(CERTAINS) ASPECTS

GENETIQUES ET CYTOGENETIQUES

DE LA FERTILITE

Jean Pierre SIFFROI

Service de Génétique et d’Embryologie médicales

Hôpital Armand Trousseau, Paris.

jean-pierre.siffroi@trs.ap-hop-paris.fr

La recherche des causes génétiques d’une pathologie particulière

part toujours du phénotype des patients atteints

Signes cliniques

particuliers

Diagnostic de la

maladie

Identification du ou des

gènes responsables

Pour l’infertilité, la situation est plus difficile car de multiples causes

génétiques peuvent correspondre à une anomalie phénotypique identique

comme la diminution du nombre ou l’absence de spermatozoïdes

chez l’homme ou une IOP chez la femme.

Nécessité encore plus importante de réaliser un bilan clinique

et biologique méticuleux avant de lancer une étude génétique.

Pour ne parler que des causes génétiques d’infertilité

accessibles à un diagnostic et/ou présentant un risque

pour la descendance:

Chez l’homme, la recherche de ces causes génétiques d’infertilité

repose d’abord sur:

- un examen clinique rigoureux

- l’interprétation des données biologiques: spermogramme,

biochimie séminale, dosages hormonaux, etc…

- l’étude de l’arbre généalogique

Infertilité de nature

obstructive

Infertilité de nature

non obstructive

Absence congénitale

bilatérale des canaux

déférents

(cf cours suivant)

Idiopathique? Non

idiopathique?

Cause

chromosomique?

Délétion

de l’Y?Syndrome

particulier:

modèles animaux

Chez la femme, le point de départ de la recherche

des causes génétiques d’infertilité repose souvent sur

des anomalies menstruelles

Aménorrhée primaire Aménorrhée secondaire

IOP(et, à la limite, femmes

hypofertiles, à FSH un

peu élevée ou mauvaises

répondeuses en FIV)

Dysgénésies gonadiques(Turner et variants,

femmes XY SRY-,

certains hypogonadismes

hypogonadotropes, ….)

Anomalies du tractus

génital (MRKH,

certaines réversions sexuelles, …)

et l’étude de l’arbre généalogique

Insuffisances ovariennes précoces (IOP)

Aménorrhée depuis plus de 6 mois

Gonadotrophines: FSH > 40mUI/ml

Survenue avant 40 ans (notion arbitraire)

Faddy 2000 Mol Cell Endocrinol 163; 43-8

L’IOP touche 2% à 3% des femmes et dans 90% des cas, l’étiologie reste inconnue.

Par contre, dans 15% à 20% des cas, on retrouve un contexte familial

Autosomes

� FSHR

� FOXL2

� GDF9

� ATM

� AIRE

� NOBOX

� GALT

� EIF2B

� NSB1

� DMC1

� Parathyroid responsive B1 gene

� FIGLA

� Progesterone receptor membrane component-1

� HARS2

� SF1

Chromosome X

� triple X

� Monosomie X

� Mosaïque X/XX

� Délétions X

� Translocations X-autosome

� FMR1

� BMP15

Xq13-21

Xq 22-26

Recherche des régions du génome impliquées:

exemple du chromosome X

A côté des anomalies de structure de l’X,

il existe également des gènes candidats

Gène FMR1

Zone de répétition CGG

Normal: 40- 50

répétitions

Prémutation: 60-200

répétitions

Gène FMR1 inactivéPassage à une mutation complète (>200)

obligatoire dès 70-80 répétitions

à travers une méïose féminine:

méthylation anormale de la région et

inactivation du gène FMR1

Prémutation: 60-200

répétitions

20% des femmes avec une prémutation ont une IOP

3% des cas sporadiques d’IOP ont une prémutation

et une femme sur 350 dans la population générale est pré-mutée

Attention lors de la prise en charge

de ces femmes en AMP:

DPN voire DPI

Syndrome BPES type I: IOP et blepharophimosis

Gène FOXL2 en

3q22-23

transmission

autosomique dominante

Surdité neurosensorielle et IOP: syndrome de Perrault?

Voies génitales masculines et azoospermie obstructive

Exemple de l’absence bilatérale congénitale des canaux déférents

ABCD

(CBAVD: Congenital Bilateral Absence of Vas Deferens)

Malformation pratiquement constante

dans la mucoviscidose (98% des cas)(atrésie secondaire et non pas agénésie)

Azoospermie, volume faible, pH acide

Diagnostic clinique et échographique

CBAVD = forme génitale de mucoviscidose ?

Recherche des mutations du gène CFTR positive dans environ

80% des cas de CBAVD (4% dans la population générale)(en l’absence d’anomalie rénale associée)

20% de doubles hétérozygotes

1 mutation grave + 1 mutation modérée

33% d’hétérozygotes simples + allèle 5T

1 mutation grave (classe I, II) + 5T

27% hétérozygote simple ou allèle 5T

20% sans mutation

absence de mutation ou

mutation non détectable ?

