Étude de l'impact des variants génétiques rares sur l'obésité monogénique

Obesity is a complex multifactorial disease with a strong genetic component. Unlike common obesity, which is a polygenic disease, monogenic forms of obesity are caused by a single rare genetic variant with a strong and deleterious effect. These monogenic forms are rare, early-onset and generally very severe, affecting around 5% of individuals with obesity. Most rare mutations associated with monogenic obesity are found in genes within the leptin-melanocortin pathway, which is crucial for the regulation of food intake. Identifying these genes is crucial for understanding the pathophysiology of obesity and developing new treatments.I initially studied rare heterozygous variants of the PCSK1 gene, which encodes the prohormone convertase 1 (PC1/3) enzyme. PC1/3 is involved in the leptin-melanocortin pathway. Biallelic mutations in PCSK1 cause early-onset obesity with severe endocrinopathy. Patients with PCSK1 deficiency (heterozygous or homozygous) can now be treated with setmelanotide injections to promote weight loss. However, the impact of rare heterozygous variants of PCSK1 on obesity and their relevance in precision medicine are still not well-defined. In the RaDiO study, which included 9,320 participants, 65 rare heterozygous variants of PCSK1 were identified and assessed in vitro. These variants were classified into five groups based on the severity of their impact on the enzymatic activity of PC1/3. Association analysis results revealed that rare variants inducing a complete loss of function significantly increased the risk of obesity and body mass index (BMI), whereas variants in other groups with partial or neutral effects on PC1/3 activity had no impact on adiposity. We observed that in silico prediction tools were unreliable in detecting mutations leading to a complete loss of function.Subsequently, I focused on rare variants of the DYRK1B gene. Although this gene is not directly involved in the leptin-melanocortin pathway, pathogenic variants of DYRK1B have been described in several patients with central obesity, type 2 diabetes (T2D), and coronary artery disease. However, the impact of rare DYRK1B variants has not been assessed on a large scale. In the RaDiO study, which included 9,353 participants, 65 rare variants in DYRK1B were detected. Following in vitro analysis of each variant, we identified 20 pathogenic or likely pathogenic variants (P/LP) according to the criteria of the American College of Medical Genetics and Genomics. Among these P/LP variants, six showed an effect leading to a complete loss of function of DYRK1B (P/LP-full). Association analyses showed that P/LP-full variants of DYRK1B were strongly associated with increased BMI and fasting glucose levels, as well as a heightened risk of obesity and T2D, whereas P/LP variants had only a modest effect on adiposity and no impact on glucose homeostasis.In conclusion, the use of functional genetics has demonstrated that only heterozygous variants of PCSK1 and DYRK1B with a complete loss of function cause monogenic obesity. For DYRK1B, obesity is additionally associated with T2D. These results underscore the critical significance of assessing the functional impact of mutations in vitro for genetic diagnosis and the potential selection of appropriate treatments. We have demonstrated that in silico prediction tests are currently not precise enough.L'obésité est une maladie multifactorielle complexe avec une forte composante génétique. Contrairement à l'obésité commune qui est une maladie polygénique, les formes d'obésité monogénique sont causées par un seul variant génétique rare avec un effet fort et délétère. Ces formes sont rares, précoces et généralement sévères, affectant environ 5% des individus atteints d'obésité. La plupart des mutations rares liées aux formes monogéniques de l'obésité ont été identifiées dans les gènes de la voie leptine-mélanocortine, qui est essentielle pour la régulation de la prise alimentaire. L'identification de ces gènes est cruciale dans la compréhension de la physiopathologie de l'obésité et l'élaboration de nouveaux traitements.J'ai tout d'abord étudié les variants rares hétérozygotes du gène PCSK1 qui code l'enzyme prohormone convertase 1 (PC1/3). PC1/3 est impliqué dans la voie leptine-mélanocortine. Les