Genome-wide exploration of congenital anomalies of rare origin

Abstract

Titre : Exploration pangénomique des anomalies du développement de causes raresMots clés : anomalies du développement, séquençage d’exome, paratage de données, phénotypage inverseLes anomalies du développement sont un groupe de maladies hétérogènes, tant sur le plan clinique que moléculaire. Elles comprennent plus de 3.000 maladies monogéniques, mais seulement un tiers d’entre elles ont actuellement une cause moléculaire connue. Bien que les progrès des techniques de séquençage aient permis d’identifier des centaines de nouveaux gènes ces dernières années, de nombreux patients restent encore sans diagnostic. La grande hétérogénéité génétique de ces pathologies met à l’épreuve la démarche diagnostique classique comprenant une expertise clinique, une étude pan-génomique par puce à ADN et/ou l’analyse ciblée de gènes connus et, depuis peu, le séquençage haut débit d’exome ciblé sur les gènes associés à une pathologie humaine. En attendant que le séquençage du génome soit économiquement plus accessible et l’interprétaion des ses données mieux appréhendée pour une utilisation diagnostique, nous avons choisi d’explorer de nouvelles stratégies afin d’optimiser le séquençage d’exome dans l’identification de nouvelles bases moléculaires.Le premier article a pour objectif de démontrer la faisabilité et l’efficacité de la réanalyse annuelle des données de séquençage d’exome négatif dans un cadre diagnostique. Les patients éligibles à l’étude présentaient une anomalie du développement sans cause moléculaire établie après une démarche diagnostique classique incluant une analyse chromosomique sur puce à ADN et une analyse d’exome diagnostique. Cette première étude a permis de réaliser un nombre significatif de diagnostics supplémentaires, mais aussi d’identifier des variations candidates pour lesquelles nous avons utilisé le partage international de données et l’approche de phénotypage inverse pour établir des corrélations phénotype-génotype et des cohortes de réplication génotypique et/ou phénotypique. Ces stratégies nous ont permis de remplir les critères ACMG nécessaires pour établir la pathogénicité de ces variations.Fort de cette expérience et souhaitant aller plus loin dans l’identification de nouvelles bases moléculaires pour nos patients, nous avons poursuivi cet effort de réanalyse dans un cadre de recherche. Ce travail fait l’objet du second article de cette thèse et a conduit à l’identification de 17 nouveaux gènes d’anomalies du développement. Le partage de données a conduit à l’élaboration de nombreuses collaborations internationales et de plusieurs études fonctionnelles par des équipes spécialisées.L’application de ces outils dans une forme syndromique de déficience intellectuelle ultra-rare est illustrée à travers le troisieme article. Suite à un effort collaboratif important, nous avons pu décrire de manière précise le phénotype de 25 patients jamais rapportés dans la littérature porteurs de variations pathogènes au sein du gène TBR1, gène candidat dans les troubles du spectre autistique associés à une déficience intellectuelle.Ces différents travaux démontrent l’efficacité de stratégies innovantes dans l’identification de nouvelles bases moléculaires chez les patients atteints d’anomalies du développement, à savoir la réanalyse des données d’exome, le phénotypage inverse et le partage international de données. Pour les patients et leur famille, cela permet de comprendre l’origine de leur pathologie, de mettre fin à l’errance diagnostique, de préciser le pronostic et l’évolution développementale probable, et la mise en place d’une prise en charge adaptés. Il est aussi indispensable pour fournir un conseil génétique fiable, et éventuellement proposer un diagnostic prénatal voire pré-implantatoire. Pour les généticiens, cela permet la compréhension de nouveaux processus physiopathologiques, l’élaboration de nouveaux tests diagnostiques et la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques.Title : Genome-wide exploration of congenital anomalies of rare causesKey words : congenital anomalies, exome sequencing, data-sharing, reverse phenotypingCongenital anomalies are a group of diseases that are both clinically and molecularly heterogeneous. They include more than 3,000 monogenic diseases, but only a third of them have a known molecular cause. Although advances in sequencing techniques have identified hundreds of new genes in recent years, many patients remain undiagnosed. The vast genetic heterogeneity of these conditions challenges the conventional diagnostic approach that typically includes clinical expertise, a pan-genomic microarray study and/or targeted analysis of known genes and, recently, exome sequencing targeting the genes already associated with human disease. Until genome sequencing becomes more affordable and the interpretation of its data for diagnostic use is better perceived, we have chosen to explore new strategies to optimize the identification of new molecular bases through exome sequencing.The first article aimed to demonstrate the feasibility and effectiveness of annual reanalysis of negative exome sequencing data in a diagnostic setting. Patients eligible for the study had developmental anomalies, but no molecular cause was established after a standard diagnostic procedure including DNA chromosome analysis and diagnostic exome analysis. This first study yielded a significant number of additional diagnoses, but also identified candidate variants for which we used international data-sharing and reverse phenotyping to establish cohorts of genotypic and/or phenotypic replication and genotype-phenotype correlations. These strategies allowed us to meet the ACMG criteria necessary to establish the pathogenicity of these variants.With this experience, and because we wished to go further in identifying new molecular bases for our patients, we continued the reanalysis project within a research framework. This was the focus of the second article of this thesis. The reanalysis project led to the identification of 17 new genes associated with congenital anomalies. Data-sharing has led to the development of numerous international collaborations and functional studies carried out by specialized teams.The third article illustrated the application of these tools in a syndromic form of ultra-rare intellectual disability. Following a considerable collaborative effort, we were able to accurately describe the phenotype of 25 unreported patients in the literature with pathogenic variants in the TBR1 gene, a candidate gene in autism spectrum disorders associated to intellectual disability.These various studies demonstrate how innovative strategies can be effective for identifying new molecular bases in patients with congenital anomalies. These strategies include exome data reanalysis, reverse phenotyping, and international data-sharing. For patients and their families, knowing the molecular basis of the disease makes it possible to understand the origin of the condition and to put an end to diagnostic wandering. In addition, they are able to learn more about the prognosis and developmental progression, and they can obtain appropriate care management. This information is also essential for reliable genetic counseling, and may offer the possibility of prenatal or even pre-implantation diagnosis. These new diagnoses also give geneticists a chance to understand new physiopathological processes, to develop new diagnostic tests and even to discover new therapeutic targets