

SANS hypothèse a priori sur loci d’intérêt

Micropuces de 500,000 à 5,000,000 variants

Imputation de variants supplémentaires à partir de panels de référence • HapMap: 2,5 M variants • 1000G Phase I v3: 38 M variants (~7-10 M "utilisables" pop. européenne)

Feero; NEJM 2010; Zeggini; Nature Genet 2005 The 1000 Genomes Project Consortium; Nature 2012

Etudes d’association génétique pangénomiques (GWAS) ont révolutionné l’identification de FDR génétiques des maladies multifactorielles

Manolio, Nat Rev Genet 2013

Nombre de publications d’études GWAS continue à augmenter de façon exponentielle depuis 2005

Manolio, Nat Rev Genet 2013

Nombre de publications d’études GWAS continue à augmenter de façon exponentielle depuis 2005

Identification of genetic susceptibility factors

Improve understanding of underlying biology

Noveltherapeutic targets

and strategies

Risk

predictionPersonalized

medicine

Drug development Drug response and toxicity

Disease subtyping affecting treatment choice

Ex: PCSK9 inhibitors

• Progrès majeurs dans la découverte de genes sous-tendant maladies complexes Milliers d’associations robustes, révélant principalement des gènes

préalablement non suspectés

• Catalogue en ligne (http://www.genome.gov/gwastudies) > 150 loci pour traits lipidiques

> 70 loci pour maladie de Crohn

> 70 loci pour pression artérielle

> 50 loci pour diabète de type II

> 55 loci pour maladie coronaire

Récolte des GWAS particulièrement riche pour certains traits

Kato, Nat Genet 2015 Nikpay, Nat Genet 2015

Teslovich, Nature 2010 Willer, Nat Genet 2013

Franke, Nat Genet 2010 Polychronakos, Nat Rev Genet 2011

Deloukas, Nat Genet 2013

5% subarachnoid hemorrhage

Lobar ICH 30%

Deep ICH 70% 15% intracerebral

hemorrhage (ICH)

80% ischemic stroke

Cardio- embolic

20%

Atheroma 35%

Small artery disease 25%

Dissections

Moya- Moya

GWAS très utiles mais plus difficiles pour pathologies très hétérogènes comme les AVC

Undetermined 15%

Other 5%

Mok, Int J stroke 2014 Tsai, Neurology 2013

Chowdhury, Stroke 2010 Arima, J Hypertens 2010

Feigin, Lancet Neurol 2009

Variants prédisposant aux AVC peuvent agir à plusieurs niveaux Majorité des associations décrites pour des sous-types d’AVC

↑ Risk of and susceptibility to Traditional vascular risk factors

Influence mechanisms of Ischemic stroke subtypes

HTN Diabetes

Hyperchol Obesity

Smoking

Large artery atheroma

Small Artery Disease

Atrial Fibrillation

Dissection

Predispose to arterial thrombosis

Modulate tolerance to brain injury NINJ2 (?) AQP9 (?) ALDH2

PITX2 ZFHX2

9p21 HDAC9 CDC5L MMP12

Bellenguez, Nat Genet 2012; Traylor, Lancet Neurol 2012; Holliday, Nat Genet 2012; Traylor, Plos Genet 2014

Ikram, NEJM 2009; Kilarski, Neurology 2014

endophenotype

chr17q25

chr10q24

chr2p21

chr1q22

chr2p16 Fornage, Ann Neurol 2009 Verhaaren, Circ Cardiovasc Genet 2015

PHACTR1

INTRACEREBRAL HEMORRHAGE ISCHEMIC

STROKE

en

do

ph

en

oty

pe

WHITE MATTER LESIONS

APOEε2/4 chr1q22 (PMF1-BGLAP)

?

Woo, AJHG 2014

PRKCH (jap)

5% subarachnoid hemorrhage

Lobar ICH 30%

Deep ICH 70% 15% intracerebral

hemorrhage (ICH)

80% ischemic stroke

Undetermined 15%

Cardio- embolic

20%

Atheroma 35%

Small artery disease 25%

Other 5%

Dissections

Moya- Moya

Dissections artérielles cervicales (DAC), cause peu fréquente mais importante d’infarctus cérébral

Epidémiologie des DAC

Principale cause d’infarctus cérébral chez adultes jeunes et d’âge moyen

Incidence = faible en population générale – 2.3 (95%CI: 1.9-3.3) / 100,000 habitants / an

Hommes: 53-57% dans cohortes européennes

Âge moyen = 44 ans (exceptionnel après 65 ans) – Âge de survenue plus élevé chez hommes (46 vs. 41 ans)