mutations bialléliques de PCSK1 causent une obésité précoce avec une endocrinopathie sévère. Les patients déficients en PCSK1 (hétérozygotes ou homozygotes) peuvent dorénavant être traités avec des injections de setmélanotide pour perdre du poids. Or l'impact des variants rares hétérozygotes de PCSK1 sur l'obésité, et leur pertinence en médecine de précision sont encore mal définis. Dans l'étude RaDiO incluant 9320 participants, 65 variants rares hétérozygotes de PCSK1 ont été identifiés et analysés in vitro. Ces variants ont été classés en cinq groupes suivant la sévérité de leur impact sur l'activité enzymatique de PC1/3. Les résultats d'analyses d'association ont révélé que les variants rares induisant une perte totale de fonction augmentaient fortement le risque d'obésité et l'indice de masse corporelle (IMC) alors que les variants des autres groupes avec un effet partiel ou neutre sur l'activité de PC1/3 n'avaient aucun effet sur l'adiposité. Nous avons observé que les outils de prédiction in silico étaient peu fiables pour détecter les mutations entraînant une perte totale de fonction.Dans un second temps, je me suis intéressée aux variants rares du gène DYRK1B. Bien que ce gène ne soit pas impliqué dans la voie leptine-mélanocortine, des variants pathogènes de DYRK1B ont été décrits chez plusieurs patients avec une obésité centrale, un diabète de type 2 (DT2) et une maladie des artères coronaires. Cependant, l'impact des variants rares de DYRK1B n'a pas été évalué à grande échelle. A partir de l'étude RaDiO incluant 9353 participants, 65 variants rares dans DYRK1B ont été détectés. Après une analyse in vitro de chaque variant, nous avons identifié 20 variants pathogènes ou probablement pathogènes (P/LP) d'après les critères de l'American College of Medical Genetics and Genomics. Parmi ces variants P/LP, six montraient un effet entrainant une perte totale de fonction de DYRK1B (P/LP-full). Les analyses d'association ont montré que les variants P/LP-full de DYRK1B étaient fortement associés à une augmentation de l'IMC et de la glycémie à jeun, et à un risque accru d'obésité et de DT2, alors que les variants P/LP n'avaient qu'un effet modeste sur l'adiposité et aucun impact sur l'homéostasie glucidique.En conclusion, l'utilisation de la génétique fonctionnelle a permis de mettre en évidence que seuls les variants hétérozygotes de PCSK1 et DYRK1B avec une perte de fonction totale causaient une obésité monogénique. Pour DYRK1B, l'obésité est en plus associée à un DT2. Ces résultats soulignent l'importance cruciale de déterminer in vitro l'impact fonctionnel des mutations en vue du diagnostic génétique et de l'éventuel choix d'un traitement approprié. Nous avons démontré que les tests de prédiction in silico ne sont pour l'heure pas assez précis

Study of the impact of rare genetic variants on monogenic obesity

L'obésité est une maladie multifactorielle complexe avec une forte composante génétique. Contrairement à l'obésité commune qui est une maladie polygénique, les formes d'obésité monogénique sont causées par un seul variant génétique rare avec un effet fort et délétère. Ces formes sont rares, précoces et généralement sévères, affectant environ 5% des individus atteints d'obésité. La plupart des mutations rares liées aux formes monogéniques de l'obésité ont été identifiées dans les gènes de la voie leptine-mélanocortine, qui est essentielle pour la régulation de la prise alimentaire. L'identification de ces gènes est cruciale dans la compréhension de la physiopathologie de l'obésité et l'élaboration de nouveaux traitements.J'ai tout d'abord étudié les variants rares hétérozygotes du gène PCSK1 qui code l'enzyme prohormone convertase 1 (PC1/3). PC1/3 est impliqué dans la voie leptine-mélanocortine. Les mutations bialléliques de PCSK1 causent une obésité précoce avec une endocrinopathie sévère. Les patients déficients en PCSK1 (hétérozygotes ou homozygotes) peuvent dorénavant être traités avec des injections de setmélanotide pour perdre du poids. Or l'impact des variants rares hétérozygotes de PCSK1 sur l'obésité, et leur pertinence en médecine de précision sont encore mal définis. Dans l'étude RaDiO incluant 9320 participants, 65 variants rares hétérozygotes de PCSK1 ont été identifiés et analysés in vitro. Ces variants ont été classés en cinq groupes suivant la