Translocations et inversions déséquilibrées simples (classes A et C) : mécanismes d’origine
Le résultat direct de cette étude est que dans 20 des 37 translocations déséquilibrées de novo, la duplication a une origine maternelle (figure 1, ressource en ligne 1 : tableau S2). Puisque la recherche de l’origine parentale n’était pas informative ou pas possible dans six cas (cas 7, 14, 23, 24, 33 et 35), les translocations déséquilibrées de novo où la région dupliquée est d’origine maternelle représentent 64,5% (20/31) des cas entièrement informatifs. En combinant ces données avec la découverte que dans huit de ces cas (cas 1, 2, 9, 11, 15, 19, 28 et 32), trois allèles (Fig. 1, Ressource en ligne 1 : Tableau S2), deux maternels et un paternel, étaient présents au moins dans une partie de la région de duplication, le scénario émergent est que dans pas moins de 25 % (8 sur 31), le principal moteur de l’apparition de translocations déséquilibrées de novo est une non-disjonction méiotique maternelle, suivie d’une trisomie partielle de sauvetage du chromosome maternel surnuméraire (Fig. 1a). L’explication la plus probable de la présence de trois allèles dans la région dupliquée, deux maternels et un paternel, serait la non-disjonction lors de la méiose I maternelle (mat-MI) (Fig. 1A.I). Alternativement, une recombinaison méiotique proximale ou au point de rupture de la translocation doit avoir précédé une non-disjonction à la méiose II maternelle (mat-MII). En revanche, dans les 12 cas (4-6, 10, 12, 13, 17, 22, 26, 30, 34 et 37) présentant le même haplotype maternel dupliqué, d’autres mécanismes ne peuvent être exclus (Fig. 1b), bien qu’ils puissent également résulter soit d’une non-disjonction mat-MI (Fig. 1A.I), après un crossing-over télomérique, selon l’occurrence préférentielle des crossing-over télomériques démontrée pour certains chromosomes non disjoints (Oliver et al. 2014) ou une non-disjonction MII maternelle (mat-MII) (Fig. 1A.II), comme rapporté dans un certain nombre de cas de sauvetage de trisomie (revu dans Chantot-Bastaraud et al. 2017).
Il est bien connu que le retard en anaphase du chromosome surnuméraire suivi de son piégeage au sein d’un micronoyau est à la base de nombreux événements de chromothripsis (Zhang et al. 2015 ; Ly et al. 2017 ; Zhu et al. 2018). Par conséquent, dans l’une des cellules filles, le chromosome surnuméraire est éliminé, tandis que dans l’autre, l’éclatement du matériel génomique du micronoyau, suivi du ré-emboîtement de tout ou partie des fragments à l’intérieur du noyau principal, peut entraîner une réorganisation massive du chromosome d’origine qui soit conserve la majeure partie de son matériel bien que réorganisé dans un nouvel ordre, soit perd certaines de ses portions (Fig. 1a), les portions du chromosome original surnuméraire qui sont perdues et celles qui sont préservées pourraient dépendre d’événements stochastiques, de la tendance des extrémités cassées à s’intégrer les unes aux autres ou à d’autres parties du génome, et/ou de la sélection ultérieure des cellules qui peuvent survivre et se multiplier en présence de déséquilibres segmentaires minimes. En théorie, les fragments centriques peuvent être préservés comme chromosomes marqueurs surnuméraires par leur circularisation avec formation de chromosomes en anneau, ce qui permet de surmonter l’absence de séquence télomérique aux deux extrémités. La préservation de fragments acentriques interstitiels surnuméraires nécessite la formation d’un néocentromère également ou, alternativement, la capture du fragment par un autre chromosome avec la formation d’une translocation insertionnelle de novo. En effet, Kato et al. (Kato et al. 2017) ont récemment rapporté un cas de translocation interstitielle de novo dérivée par chromothripsis d’un chromosome surnuméraire présent dans un zygote trisomique. Enfin, la préservation de fragments surnuméraires équipés d’un télomère à une extrémité nécessite soit une capture du télomère, par exemple un chromosome marqueur surnuméraire