Facteurs de modulation de l’effet des mutations CFTR

Présence de l’allèle 5T

INTRON 7 INTRON 8

GTGTGTTTTTTTTTAACAG 9T

GTGTGTTTTTTTAACAG 7T

GTGTGTTTTTAACAG 5T

11%

84%

5%

Population

générale ~ 50%

des hommes

CBAVD ont

l’allèle 5T

EXON 7 EXON 8 EXON 9 EXON 10INTRON 9

Conséquences

EXON 8 EXON 9 EXON 10

EXON 7 EXON 8 EXON 10

Excision de l’exon 9

dans 90% des cas

Protéine tronquée

% d ’ARNm

CFTR normal

100%

10%

Normal

Phénotype

clinique

Génotype

PolyT Mutation CF

9T /9T

9T /7T

7T /7T

9T /5T

7T /5T

Mucoviscidose ±

CBAVD 5T / 7T + / CF classe I ou II

7T / 7T CF mineure / CF mineure

5T /5T

Mucoviscidose ++ CF / CF

Conséquences pour l’AMP:

calcul du risque résiduel de mucoviscidose pour un enfant à naître

C’est principalement le statut génétique de la conjointe

qui définit le risque

Quelle est la probabilité qu’elle soit quand même porteuse

d’une mutation du gène CFTR même si le dépistage

des principales mutations est négatif?

1/25 x (1 – sensibilité)

Dépistage des 30 mutations les plus fréquentes: sensibilité ~ au moins 80% pour la France

(86-90% en Bretagne)

1/25 x (1- 0,8) = 1/125

Si l’homme est hétérozygote et la femme négative,

le risque pour l’enfant est:

1 x 1/125 x 1/4 = 1/500

Soit x ~ 6 par rapport à la population générale non testée

Séquencer le gène CFTR pour:

-Trouver une 2eme mutation chez l’homme

-Détecter une mutation rare mais potentiellement grave chez la femme

? à discuter

Anomalies chromosomiques et spermatogenèse

Anomalies de structure

Translocations

Robertsoniennes

Translocations

réciproques

Inversions

Anomalies de nombre

Syndrome de

Klinefelter

Double Y

Marqueurs

chromosomiques

Syndrome de Klinefelter

Syndrome de Klinefelter en

mosaïque 47, XXY/46, XY

Syndrome de Klinefelter homogène

47, XXY

Azoospermie Oligozoospermie

Risque pour la

descendance?

IAD

Biopsie testiculaire

IAD

Positive

Négative

ICSI

Fécondité naturelle?

Ségrégation théorique des gonosomes

dans les gamètes

X X Y

X X Y XX XY XY

2 fois plus de spz 23, X que de 23, Y

Autant de formes normales que de disomiques

Formes disomiques 24, XY > 24, XX

Y

18

X

En fait, les formes disomiques

ne dépassent pas les quelques %

et des spz 24, YY sont retrouvés

(erreurs de méïose II)

Hypothèse de l’environnement testiculaire

23,X 23,Y

Spermatogonies XY

24,XY 22, /

Erreur en méiose I

24,XX24,YY

Erreur en méiose II

Variabilité inter-individus très probable

S’il existe une augmentation

des erreurs en méiose, cela peut toucher

n’importe quelle paire de chromosomes (21++)

Conduite à tenir pour la prise en charge

d’un sujet Klinefelter en AMP

Oligozoospermie

FISH sur spz possible

Azoospermie

BT et congélation des spz

Evaluation du risque

individuel

ICSI « à l’aveugle »

Proposition de DPN

voire de DPI ?

Translocations Robertsoniennes[ou fusion centrique entre 2 chromosomes acrocentriques (centromère à l’extrémité)]

Fréquence 8 à 10 plus grande chez les hommes infertiles

13;1413 14

Caryotype normal ou transloqué

équilibré

13;1413 14

Tri 13 Tri 14

Fausses couches ou polymalformés

Région d’asynapsis et

d’interaction possible

avec le corpuscule XY

Blocage en

méïose

Translocations réciproques

Caryotype normal ou

transloqué équilibré

ou

Région d’asynapsis

Association avec le corpuscule XY

Blocage en méïose par

extension de l’inactivation de l’X

aux segments autosomiques

Trisomies et monosomies

partielles pour les

segments transloqués

FCS ou polymalformés

ou

Anomalies chromosomiques et infertilité féminine

Corrélation moins nette

MAIS

facteur aggravant probable de l’infertilité d’un couple

Caryotype pour l’homme et la femme

candidats à l’ICSI ?

