Génétique des Maladies Multifactorielles Stéphanie Debette MCU-PH Epidémiologie – Neurologie...

Gntique des Maladies Multifactorielles Stphanie Debette MCU-PH Epidmiologie Neurologie Lariboisire [email protected]

Approche pidmiologique Epidmiologie gntique = Branche de lpidmiologie qui tudie le rle de facteurs gntiques et de leur interaction avec des facteurs environnementaux dans la survenue de maladies Khoury et al., Fundamentals of Genetic Epidemiology, Oxford University Press 1993 Gntique des maladies multifactorielles

Physiopathologie: Meilleure comprhension des mcanismes molculaires conduisant la maladie Prdiction de risque: Identification de populations risque de dvelopper maladie, en fonction de patrimoine gntique Prvention cible (ou Mdecine personnalise ) Pharmacogntique: Identification de meilleurs rpondeurs traitement ou dindividus risque accru deffets secondaires Traitement personnalis McCarthy, Nat Rev Med 2008 Gntique des maladies multifactorielles: pourquoi?

McCarthy, Nat Rev Genet 2008 Epidemiologie gntique Physiopathologie Identification de facteurs de susceptibilit gntique Meilleure comprhension de biologie sous-jacente Nouvelles Cibles thrapeutiques BiomarqueursPrvention ex: monitorer volution maladie ex: mise en vidence FDR environnemental

McCarthy, Nat Rev Genet 2008 Identification de facteurs de susceptibilit gntique Meilleure comprhension de biologie sous-jacente Nouvelles Cibles thrapeutiques BiomarqueursPrvention ex: monitorer volution maladie ex: mise en vidence FDR environnemental Epidemiologie gntique Physiopathologie

Dcouverte gnes de susceptibilit maladie de Crohn a rvl rle central autophagie et exposition microbes intestinaux Yano & Kurata, Nat Immunol 2009 Nouvelles voies pour approches thrapeutiques Abraham, NEJM 2009; Feero, NEJM 2010 Exemple de la maladie de Crohn Gne NOD2: dtecteur intracellulaire de peptidoglycanes bactriens Gne ATG16L1: dirige composants intracellulaires (microbes) vers lysosomes Targeting the human microbiome with antibiotics, probiotics, and prebiotics: gastroenterology enters the metagenomics era. Preidis, Gastroenterology 2009

McCarthy, Nat Rev Genet 2008 Identification de facteurs de susceptibilit gntique Meilleure comprhension de biologie sous-jacente Nouvelles Cibles thrapeutiques Biomarqueurs Prvention ex: monitorer volution maladie ex: mise en vidence FDR environnemental Epidemiologie gntique Physiopathologie

Tabac risque de polyarthrite rhumatode de 1.5 en population gnrale, mais dun facteur > 20 si certains variants gntiques sur HLA et PTPN22 sont prsents! Identification de FDR environnementaux par la gntique Klareskog, Arthritis Rheum 2006 Amish porteurs de variant gntique sur gne FTO risque obsit sont protgs de obsit par activit physique Rampersaud, Arch Intern Med 2008; Kilpelinen, PLOS Med 2011

Cho & Gregersen, NEJM 2011 Ripatti, Lancet 2010 Epidemiologie gntique Prdiction de risque? Dcevant jusquici, car variants gntiques identifis jusquici = associs augmentation modeste de risque (OR < 1.5) Mme quand risque relatif plus lev, pour linstant pas dapplication clinique dans majorit des cas: Allle Epsilon4 de lApolipoprotine E pour maladie dAlzheimer Allles HLA pour maladies autoimmunes Combiner Diffrents variants gntiques ( scores de risque ) Variants gntiques + autres biomarqueurs (circulants, imagerie)

CYP2C19 = enzyme implique dans bioactivation du clopidogrel Allele CYP2C19*2 du variant gntique rs4244285 = associ risque dvnements cardiovasculaires Scott, Clin Pharmacol Ther 2011 Pharmacogntique, Exemple FDA / AHA: boxed warning , valuer au cas par cas Utilisation du Clopidogrel en fonction de gnotype rs4244285 CYP2C19 chez patients traits par angioplastie pour syndrome coronarien aigu

I.Maladies complexes/multifactorielles vs. mendliennes II.Etudes dassociation gntique vs. analyses de liaison III.Quelques rappels I.Variation gntique II.Equilibre de Hardy-Weinberg III.Dsquilibre de liaison IV.Etudes dassociation gntique (EAG) I.Etudes dassociation sur gnes candidats II.Etudes dassociation gntique pangnomiques V.Analyse et interprtation des EAG I.Tests multiples II.Htrognit de population III.Rplication VI.Caractrisation des signaux identifis, perspectives Gntique des maladies multifactorielles