transloqué comme rapporté dans Vetro et al. (2012) (cas 2 et 3), soit sa capture par un autre chromosome, le receveur, qui perd sa portion distale formant ainsi une cellule à 46 chromosomes avec une translocation de novo déséquilibrée, comme décrit ici. En effet, le cas 6 avec la duplication du même haplotype maternel (Fig. 1, Ressource en ligne 1 : Tableau S2) illustre l’occurrence d’un événement de chromothripsie (Fig. 1a), comme le montre la présence de deux régions dupliquées non contiguës séparées par ~ 1,3 Mb dont la région interstitielle a une orientation inversée (Ressource en ligne 2 : Figure S15). Des événements de chromothripsis ont été observés dans un certain nombre de cas de translocations déséquilibrées de novo (Weckselblatt et al. 2015), et la plupart d’entre eux ont été signalés comme étant d’origine paternelle et impliquant plus de deux chromosomes (Marcozzi et al. 2018). En revanche, la translocation déséquilibrée dans notre cas 6 était d’origine maternelle et effectivement de novo, en accord avec les investigations FISH des métaphases parentales. De plus, du moins selon les investigations aCGH et FISH à haute résolution (1M), elle n’impliquait que deux chromosomes, tandis qu’un réarrangement plus complexe était exclu. Par conséquent, il est tentant de spéculer que le zygote ou l’embryon précoce était trisomique pour le chromosome 8 en raison d’une non-disjonction maternelle méiotique ou postzygotique. L’éclatement du chromosome 8 surnuméraire a été suivi par la récupération de seulement deux portions non contiguës, y compris la portion télomérique qui, lorsqu’elle a été recousue, a été acquise par le récepteur 18q (Fig. 1a).
Le modèle de formation des translocations déséquilibrées de novo, à partir d’un zygote trisomique, s’adapte également au cas 24, bien que nous n’ayons pas pu effectuer de recherche moléculaire de soutien. Cependant, la présence d’une lignée cellulaire résiduelle trisomique pour le chromosome 9, ainsi qu’une principale avec un caryotype normal et une troisième avec la translocation t(14;9) déséquilibrée, suggère comment, à partir d’un zygote trisomique, différentes lignées cellulaires peuvent être formées, certaines avec la perte totale du chromosome surnuméraire et d’autres avec la perte d’une partie de celui-ci (9p) et sa portion résiduelle (le 9q entier) capturée par un autre chromosome. Ce type de mosaïque à trois lignées cellulaires a rarement été documenté (Phillips et al. 1997), mais dans le diagnostic prénatal, les mosaïques avec une lignée cellulaire normale et une seconde avec une translocation déséquilibrée de novo sont relativement fréquentes et un âge maternel élevé peut être détecté dans la plupart d’entre elles (Kovaleva et Cotter 2017 ; Van Opstal et al. 2018).
Un soutien indépendant pour l’hypothèse selon laquelle la non-disjonction maternelle est un déclencheur principal des translocations déséquilibrées de novo, est un âge maternel accru. En effet, dans nos huit cas (cas 1, 2, 9, 11, 15, 19, 28 et 32), où la duplication était sans aucun doute liée à une non-disjonction méiotique maternelle (deux allèles maternels différents dans la région de duplication), une augmentation de l’âge maternel moyen a été documentée (34,75 ans, Ressource en ligne 1 : Tableau S1), en tenant compte du fait que l’âge maternel moyen en Italie en 2016 était de 31,8 ans (ISTAT, https://www.istat.it/). Une augmentation (33,5 ans) a également été reconnue dans les 12 cas (cas 4, 5, 6, 10, 12, 13, 17, 22, 26, 30, 34 et 37) avec duplication du même allèle maternel, compatible avec une non-disjonction maternelle comme événement initiateur. Même dans les cas où la duplication était paternelle, une augmentation, bien que beaucoup plus limitée, a été montrée dans l’âge maternel moyen (32,6 ans), indiquant peut-être que des mécanismes autres que la non-disjonction maternelle peuvent jouer un rôle dans la formation de ces translocations déséquilibrées. En effet, dans les quatre cas (3, 8, 29 et 36) analysés par SNP array, aucune