sévérité de leur impact sur l'activité enzymatique de PC1/3. Les résultats d'analyses d'association ont révélé que les variants rares induisant une perte totale de fonction augmentaient fortement le risque d'obésité et l'indice de masse corporelle (IMC) alors que les variants des autres groupes avec un effet partiel ou neutre sur l'activité de PC1/3 n'avaient aucun effet sur l'adiposité. Nous avons observé que les outils de prédiction in silico étaient peu fiables pour détecter les mutations entraînant une perte totale de fonction.Dans un second temps, je me suis intéressée aux variants rares du gène DYRK1B. Bien que ce gène ne soit pas impliqué dans la voie leptine-mélanocortine, des variants pathogènes de DYRK1B ont été décrits chez plusieurs patients avec une obésité centrale, un diabète de type 2 (DT2) et une maladie des artères coronaires. Cependant, l'impact des variants rares de DYRK1B n'a pas été évalué à grande échelle. A partir de l'étude RaDiO incluant 9353 participants, 65 variants rares dans DYRK1B ont été détectés. Après une analyse in vitro de chaque variant, nous avons identifié 20 variants pathogènes ou probablement pathogènes (P/LP) d'après les critères de l'American College of Medical Genetics and Genomics. Parmi ces variants P/LP, six montraient un effet entrainant une perte totale de fonction de DYRK1B (P/LP-full). Les analyses d'association ont montré que les variants P/LP-full de DYRK1B étaient fortement associés à une augmentation de l'IMC et de la glycémie à jeun, et à un risque accru d'obésité et de DT2, alors que les variants P/LP n'avaient qu'un effet modeste sur l'adiposité et aucun impact sur l'homéostasie glucidique.En conclusion, l'utilisation de la génétique fonctionnelle a permis de mettre en évidence que seuls les variants hétérozygotes de PCSK1 et DYRK1B avec une perte de fonction totale causaient une obésité monogénique. Pour DYRK1B, l'obésité est en plus associée à un DT2. Ces résultats soulignent l'importance cruciale de déterminer in vitro l'impact fonctionnel des mutations en vue du diagnostic génétique et de l'éventuel choix d'un traitement approprié. Nous avons démontré que les tests de prédiction in silico ne sont pour l'heure pas assez précis.Obesity is a complex multifactorial disease with a strong genetic component. Unlike common obesity, which is a polygenic disease, monogenic forms of obesity are caused by a single rare genetic variant with a strong and deleterious effect. These monogenic forms are rare, early-onset and generally very severe, affecting around 5% of individuals with obesity. Most rare mutations associated with monogenic obesity are found in genes within the leptin-melanocortin pathway, which is crucial for the regulation of food intake. Identifying these genes is crucial for understanding the pathophysiology of obesity and developing new treatments.I initially studied rare heterozygous variants of the PCSK1 gene, which encodes the prohormone convertase 1 (PC1/3) enzyme. PC1/3 is involved in the leptin-melanocortin pathway. Biallelic mutations in PCSK1 cause early-onset obesity with severe endocrinopathy. Patients with PCSK1 deficiency (heterozygous or homozygous) can now be treated with setmelanotide injections to promote weight loss. However, the impact of rare heterozygous variants of PCSK1 on obesity and their relevance in precision medicine are still not well-defined. In the RaDiO study, which included 9,320 participants, 65 rare heterozygous variants of PCSK1 were identified and assessed in vitro. These variants were classified into five groups based on the severity of their impact on the enzymatic activity of PC1/3. Association analysis results revealed that rare variants inducing a complete loss of function significantly increased the risk of obesity and body mass index (BMI), whereas variants in other groups with partial or neutral effects on PC1/3 activity had no impact on adiposity. We observed that in silico prediction tools were unreliable in detecting mutations leading to a complete loss of function.Subsequently, I focused on rare variants of the DYRK1B gene. Although this gene is not directly involved in the leptin-melanocortin pathway, pathogenic variants of DYRK1B have been described in several patients with central obesity, type 2 diabetes (T2D), and coronary artery disease. However, the impact