Etude Gekas et coll., Hum. Reprod., 2001, 16, 82-90

3208 caryotypes dont 1012 femmes

28 (2,77%) anomalies de nombre des gonosomes

14 (1,38%) translocations

7 (0,69%) inversions

Total : 4,84%

Plus de 2% d’anomalies de structure

(population générale ~ 1/500)

TranslocationRAS

Délai à la conception

peut-être allongé mais

pas d’infertilitéDg sur FCS ou naissance d’un enfant

porteur d’un syndrome chromosomique

TranslocationOATS

Infertilité de couple

Passage en ICSI

315 hommes avec un défaut de spermatogenèse inexpliqué

7 mutations faux-sens mais entraînant une diminution

de l’activité transcriptionnelle de NR5A1

Anomalies de la spermatogenèse et mutations géniques

La spermatogenèse est un phénomène séquentiel impliquant

un très grand nombre de gènes (+ de 1000 très probablement)

Toute mutation délétère interrompant le processus peut être à l’origine

d’une azoospermie ou d’une OATS

Peu de gènes ont cependant été décrits chez l’homme

Certaines tératozoospermies sont cependant spécifiquement associées

à des mutations dans des gènes précis

Le chromosome Y humain:

- seul chromosome constitutionnellement à l’état de monosomie

- petit chromosome: 2 à 3% du génome haploïde(difficulté d’analyse par les techniques cytogénétiques classiques)

- seul chromosome pour lequel la nullosomie est « viable »

45, X syndrome de Turner

Description par Tiepolo et Zuffardi (1976)

de chromosomes Y non fluorescents

chez 6 patients azoospermiques

le terme de facteur AZF (AZoospermia Factor) était né

A l’origine, l’Y était fluorescent!

11.111.1

11.2

11.2

12

11.3 PAR1 Région pseudo-autosomale 1

PAR2 Région pseudo-autosomale 2

Zone

Non recombinante

NRY

P

Q

Centromère

Hétérochromatine

Région

euchromatique

du bras long

Bras court

Anomalies de structure de l’Y visibles au caryotype et infertilité

Y

normal

P

Q

H

Délétion

Yq ter Iso Yp

Iso dic

Ypt(Y;A)

r(Y)

Infertilité par perte d’une partie

plus ou moins importante de la

partie proximale du bras long

(Facteur AZF)

Nature 2003, 423:825-37

Recombinaisons intra-chromosomiques très fréquentes

NRY (Non Recombining Y) devient MSY (Male Specific Y)

Particularité notable des régions « ampliconic »

= existence de 8 palindromes massifs couvrant 5,7 Mb, soit un quart de MSY

Identité bras à bras de 99,94% à 99,997%

Taille des bras de 9 kb à 1,45 Mb

Palindromes imparfaits: existence d’un segment central non dupliqué

Particularité notable des régions « ampliconic »

= existence de 8 palindromes massifs couvrant 5,7 Mb, soit un quart de MSY

Identité bras à bras de 99,94% à 99,997%

Taille des bras de 9 kb à 1,45 Mb

Palindromes imparfaits: existence d’un segment central non dupliqué

La plupart des gènes situés dans les amplicons

sont exprimés principalement ou exclusivement

dans le testicule

10% à 15% des hommes présentant

une azoospermie ou oligozoospermie

extrême de nature non obstructive

sont porteurs d’une délétion moléculaire

(le + souvent invisible au caryotype)

du bras long

Perte de gènes constituant le facteur AZF

Caractère non chevauchant

de ces microdélétions

3 loci AZF

AZFbintervalles 5-6

AZFcintervalle 6

AZFaintervalle 5

Pourquoi ces délétions sont-elles si fréquentes sur l’Y

et comment surviennent-elles?

Le chromosome Y est très riche en séquences répétées

(séquences Alu, rétrovirales, bras des palindromes, etc…)

qui ne demandent qu’à recombiner entre elles:

recombinaisons homologues

qui lorsqu’elles sont alléliques (même endroit sur le chromosome)

n’entraînent aucune modification

HERV15

HERV15

HERV15

HERV15

Phase G2-M: 2 chromatides soeurs

Exemple de la région AZFa bordée par des séquences d’origine rétrovirale

Pourquoi ces délétions sont-elles si fréquentes sur l’Y

et comment surviennent-elles?