hétéro-isodisomie maternelle n’était présente dans la partie non dupliquée des chromosomes homologues (Online Resource 1 : Table S2), comme on aurait pu s’y attendre pour un zygote trisomique dans lequel le chromosome paternel surnuméraire avait subi une chromothripsie avec le sauvetage de la seule partie télomérique. Ainsi, en prenant également en considération la fréquence négligeable de trisomie provenant d’une mauvaise ségrégation dans la méiose paternelle (Nagaoka et al. 2012), l’occurrence de translocations déséquilibrées déclenchées par le sauvetage trisomique partiel d’un zygote trisomique d’origine paternelle semble hautement improbable. Au contraire, d’autres mécanismes, tels qu’une rupture paternelle double brin héritée ou postzygotique nécessitant d’être réparée par capture des télomères, semblent plus plausibles (Fig. 1b). En effet, le cas 25 qui est une mosaïque de deux lignées cellulaires, présentes dans le sang et dans les fibroblastes, avec une délétion 2q terminale et un chromosome dérivé der(2)t(2q;14q) d’origine paternelle (Ressource en ligne 2:Figure S9), correspond à cette hypothèse. Ainsi, en présence d’une délétion terminale, différents mécanismes de réparation peuvent se produire à différents moments dans différentes cellules de l’embryon précoce, conduisant finalement à un état de mosaïque. Dans ce modèle, le chromosome délété est à l’origine de l’événement de translocation, agissant comme le receveur, tandis que le chromosome dupliqué est le donneur, opérant comme réparateur de lésions (Fig. 1b). Cependant, il n’est pas possible de discerner si la délétion est réellement le premier événement conduisant à la translocation ou si elle est plutôt secondaire à la formation d’un chromosome dicentrique (Fig. 1BIII et IV) qui, suite à sa rupture asymétrique, génère un chromosome del inv-dup et un autre simplement délété, ce dernier étant ensuite réparé par capture des télomères (Fig. 1b). Il est possible que la persistance du dicentrique au-delà des premières divisions embryonnaires entraîne une rupture de taille différente dans les différentes cellules, réparée à nouveau soit par la télomérase soit par la capture des télomères.
Remarquablement, quel que soit le mécanisme, une prévalence élevée de cas, où les deux déséquilibres ont la même origine parentale a été détectée (Fig. 1, Ressource en ligne 1 : Tableau S2), malgré une origine biparentale de la délétion et de la duplication serait attendue dans la moitié des cas, selon un événement final postzygotique. La démonstration d’une compartimentation distincte des deux jeux de chromosomes parentaux dans les embryons de souris jusqu’au stade de 8 cellules (Du et al. 2017) peut fournir une explication. Puisque cette période coïncide avec une instabilité chromosomique très élevée, (McCoy et al. 2017), il est tentant de spéculer qu’un mécanisme tel que la capture des télomères, nécessaire à la stabilisation d’une anomalie structurelle antérieure, se produit sur le même ensemble chromosomique parental de l’anomalie originale. En revanche, on s’attendrait à ce que d’autres réajustements ultérieurs se produisent de manière aléatoire, impliquant des chromosomes des deux origines parentales, ce qui conduirait à un chromosome transloqué déséquilibré d’origine biparentale, comme nous l’avons effectivement constaté dans cinq cas (cas 10, 12, 27, 30 et 31 ; figure 1, ressource en ligne 1 : tableau S2).
Comme pour les réarrangements de classe C, nous n’avons pas trouvé de particularité aux points de rupture de la jonction qui pourrait clarifier si leur stabilisation par la capture du télomère de la portion chromosomique opposée à celle supprimée est due à un mécanisme différent par rapport aux cas où la capture du télomère dépend d’un autre chromosome. Cependant, cette analyse n’a pu être faite que dans deux cas. La constatation que dans 4 des 5 cas, la délétion et la duplication étaient d’origine paternelle suggère qu’elles dérivent soit d’une délétion originale, soit de la cassure d’un chromosome dicentrique.