Maladies mendliennes Maladies mendliennes (ou monogniques) = causes par mutation dans un seul gne Trois modes de transmission: Autosomique dominant Autosomique rcessif Rcessif li lX

Maladies complexes ou multifactorielles Maladies ayant de multiples facteurs de susceptibilit gntiques et facteurs de risque environnementaux Ne suit pas un mode de transmission mendlien Diffrentes faon de mesurer contribution de facteurs gntiques: Hritabilit: proportion de variance phnotypique due effets gntiques Risque de rcurrence: compare proportion dapparents de cas qui sont atteints par maladie versus proportion dindividus atteints en population gnrale

Analyses de liaison (familles): Examiner la co-transmission dune gnration lautre du phnotype et des allles de marqueurs gntiques Etudes dassociation gntique (population gnrale, cas/tmoins): Comparer frquence des variants gntiques, entre patients et tmoins Outils en pidmiologie gntique Courtesy Dr. Dupuis

Analyses de liaison (familles): Examiner la co-transmission dune gnration lautre du phnotype et des allles de marqueurs gntiques plus puissant pour maladies complexes Risch, Science 1996 Etudes dassociation gntique (population gnrale, cas/tmoins): Comparer frquence des variants gntiques, entre patients et tmoins Outils en pidmiologie gntique

A A/CTGT T C Copie 1 A A/CTGT T C Copie 2 1000 tmoins: CC : n= 10 AC : n= 180 AA : n= 810 1000 patients avec AVC: CC : n= 50 AC : n= 250 AA : n= 700 Single nucleotide polymorphism (SNP) Etudes dassociation gntique

Un allle est associ un phnotype si sa frquence diffre plus entre cas et tmoins que par le simple hasard. Cela nimplique PAS ncessairement un lien de causalit chromosome Phnotype A Variant gnotyp B Variant causal non observ Dsquilibre de liaison Association directe (non observe) Association indirecte (observe) Etudes dassociation gntique

Quelques chiffres ~3 milliards de paires de bases (nuclotides) dans squence dADN humain 20,000 25,000 gnes: 1.5% du gnome (reste contient ADN non-codant, dont introns et squences rgulatrices) Taille variable, de x100 bases > 2 millions de bases 99.9% de la squence dADN est identique dun individu lautre Portion variable fait la diffrence

Types de variation gntique Single Nucleotide Polymorphism (SNP) = polymorphisme mononuclotidique Variation individuelle dans squence nuclotidique Plusieurs millions de SNPs, frq >1% (

Exemples dhypothses a priori conduisant la slection dun gne candidat: Fonction du gne laisse supposer que pourrait tre impliqu dans physiopathologie maladie Etudes gne candidat AVC Debette & Seshadri, Circ Cardiovasc Genet 2009 GenesPolymorphismsOR (IC95%) PAI-1 (Plasminogen activator inhibitor 1) Catto, 1997rs1799768 (-668/4G>5G)NS Jood, 2005rs1799768NS CPB2 (Carbopeptidase B2, plasma = Thrombin-activable fibrinolysis inhibitor) Leebeek, 2005-438A>G, 505A>G,1040C>TNS Ladenvall, 2007rs3742264/rs7337140/rs9526136/rs1926447/rs940OR=2.5(1.4-4.4) PLAT (Plasminogen activator, tissue) Jood, 2005rs2020918NS Yamada, 2006rs2020918NS VKORC1 (vitamin K epoxide reductase complex, subunit 1) Wang, 2006rs2359612 (2255T>C)OR=1.8(1.3-2.3) Shen, 2007rs2359612OR=1.7(1.4-2.1) Gne de coagulation, hmostase

Choix des SNPs: 1-100 par gnes, en fonction de cot et taille gne SNPs indpendants si possible, i.e. pas en dsquilibre de liaison SNPs potentiellement fonctionnels: Codant non-synonyme Dans rgion rgulatrice (promoteur, 3UTR, site de fixation facteur transcription) Dans intron, site pissage Etudes gne candidat

Etudes dassociation gntique pangnomiques = GWAS (genome-wide association study) Gnotyper un trs grand nombre (500,000-5,000,000) de variants gntiques distribus sur lensemble des chromosomes PAS dhypothse a priori sur les loci dintrt Rcemment possible grce au projet HapMap et aux technologies de gnotypage haut dbit HapMap = projet international dcrivant les variations gntiques frquentes dans diffrents groupes ethniques Gnotypage automatis et rapide de milliers dchantillons, pour des x100,000 SNPs. Zeggini, Nature Genet 2005 Etudes dassociation gntique