of rare DYRK1B variants has not been assessed on a large scale. In the RaDiO study, which included 9,353 participants, 65 rare variants in DYRK1B were detected. Following in vitro analysis of each variant, we identified 20 pathogenic or likely pathogenic variants (P/LP) according to the criteria of the American College of Medical Genetics and Genomics. Among these P/LP variants, six showed an effect leading to a complete loss of function of DYRK1B (P/LP-full). Association analyses showed that P/LP-full variants of DYRK1B were strongly associated with increased BMI and fasting glucose levels, as well as a heightened risk of obesity and T2D, whereas P/LP variants had only a modest effect on adiposity and no impact on glucose homeostasis.In conclusion, the use of functional genetics has demonstrated that only heterozygous variants of PCSK1 and DYRK1B with a complete loss of function cause monogenic obesity. For DYRK1B, obesity is additionally associated with T2D. These results underscore the critical significance of assessing the functional impact of mutations in vitro for genetic diagnosis and the potential selection of appropriate treatments. We have demonstrated that in silico prediction tests are currently not precise enough

Contribution of heterozygous PCSK1 variants to obesity and implications for precision medicine: a case-control study

International audienceBackground: Rare biallelic pathogenic mutations in PCSK1 (encoding proprotein convertase subtilisin/kexin type 1 [PC1/3]) cause early-onset obesity associated with various endocrinopathies. Setmelanotide has been approved for carriers of these biallelic mutations in the past 3 years. We aimed to perform a large-scale functional genomic study focusing on rare heterozygous variants of PCSK1 to decipher their putative impact on obesity risk. Methods: This case-control study included all participants with overweight and obesity (ie, cases) or healthy weight (ie, controls) from the RaDiO study of three community-based and one hospital-based cohort in France recruited between Jan 1, 1995, and Dec 31, 2000. In adults older than 18 years, healthy weight was defined as BMI of less than 25·0 kg/m2, overweight as 25·0–29·9 kg/m2, and obesity as 30·0 kg/m2 or higher. Participants with type 2 diabetes had fasting glucose of 7·0 mmol/L or higher or used treatment for hyperglycaemia (or both) and were negative for islet or insulin autoantibodies. Functional assessment of rare missense variants of PCSK1 was performed. Pathogenicity clusters of variants were determined with machine learning. The effect of each cluster of PCSK1 variants on obesity was assessed using the adjusted mixed-effects score test. Findings: All 13 coding exons of PCSK1 were sequenced in 9320 participants (including 7260 adults and 2060 children and adolescents) recruited from the RaDiO study. We detected 65 rare heterozygous PCSK1 variants, including four null variants and 61 missense variants that were analysed in vitro and clustered into five groups (A–E), according to enzymatic activity. Compared with the wild-type, 15 missense variants led to complete PC1/3 loss of function (group A; reference) and rare exome variant ensemble learner (REVEL) led to 15 (25%) false positives and four (7%) false negatives. Carrying complete loss-of-function or null PCSK1 variants was significantly associated with obesity (six [86%] of seven carriers vs 1518 [35%] of 4395 non-carriers; OR 9·3 [95% CI 1·5–177·4]; p=0·014) and higher BMI (32·0 kg/m2 [SD 9·3] in carriers vs 27·3 kg/m2 [6·5] in non-carriers; mean effect π 6·94 [SE 1·95]; p=0·00029). Clusters of PCSK1 variants with partial or neutral effect on PC1/3 activity did not have an effect on obesity or overweight and on BMI. Interpretation: Only carriers of heterozygous, null, or complete loss-of-function PCSK1 variants cause monogenic obesity and, therefore, might be eligible for setmelanotide. In silico tests were unable to accurately detect these variants, which suggests that in vitro assays are necessary to determine the variant pathogenicity for genetic diagnosis and precision medicine purposes. Funding: Agence Nationale de la Recherche, European Research Council, National Center for Precision Diabetic Medicine, European Regional Development Fund, Hauts-de-France Regional Council, and the European Metropolis of Lille