Artère carotide interne > Artère vertébrale – 1.7 vs. 1.0 / 100,000 habitants / an – Patients avec dissection carotidienne + âgés et + souvent hommes

Ischémie cérébrale dans 67-77% cas dans plus grandes séries

Lee, Neurology 2006; Putaala, Stroke 2009 Leys, Neurology 2002; Debette & Leys, Lancet Neurol 2009

Debette, Neurology 2011; Metso, Eur J Neurol 2012

• Signes et symptômes «locaux»: – Céphalées, cervicalgies

– Claude Bernard Horner (myosis, ptosis, énophtalmie)

– Paralysie de nerf crânien (XII, IX, X)

• Ischémie cérébrale (67-77%): – AIT

– Infarctus cérébrale

• Autre – Ischémie rétinienne

– Ischémie médullaire

– Hémorragie sous-arachnoïdienne

Présentation clinique

FDR environnementaux: Infection, traumatisme cervical…

Fragilité paroi artérielle

Dissection artérielle cervicale

FDR génétiques

Susceptibilité génétique à inflammation, thrombose

Expositions environnementales conduisant à fragilisation temporaire ou permanente paroi artérielle

Mécanisme présumé

Facteurs de risque "environnementaux" et comorbidités

• Traumatisme cervical (mineur++)

• Infection récente

• Migraine (surtout sans aura)

• Hypertension

• Dysplasie fibromusculaire

• Hypercholestérolémie

• Obésité

↗ risque DAC

↘ risque DAC

Debette, Curr Opin Neurol 2014 Grond-Ginsbach Eur J Neurol 2013

Metso, Neurology 2012 Debette, Circulation 2011

Rubinstein, Stroke 2005

www.cadisp.com

Facteurs de risque génétiques

• Rarement (<1%), complication d’une maladie monogénique du tissue conjonctif

– Vascular Ehlers-Danlos syndrome (COL3A1)

– Classic / Hypermobile Ehlers-Danlos syndrome (COL5A1, COL5A1, ?)

– Marfan syndrome (FBN1)

– Osteogenesis Imperfecta (COL1A1, COL1A2)

– Loeys-Dietz syndrome (TGFBR1, TGFBR2)

Mutations à pénétrance incomplète seraient-elles plus fréquentes?

– Signes discrets de fragilité du tissu conjonctif sont fréquents chez patients atteints de DAC

– 3% de 56 pts avec DAC: mutations TGFBR2 (pas critères syn Loeys-Dietz)

Frank, EJHG 2015 Debette, Neurology 2014

Giossi, Neurology 2014 Debette & Markus, Stroke 2009; Grond-Ginsbach & Debette, Curr Mol Med 2009; Pepin, NEJM 2000

Facteurs de risque génétiques

• Rarement (<1%), complication d’une maladie monogénique du tissue conjonctif Sur 1,934 patients avec DAC (CADISP-plus)

– Vascular Ehlers-Danlos syndrome (COL3A1) – 2

– Classic / Hypermobile Ehlers-Danlos syndrome (COL5A1, COL5A1, ?) - 2

– Marfan syndrome (FBN1) - 1

– Osteogenesis Imperfecta (COL1A1, COL1A2) - 1

– Loeys-Dietz syndrome (TGFBR1, TGFBR2)

Mutations à pénétrance incomplète seraient-elles plus fréquentes?

– Signes discrets de fragilité du tissu conjonctif sont fréquents chez patients atteints de DAC

– 3% de 56 pts avec DAC: mutations TGFBR2 (pas critères syn Loeys-Dietz)

Frank, EJHG 2015 Debette, Neurology 2014

Giossi, Neurology 2014 Debette & Markus, Stroke 2009; Grond-Ginsbach & Debette, Curr Mol Med 2009; Pepin, NEJM 2000

• ATCD familiaux de DAC < 2.5% dans séries publiées

Sur 1,934 patients consécutifs avec DAC (CADISP-plus):

– 20 patients (1.0%, 95%CI[0.6-1.5%])

– de 17 familles (0.9% [0.5-1.3%]) avaient un ATCD familial de DAC

• Dans majorité des cas, DAC sont sporadiques

Variants génétiques ↑ risque de DAC dans le cadre d’une predisposition multifactorielle

Etudes d’association génétique sur gènes candidats ont conduit à peu de résultats positifs, non répliqués

Consortium CADISP GWAS de DAC (HapMap2, 2.5M variants)