Feero, NEJM 2010 Cration micropuce Hybridisation dADN marqu Dtection de fixation squence-spcifique Interpretation informatise

GWAS visant identifier FDR gntiques dAVC (accident vasculaire crbral) Population: 19,602 individus dorigine europenne Phnotype: AVC, 1,544 cas incidents SNPs: 2.5 Millions, sur les 22 autosomes GWAS prsentation rsultats Manhattan plot

GWAS visant identifier FDR gntiques dAVC (accident vasculaire crbral) Population: 19,602 individus dorigine europenne Phnotype: AVC, 1,544 cas incidents SNPs: 2.5 Millions, sur les 22 autosomes GWAS prsentation rsultats Manhattan plot p = 5 x10 -8 rs11833579 rs12425791 NINJ2 (chr12p13)

Ikram et al., NEJM 2009 GWAS prsentation rsultats Reprsentation rgionale des associations de SNPs avec AVC (chr 12p13)

Zondervan, Nature Protocols 2007 GWAS contraintes logistiques Trs grands effectifs ncessaires: > 1,000, voire > 10,000 Plus si variant rare Plus si risque relatif faible Gnes candidat (18 ou 11 SNPs) GWAS (500,000 ou 300,000 SNPs)

GWAS contraintes logistiques Supercalculateurs pour analyser donnes prestige des U.S.A et dAMD http://www.abysse-tech.com Nud de connexion, travail sur Unix

GWAS contraintes logistiques Cot encore levs: ~ 500 Euros pour gnotyper 1 SNP sur 2000 sujets ~ 400,000 Euros pour un GWAS sur 600,000 SNPs sur 2000 sujets ~ 800,000 Euros pour un GWAS sur 5,000,000 SNPs sur 2000 sujets

Gnes candidats Limite analyse rgions slectionnes sur donnes ou hypothses pralables Avantages: Cote moins cher Ncessite effectifs moindres Inconvnients: Ne permet pas de dcouvrir de nouveaux gnes, non suspects Rsultats trs dcevants en moyenne Genome-wide Analyse de variants rpartis sur lensemble du gnome, sans hypothse pralable Avantages: Permet de dcouvrir de nouveaux gnes (approche agnostique) Couvre mieux variation gntique A permis dcouverte x100 gnes Inconvnients: Ncessite trs grands effectifs (collaborations) Cot lev Infrastructure (supercalculateur) Etudes dassociation gntique

Tests multiples en tude dassociation gntique Multiples SNPs Dans un ou plusieurs gnes candidats Genome-wide (500,000 5,000,000 SNPs) Multiples phnotypes Comment en tenir compte dans interprtation rsultats? Tests multiples

H 0 : pas dassociation entre SNP et M Tests multiples Ralit DcisionH 0 fauxH 0 vrai Rejeter H 0 correctfaux positif Ne pas rejeter H 0 faux ngatifcorrect = probabilit derreur de type I = probabilit de rejeter H 0, alors que H 0 = vrai = probabilit de dclarer une association tort = seuil de significativit pour un seul test statistique ( = 0.05) = probabilit derreur de type II = probabilit de ne pas rejeter H 0, alors que H 0 = faux = probabilit de ne pas dtecter une association qui existe 1- = puissance du test

Correction de Bonferroni Si n tests: seuil de significativit = 0.05/n ou garder seuil 0.05 mais multiplier p par n Exemple Testp Test10.047 Test20.03 Test30.009 Test40.10 Test50.02

Correction de Bonferroni Si n tests: seuil de significativit = 0.05/n ou garder seuil 0.05 mais multiplier p par n Exemple Testp Test10.047 Test20.03 Test30.009 Test40.10 Test50.02 Surcorrige (conservateur) si tests ne sont pas indpendants, par exemple: SNPs en dsquilibre de liaison

En pratique Bonferroni Autres mthodes: False Discovery Rate, Permutations Dans GWAS, gnralement seuil fixe p=5x10 -8 Correspond ~ 1 Million de tests indpendants Reflte peu prs la ralit, quelque soit la densit des puces Pour populations europennes Tests multiples

Il faut tenir compte de la structure de la population Faux positifs (associations faussement significatives) si stratification de la population, i.e. si population contient plusieurs sous-populations diffrant par leur caractristiques gntiques, notamment frquences allliques Campbell, Nat Genet 2005 Htrognit ethnique