Le chromosome Y est très riche en séquences répétées

(séquences Alu, rétrovirales, bras des palindromes, etc…)

qui ne demandent qu’à recombiner entre elles:

recombinaisons homologues

et qui lorsqu’elles sont ne sont pas alléliques

(NAHR: Non Allelic Homologous Recombination)

entraînent délétion et duplication

HERV15HERV15

HERV15 HERV15

HERV15

X

Nature Genetics, 2001, 29, 279-286

Des recombinaisons entre palindromes sont également

responsables des délétions AZFb et AZFb+c

P5/P1 proximal: AZFb

6,2 Mb

- 32 gènes

P5/P1 distal: AZFb+c

7,7 Mb

- 42 gènes

Les locus AZFb et c se chevauchent

P4/P1 distal: AZFb+c

7 Mb

- 38 gènes

Microdélétions et phénotype d’infertilité:

intérêt pour la prise en charge des patients

AZFa: sévérité du phénotype d’infertilité pour seulement 3 gènes dans la région

Lequel est responsable?

Délétion AZFa

complète: SCO

Biopsie

testiculaire inutile

USP9Y

DDX3Y

UTY

AZFa: sévérité du phénotype d’infertilité pour seulement 3 gènes dans la région

Lequel est responsable?

Mutation ou délétion ponctuelle:

de l’azoospermie par hypospermatogenèse

à l’oligozoospermie avec grossesses naturelles

Intérêt de la biopsie

USP9Y

DDX3Y

UTY

AZFa: sévérité du phénotype d’infertilité pour seulement 3 gènes dans la région

Lequel est responsable?

USP9Y

DDX3Y

UTY

Délétion partielle USP9Y + DDX3Y = SCO

?

Délétions ponctuelles:

SCO +++ ou oligozoospermie

extrême

Intérêt de la biopsie ±

Famille de gènes RBMY

(RNA Binding Motif Y)

L’absence de protéine RBMY s’accompagne d’un arrêt

de la maturation des cellules germinales au stade du début de la méiose

Biopsie testiculaire a priori inutile

mais il existe des cas de délétions AZFb (souvent partielles)

avec hypospermatogenèse majeure à la biopsie

AZFb

Les délétions de la région AZFc sont particulièrement monomorphes

Délétion AZFc ou

délétion b2b4

Mais le phénotype testiculaire associé est particulièrement variable(transmissions naturelles décrites)

Perte des 4 copies des gènes DAZ (Deleted in AZoospermia)

DAZ 1 et 2, DAZ 3 et 4

et des deux copies des gènes CDY1a et CDY1b

Les délétions classiques AZFa, b ou c restent toujours associées

à des troubles majeurs de la spermatogenèse.

Elles ne sont jamais retrouvées chez des hommes normospermiques

b2/b4 (classique AZFc)

b1/b3

gr/gr

3% de la population

Mais la structure palindromique de la région AZFc

laisse prévoir plusieurs autres types de délétions

b2/b3Polymorphisme

en Europe du Nord ?

Les délétions partielles gr-gr sont-elles des facteurs d’infertilité?

D2b

Repping et al., Nat Genet 2003, 35:247-251

Etude Tenon/Pasteur sur 192 patients

présentant une infertilité idiopathique

et 181 contrôles (165 fertiles et 16 normospermiques)

Patients: 4/192 (2.1%)

Contrôles: 6/181 (3.3%)

Etude complétée par l’analyse fine de la

structure de la région AZFc chez

364 patients infertiles

- 115 azoospermies

- 72 oligozoospermies sévères

- 159 oligozoospermies modérées

- 18 oligozoospermies moyennes

et 193 contrôles avec une fertilité

prouvée (84) ou normospermiques (109)

Origine ethnique variée

dans les deux populations

Fertil Steril 2009, 92;1924-1933

Toutes ces délétions partielles

sont retrouvées à la fois chez

des sujets infertiles mais aussi

chez des contrôles fertiles

Visser et al. Hum Reprod 2009; 24: 2667-73

Sans aller jusqu’à l’infertilité,

les délétions gr/gr entraînent

quand même:

- une diminution de la concentration

des spermatozoïdes

- une diminution du nombre total

de spermatozoïdes par éjaculat

- une diminution de la mobilité

*

* *

Les délétions gr/gr

prédisposeraient donc

à avoir un sperme de qualité moyenne

De par son impossibilité de recombiner avec le chromosome X,

l’Y accumule des variations et retrace l’histoire humaine

Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs): échange d’une paire de bases, évolution lente

Microsatellites: variations de taille, évolution rapide

Différentes familles de chromosomes Y à travers le monde (+ de 200)

Avec un tel polymorphisme,

que reste t-il des rapports entre anomalies de l’Y et infertilité masculine?

Les délétions classiques AZFa, b ou c restent toujours associées

à des troubles majeurs de la spermatogenèse.

Elles ne sont jamais retrouvées chez des hommes normospermiques

Actuellement, il n’est pas possible de dire si les délétions partielles

représentent des facteurs de prédisposition à l’infertilité, dont

l’expressivité dépendrait de l’haplogroupe de l’Y,

ou si elles sont de simples polymorphismes