Debette, Goeggel-Simonetti, et al., Neurology 2014

Debette & Markus, Stroke 2009; Schievink, Stroke 1996

Facteurs de risque génétiques

1,393 patients avec DAC recrutés pour le GWAS

CADISP-1: 942 patients / 9,259 témoins

CADISP-2: 451 patients / 5,157 témoins

CADISP (www.cadisp.com) Cervical Artery Dissections and Ischemic Stroke Patients

Debette, Int J Stroke 2009 Debette, Nat Genet 2015

14,416 témoins issus d’une banque de génotypes anonymisés au centre national de génotypage, appariés sur les cas pour l’origine géographique (basé sur distribution des "Eigenvectors")

Manhattan plot d’associations pan-génomiques avec les dissections artérielles cervicales

p = 5 x 10-8

Debette et al., Nat Genet 2015

GWAS meta-

analysis Follow-up

meta-analysis Overall meta-

analysis

(N=1,393/14,416) (N=659/2,648) (N=2,052/17,064)

SNP Chr Gene OR P-value OR P-value OR P-value

rs12402265 1 FGGY 1.23 6.12x10-6 1.21 0.012 1.23 2.30x10-7

rs6741522 2 ZNF804A 1.34 5.65x10-7 1.09 0.36 1.26 2.29x10-6

rs6820391 4 LNX1 1.23 6.35x10-6 1.28 9.28x10-4 1.24 2.36x10-8

rs9349379 6 PHACTR1 0.75 4.46x10-10 0.81 3.91x10-3 0.77 1.00x10-11

rs11172113 12 LRP1 0.78 4.22x10-8 0.93 0.34 0.82 3.03x10-7

rs1466535 12 LRP1 0.80 2.07x10-6 0.92 0.30 0.83 4.94x10-6

Association des SNPs les plus significatifs dans cohorte de réplication (N=659 patients supplémentaires, N=2,648 témoins)

Locus PHACTR1 repliqué, pas LRP1 Association “suggestive” dans LNX1 repliquée, significative en “combiné“

Seuil de significativité pour réplication p < 5.00x10-3 Debette et al., Nat Genet 2015

Hétérogénéité en function du site de dissection dans GWAS: Association plus forte avec DAC carotide pour LRP1

SNP Chr Gene CeAD site p (het) OR 95% CI P-value

rs12402265 1 FGGY carotid 0.70 1.23 (1.10-1.38) 2.95x10-4

vertebral 1.27 (1.10-1.47) 1.36x10-3

rs6741522 2 ZNF804A carotid 0.64 1.37 (1.19-1.57) 1.17x10-5

vertebral 1.32 (1.10-1.60) 3.53x10-3

rs6820391 4 LNX1 carotid 0.038 1.30 (1.16-1.45) 3.88x10-6

vertebral 1.09 (0.94-1.26) 0.28

rs9349379 6 PHACTR1 carotid 0.52 0.76 (0.68-0.85) 1.27x10-6

vertebral 0.72 (0.62-0.84) 1.38x10-5

rs11172113 12 LRP1 carotid 0.061 0.74 (0.66-0.83) 1.14x10-7

vertebral 0.89 (0.77-1.03) 0.11

rs1466535 12 LRP1 carotid 6.49x10-3 0.73 (0.65-0.82) 2.50x10-7

vertebral 0.97 (0.84-1.12) 0.68

Analyses secondaires stratifiées sur le site de dissection (856 DAC carotide et 452 DAC vertébrale)

"Pléiotropie" avec autres maladies vasculaires et neurologiques

Debette, Nat Genet 2015; Bown, AJHG 2011; Bevan, Stroke 2012; Bellenguez, Nat Genet 2012 O’Donnell, Circulation 2011; Kathiresan, Nat Genet 2009; Deloukas, Nat Genet 2013

Chasman, Nat Genet 2011; Freilinger , Nat Genet 2012; Anttila, Nat Genet 2013

Dissection artérielle cervicale

Migraine (sans aura)

Infarctus du Myocarde Calcifications

Coronaires

Infarctus cérébral sur athérome

PHACTR1 (opposé) SLC5A3 (opposé) HDAC9 (opposé) CDKN2B-AS1 (idem)

PHACTR1 (idem) LRP1 (idem) FHL5 (idem)

PHACTR1 (opposé) HDAC9 (opposé)

PHACTR1 (opposé)

Anévrysme aorte abdominale

LRP1 (idem)

Dysplasie Fibromusculaire

PHACTR1 (idem) N Bouatia-Naji, AOS.03.01 Best of Basic Science Abstract

Locus “PHACTR1”: variant causal? gène causal?