Translocations et inversions complexes déséquilibrées (classes B et D)
On s’accorde généralement à dire que ces réarrangements résultent par un dicentrique intermédiaire, après sa cassure asymétrique conduisant à un del inv-dup et un chromosome simplement délété (Fig. 1B.III). L’acquisition d’une séquence télomérique stabilisante peut se faire selon différentes modalités : ajout de séquences TTAGGG de novo médié par la télomérase, capture télomérique de la partie distale d’un autre chromosome (Yu et Graf 2010) ou de la partie opposée du même chromosome (Buysse et al. 2009 ; Fan et Siu et al. 2001), ou même formation d’un chromosome en anneau (Rossi et al. 2008). Les deux cas de del(8p) transloqués inv-dup que nous avons pu génotyper (cas 42 et 44) proviennent, comme prévu (Giglio et al. 2001), de la NAHR au niveau de mat-MI, comme le démontre la présence de deux allèles maternels et d’un allèle paternel dans la région de duplication 8p (Ressource en ligne 1 : Tableau S2). Cette recombinaison anormale récurrente est médiée par des duplications segmentaires hautement identiques situées à 8p23 au sein d’un chromosome 8 normal et d’un chromosome 8 inversé (Giglio et al. 2001). Dans le zygote, le chromosome dicentrique résultant subira probablement différents événements de rupture dans différentes cellules, conduisant parfois à une condition de mosaïque avec une lignée cellulaire del(8p) et une seconde avec le del(8p) inv-dup (Hand et al. 2010), ou dans des cas exceptionnels même une troisième avec le del(8p) inv-dup se terminant par la région distale d’un autre chromosome (Pramparo 2004). Ces mosaïques sont plus fréquemment détectées lors du diagnostic prénatal, alors que dans la vie postnatale, une seule lignée cellulaire avec le del(8p) inv-dup, transloqué ou non, est la découverte la plus fréquente, au moins dans le sang. Dans nos trois cas de translocation (cas 42, 43 et 44), les télomères ont été donnés par 6q, 17p et Xq, respectivement, tous d’origine maternelle, et avec le même haplotype de duplication des chromosomes maternels 6, 17 et X, comme prévu pour un événement de stabilisation qui s’est produit postzygotiquement. Dans les trois cas restants (cas 39, 40 et 45), qui, comme tous les réarrangements del inv-dup n’impliquant pas 8p, ne sont pas récurrents, l’inv-dup transloqué était d’origine paternelle avec des allèles paternels identiques dans la région de duplication, tandis que la capture des télomères était assurée par un chromosome dérivé paternel dans deux cas (cas 39 et 49, Ressource en ligne 2 : Figures S3, S4) et par un chromosome maternel dans le troisième cas (cas 45), un fœtus dans lequel le chromosome transloqué t(inv-dup5p;3q) était en mosaïque avec une lignée cellulaire contenant un del(5p) inv-dup non transloqué (Ressource en ligne 2 : Figure S12). Notamment, la duplication 5p est de taille différente dans les deux lignées cellulaires (Ressource en ligne 1 : Tableau S1), montrant ainsi que le chromosome dicentrique d’origine, vraisemblablement présent dans le zygote ou dans l’embryon très précoce (Fig. 1b), a subi différentes cassures dans les différentes cellules, au-delà de l’embryon au stade du clivage.
Des allèles dupliqués identiques ont été signalés de bonne foi dans tous les réarrangements del inv-dup n’impliquant pas 8p, indiquant ainsi une origine intrachromosomique de ces réarrangements (Hermetz et al. 2014). Par conséquent, ces réarrangements transloqués inv-dup semblent être le résultat final d’un événement mitotique initial, peut-être dans l’embryon précoce (Voet 2011), tel qu’une rupture double brin suivie d’un appariement intrastrand à des sites relativement proches de séquences homologues inversées, conduisant à la génération du chromosome dicentrique avec une région de copie normale interposée (Hermetz et al. 2014 ; Rowe et al. 2009). Comme déjà mentionné, le produit réciproque du del inv-dup, à savoir un chromosome délété, peut être réparé et stabilisé par la capture de la partie distale d’un chromosome non homologue, ou du bras opposé du même chromosome, résultant en une simple translocation ou inversion déséquilibrée, respectivement, comme nous le proposons pour certains des réarrangements énumérés dans les classes A et C (Fig. 1b).