Population 1 Population 2 Allele 2 = 20% in cases and controls Allele 2 = 60% in cases and controls Population 1 + 2 Allele 2 = 33% in cases and 45% in controls! cases controls

Il est donc essentiel de choisir des tmoins de la mme origine ethnique que les cas autant que possible du mme pays, voire de la mme rgion Si diffrentes origines gographiques dans population tudie, on peut: stratifier lanalyse par origine gographique (i.e. par pays) effectuer une analyse groupe en corrigeant sur la stratification par des mthodes statistiques (contrle gnomique, composantes principales) Htrognit ethnique

Analyse en composantes principales = applique aux donnes GWAS (gnotypes pangnomiques) pour infrer des axes continus de variation gntique Price, Nat Genet 2006

Essentielle pour confirmer quune association est relle Importance dutiliser des chantillons de rplication indpendants Credibilit augmente quand groupes dinvestigateurs multiples Rplication +++ Ikram, NEJM 2009 Rplication dans article initial 652/3613 caucasiens 2430 personnes avec 215 AVC incidents afro-amricains Rplication dans tude asiatique 3784/3102 asiatiques Matsushita, J Hum Genet 2010

Essentielle pour confirmer quune association est relle Importance dutiliser des chantillons de rplication indpendants Crdibilit augmente quand groupes dinvestigateurs multiples Rplication +++ Ikram, NEJM 2009 Rplication dans article initial 652/3613 caucasiens 2430 personnes avec 215 AVC incidents afro-amricains Rplication dans tude asiatique 3784/3102 asiatiques Matsushita, J Hum Genet 2010 Rosand, NEJM 2010

Calcul deffectif ncessaire doit tenir compte du winners curse Ltude initiale tend typiquement surestimer la force de lassociation Mme groupe ethnique initialement Du fait de diffrences en frquence alllique, dsquilibre de liaison, force de lassociation Extension dautres groupes ethniques dans un 2 temps: Important pour la gnralisabilit des rsultats Permet daffiner le signal du fait de diffrences de dsquilibre de liaison, plus forte densit en SNPs... Rplication +++

Nature 2011; 475:163-165

Refining the signal Ioannidis, Nat Rev Genet 2009 Where is the causative variant?

Refining the signal Ioannidis, Nat Rev Genet 2009 Where is the causative variant? Resequencing and fine mapping around confirmed signals

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Refining the signal Ioannidis, Nat Rev Genet 2009 Where is the causative gene? Genome annotation Expression quantitative trait loci Experiments

En ~5 ans, GWAS ont identifi des centaines de nouveaux loci associ avec diverses maladies, avec rplication solide La plupart dans gnes pralablement non suspects Catalogue online (http://www.genome.gov/gwastudies ) 71 gnes pour maladie de Crohn Franke, Nat Genet 2010 38 gnes pour diabte de type 2 Voight, Nat Genet 2010 25 gnes pour maladie coronaire Shunkert, Nat Genet 2011 12 gnes pour Alzheimer Hollingworth, Nat Genet 2011 4 gnes pour AVC (problme htrognit) Succs et limites des GWAS

Published Genome-Wide Associations through 6/2010, 904 published GWA at p

Prdisposition gntique aux AVC ischmiques Risque de et susceptibilit aux Facteurs de risque traditionnels Influence mchanismes responsables des sous-types dAVC ischmique HTA Diabte Hyperchol Obesit Tabac Athrome Maladie petites artres Fibrillation auriculaire Dissection Predispose to arterial thrombosis Module tolrance ischmie crbrale ? NINJ2 PITX2, ZFHX2 9p21, HDAC9 ? Other Gretarsdottir, Ann Neurol 2008 Bellenguez, Nat Genet 2012 Traylor, Lancet Neurol 2012 Ikram, NEJM 2009

En ~5 ans, GWAS ont identifi des centaines de nouveaux loci associ avec diverses maladies, avec rplication solide La plupart dans gnes pralablement non suspects Catalogue online (http://www.genome.gov/gwastudies ) 71 gnes pour maladie de Crohn 23% hritabilit 38 gnes pour diabte de type 2 10% hritabilit 25 gnes pour maladie coronaire 10% heritabilit 12 gnes pour Alzheimer 4 gnes pour AVC (problme htrognit) Succs et limites des GWAS

Variants rares 1000 gnome Squenage exons / genome entier (ESP-GO, CHARGE-S) Exome chip Copy number variants Segments dADN prsents en nombre variable de copies Modifications pigntiques Modulent emballage ADN dans noyau et influencent expression ADN mitochondrial Perspectives Au-del du GWAS

Merci pour votre attention!

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