Variant à risque rs9349379-G dans intron 3 est le variant le plus significativement associé à l’infarctus du myocarde après séquençage exons de PHACTR1

Beaudouin, ATVB 2015

Rs9349379-G (allèle à risque de l’IDM) associé à ↘ expression de PHACTR1 dans artères coronaires (allèle à risque DAC(A): ↗ expression)

Locus “PHACTR1”: variant causal? gène causal?

Variant à risque rs9349379-G dans intron 3 est le variant le plus significativement associé à l’infarctus du myocarde après séquençage exons de PHACTR1

Beaudouin, ATVB 2015

Rs9349379-G (allèle à risque de l’IDM) associé à ↘ expression de PHACTR1 dans artères coronaires (allèle à risque DAC(A): ↗ expression)

Site de fixation de "myocyte enhancer factor 2 " (MEF2)

Délétion par CRISPR/Cas9 englobant rs9349379 : ↘ expression PHACTR1 dans cellules endotheliales

PHACTR1 – fonction?

Rôle dans formation du “tube vasculaire” et la polymérisation de l’actine rôle dans angiogenèse?

Regulation de l’expression du gène α-actine (ratio squelettique vs. cardiaque) – réponse à distension mécanique cardiomyocytes

Modulation de l’expression de PHACTR1 par TGFβ et VEGF

PHACTR1 semble moduler l’expression de différents facteurs pro- et anti- athérogènes

Jarray, Biochimie 2015 Kelloniemi, Plos One 2015

Fils-Aimé, J Biol Chem 2013 Allain, Cell Signal 2012 Jarray, Boichimie 2011

Allen PNAS 2004

2008 2009 2012 Gretarsdottir Ann Neurol

Ikram NEJM

Bellenguez Nat Genet Traylor Lancet Neurol Holliday Nat Genet

NINJ2 PITX2

PITX2 ZFHX2 HDAC9 9p21 CDC5L Case-Control Longitudinal Case-Control

GWAS AVC publiés

PRKCH

2008

Case-Control

Kubo Nat Genet 2,608 gene- based tag SNPs

2014 Traylor Plos Genet Age-informed GWAS

Kilarski Neurology Immunochip

Woo AJHG Hemorrhage

Case-Control

Japanese Iceland European European European

MMP12 ALDH2 PMF1

2015 Carty Stroke

Case-Control

African-Amer. (Carty)

AQP9 HABP2 PHACTR1

Debette Nat Genet Dissection

Cheng Stroke, in press

AVC du jeune

2015-16 Pulit Lancet Neurol, in press

Malik Neurology,

minor revision

Chauhan submitted

TSPAN2 ABO XXX

European

Génétique des DAC: que reste-t-il à découvrir?

"Héritabilité" des DAC (% de variance expliquée par SNPs)

N total N CeAD Heritability V(G)/Vp_L 95% CI P-value I^2 (%) P (het)

All CeAD 14544 1393 0.450 0.371-0.529 8.75x10-29 0 0.66

Carotid CeAD 14005 856 0.572 0.291-0.853 6.53x10-5 64.9 0.058

Vertebral CeAD 13622 452 0.254 0.047-0.462 0.016 0 0.81

Groupe CADISP, données non publiées Bevan, Stroke 2012

"Héritabilité" des infarctus cérébraux (WTCCC2)

Méta-analyse de GWAS élargie

Ajouter nouveaux échantillons de cohortes nouvelles et existantes

Imputation en utilisant panels plus récents (1000G & autres)

Si possible approche transethnique (incl. Amérique latine, Asie…)

GWAS global et stratifié sur site (carotide ou vertébrale)

Identifier nouveaux variants à risque de DAC (global et par sous-type)

Analyse de pléiotropie avec autres traits (GWAS disponibles)

Migraine Dysplasie fibromusculaire Athérome Anévysmes

Comprendre gènes/voies biologiques partagées avec autres mal. Vasculaires

Perspectives (1)

Variants rares en utilisant séquençage nouvelle génération (WES, WGS) GWAS explore principalement variants fréquents

Variants rares pourraient contribuer à héritabilité maladies communes

Identifier nouveaux variants (potentielles cibles thérapeutiques)

Etudes familiales, séquençage (WES) dans rare formes familiales

Identifier gènes de formes rares voies biologiques importantes

Approches "multiomics", combinant information génomique et autres informations "omics" (epigénomique, transcriptomique…)

Comprendre gènes & voies biologiques causales révélés / GWAS

Etudes expérimentales sur modèles animaux pour explorer régions génome associées

Identifier fonction du gène causal

Perspectives (2)

www.cadisp.com

And more

…

International Stroke Genetics Consortium 30

www.strokegenetics.org

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