Jonctions de point de rupture
Le séquençage de la jonction de translocation de point de rupture a pu être fait dans 26 cas (Ressource en ligne 1 : Tableau S1, Ressource en ligne 2 : Figure S1) bien que dans 4 cas la complexité cryptique (cas 4, 10, 28, et 51) ait empêché un séquençage fin. Les caractéristiques de la jonction alternative des extrémités non homologues (alt-NHEJ) ou de la réplication induite par les microhomologies (MMBIR) telles que les microhomologies et les petites insertions modélisées ou non modélisées ont été détectées dans 16 cas (cas 3, 5, 6, 7, 8, 9, 12, 18, 22, 27, 30, 39, 40, 44, 50 et 52) (Ressource en ligne 2 : Figure S1). De façon remarquable, bien que dans les cas 18 et 40, le réarrangement se soit produit au sein de séquences Alu, la présence d’une insertion courte de 5 pb et d’une microhomologie de 4 pb, respectivement, a montré que le réarrangement n’a pas accompli un mécanisme médié par la NAHR mais plutôt un alt-NHEJ ou MMBIR. La NHEJ canonique (c-NHEJ, jonctions à extrémités émoussées) s’est produite dans quatre cas (cas 26, 29, 31 et 43). Dans les cas 2 et 38, les jonctions de points de rupture se trouvaient au bord du rétrotransposon homologue (ressource en ligne 2 : figure S13). Ce résultat suggère que dans une minorité de cas, les mécanismes de réparation tels que la capture des télomères sont facilités par ces séquences. Bien que Robberecht et al. aient constaté que la plupart de leurs translocations déséquilibrées de novo étaient médiées par des NAHR entre des LINE, des HERV ou des duplications segmentaires (Robberecht et al. 2013), nous pouvons exclure un événement de NAHR au moins dans le cas 2, où la présence de deux haplotypes maternels dupliqués, l’un transloqué sur le chromosome receveur, indique clairement une non-disjonction mat-MI (Fig. 1, Ressource en ligne 1 : Tableau S2), ce qui rend impossible l’attribution de la translocation à un événement méiotique. En effet, il a été démontré que les événements de rétrotransposition médiée par LINE-1 se produisent dans les cellules somatiques de l’embryon humain précoce, dans les cellules souches embryonnaires humaines, et au moins chez les souris principalement dans l’embryogenèse (pour une revue Kazazian et Moran 2017), soutenant que dans nos cas, la formation de la translocation était également un événement postzygotique.
Combinées, ces caractéristiques indiquent que les mécanismes basés sur la réparation (c-NHEJ et alt-NHEJ) et les mécanismes de réparation réplicative (MMBIR) sont responsables de la jonction du chromosome donneur avec celui receveur, ou la portion opposée du même chromosome (Fig. 1).
Relation génotype-phénotype
Bien que les corrélations génotype-phénotype dans les grands réarrangements déséquilibrés, tels que ceux rapportés dans notre étude, soient en général assez grossières, les données que nous rapportons ajoutent quelques détails supplémentaires également dans ce contexte.
La forte évidence que certaines translocations déséquilibrées proviennent d’un zygote avec un chromosome surnuméraire qui subit un événement chromothriptique, suggère que la région de duplication, bien qu’apparemment composée uniquement de la région distale du chromosome chromothriptique, peut contenir des fragments d’autres portions, comme c’est le cas de notre cas 6 et comme le montrent Weckselblatt et al. (2015). Dans ces cas, si la taille des morceaux éclatés est inférieure à celle détectable par CGH en réseau, le risque est d’attribuer le phénotype anormal uniquement aux gènes qui apparaissent dupliqués ou supprimés, alors que la morbidité supplémentaire peut être due à l’expression anormale des gènes générée par la perturbation du TAD (Fukami et al. 2017).
En outre, dans les translocations déséquilibrées provenant d’un sauvetage de trisomie partielle, si la chromotripsie se produisait sur le chromosome surnuméraire d’origine paternelle, l’hétéro/isodisomie maternelle suivante pour les deux chromosomes restants pourrait générer une pathogénicité supplémentaire (Niida et al. 2018) soit en réduisant à l’état homozygote des variants pathogènes présents chez la mère à l’état hétérozygote, soit en raison de la présence de gènes imprimés qui sont exprimés par l’allèle paternel uniquement.
En guise de considération finale, il est tentant de spéculer que le choix du télomère capturé pour la stabilisation du chromosome brisé, peut ne pas être aléatoire mais influencé par la dérégulation des TADs (Topologically Associated Domains) d’origine, créant à son tour un substrat favorable aux contacts inter-chromosomiques spécifiques et à la compartimentation spatiale 3D de la chromatine (Dekker et Mirny et al. 2016).