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2002 > Gynécologie > génétique et médecine de la reproduction  Telecharger le PDF

Intérêt des nouveaux examens de génétique et de cytogénétique en médecine de la reproduction

M. Benkhalifa , A. Lemeur , M Nouchy , F Vialard et P. Clement

Introduction

Dans l'espèce humaine, les aberrations chromosomiques et les désordres géniques représentent la cause principale de perte fœtale ( Chard et al. 1991). Dans les produits de fausses couches de plus de 8 semaines, 50% sont chromosomiquement anormaux avec tous les types de trisomies. Il est a noté que l'on ne retrouve aucune monosomie chromosomique, mis à part le 45,X0 (Boué et al). On peux donc supposer que la monosomie est létale de façon beaucoup plus précoce. A l'inverse on ne retrouve que 5% d'anomalies chromosomiques chez les fœtus mort-né entre 28 semaines et l'accouchement, et 0,5% chez les nouveaux nés vivants (Jacobs et Al. 1990 ).

Une anomalie génétique est dite de novo ou héritée selon que l'un des parents a ou pas transmis l'anomalie. Si une grande partie des anomalies génétiques sont héritées, comme la mucoviscidose, il n'en est pas de même pour les anomalies chromosomiques. En effet pour la trisomie 21, dans 95% des cas celle-ci est de novo, le facteur de risque principal étant l'âge maternel. L'erreur a donc eu lieu durant la gamétogénèse. Globalement tous les types d'aneuploïdies sont dus à des anomalies chromosomiques qui peuvent être directement attribuées à l'ovocyte ou au spermatozoïde suite à une erreur se produisant lors de la première ou de la seconde division méiotique chez l'un ou l'autre parent. Il existe également de rares cas d'anomalies dites en mosaïques où l'anomalie est apparue durant les premières divisions du zygote ou alors sauvée par correction.

Nous aurons dans ces cas là 2 clones cellulaires différents avec un normal et un autre anormal (aneuploïde). L'origine des remaniements chromosomiques ou géniques peut être étudiée par comparaison des marqueurs génétiques chez les parents et chez le conceptus anormal. Jusqu'à une période récente les seuls marqueurs génétiques qui étaient disponibles, étaient le polymorphisme chromosomique et les caractères biochimiques exprimés dans les cellules en culture. Cependant les récents développement des techniques de cytogénétique et de biologie moléculaire ont permis de déterminer l'origine de nombreuses anomalies chromosomiques et des certains remaniements géniques.

Depuis une dizaine d'années, en dehors du rôle de l'endocrinologie, de l'immunologie et des maladies infectieuses, on commence à mieux comprendre le rôle fondamental des aberrations chromosomiques, des désordres géniques dans les pathologies de la reproduction et la contribution de ces désordres dans les échecs de techniques d'assistance médicale à la procréation. Dans cet article nous présentons une mise au point sur les anomalies chromosomiques de nombre et/ou de structure ainsi que sur les désordres géniques (amplifications, délétions ) observés chez des patients souffrant d'infertilité, de subfertilité ou d'autres troubles liés à l'axe reproductif.

Anomalies chromosomiques somatiques et germinales

Les recherches actuelles, en cytogénétique conventionnelle ou moléculaire, et les investigations menées depuis trente ans, démontrent l'association entre une anomalie chromosomique de structure ou de nombre sur le plan somatique ou germinal et l'infertilité en général, et plus particulièrement chez l'homme où le rôle de la vésicule sexuelle semble être primordial. En cytogénétique postnatal le caryotype somatique a démontré un pourcentage élevé d'anomalies chromosomiques chez les patients infertiles ou subfertiles par rapport à la population neo-natale. Aux Etats unis et en Europe, les registres montrent par exemple 42 fois plus de caryotypes 47,XXY (Klinefelter), 4 fois plus de caryotypes 47,XYY, 20 fois plus de caryotypes masculins 46,XX et 10 fois plus de caryotypes 46,X der(Y) chez les hommes qui consultent pour infertilité par rapport à la population générale. On retrouve également chez les couples infertiles 8 fois plus les translocations robertsoniennes, 4 fois plus de translocations réciproques, 5 fois plus d'inversions et 2 fois plus de marqueurs chromosomiques que dans la population générale.

Dans le laboratoire sur notre propre série d'étude portant sur 1040 caryotypes masculins, nous avons diagnostiqué 31 caryotypes anormaux ( 3%) soit 9 caryotypes 47,XXY et un 47,XYY pour les anomalies de nombre, 3 translocations Robertsoniennes, 7 translocations réciproques, 1 marqueur dérivé du chromosome 15 et 8 inversions pour les anomalies de structure. Enfin nous avons également retrouvé un homme 46 XX et un autre ayant une chimère non expliquée 46,XY/46,XX. L'analyse des 285 caryotypes féminins a révélé 3 caryotypes anormaux (1%) : 1 translocation robertsonnienne, 1 translocation réciproque et 1 inversion du chromosome 2 classiquement considérée comme anodine.

Chez l'homme

Plusieurs anomalies chromosomiques peuvent être associées à la défaillance de la spermatogenèse.

  • Les translocations réciproques gonosome/autosome. Chez l'homme et chez d'autres espèces, ce type de translocation peut bloquer la production de spermatozoïdes au stade métaphase de la première méiose (Blindy, 1996) par absence de formation de la vésicule sexuelle.
  • Les translocations entre autosomes peuvent bloquer la spermatogenèse et aboutir parfois à une azoospermie, mais les stades d'arrêt de la spermatogenèse varient d'une translocation à une autre (Roest et al. , 1996). Il a été montré une interaction, au stade du pachytène, du quadrivalent issu de la translocation et de la vésicule sexuelle.
  • Enfin on constate que les chromosomes acrocentriques sont souvent impliqués dans les remaniements chromosomiques chez l'homme infertile ( Baker et al., 1995) et plus particulièrement dans les translocations robertsoniennes dont l'effet est variable sur la spermatogenèse et la production de spermatozoïdes d'un patient à l'autre (Lilford et al.,1994).
  • Les chromosomes en anneaux peuvent être associés aussi à l'infertilité chez l'homme à cause de la non-disjonction complète du chromosome concerné durant la prophase méiotique.
  • Les marqueurs : Il a été observé chez la souris que la spermatogenèse peut être perturbée par l'implication du marqueur dans la vésicule sexuelle au cours de la prophase méiotique, en bloquant la maturation des spermatozoïdes (Pryor et al., 1997).
  • Les délétions du chromosome Y : Ces remaniements sont de novo et touchent tout le chromosome Y. Le premier remaniement identifié a été celui observé chez les femmes 46,XY et a permis d'identifier le gène SRY, gène essentiel du déterminisme masculin. En effet il existe sur les chromosomes X et Y, 2 régions pseudoautosomales permettant leur appariement durant la méiose : PAR1 en Xpter et Ypter et PAR2 en Xq27-28 et Yq11.22. Un crossing over obligatoire a lieu en PAR1, et parfois il y a débordement de celui-ci et une partie non homologue du Y va aller sur le X. Dans cette partie proche de PAR1 se trouve le gène SRY. On a donc pu expliquer 80% des hommes 46,XX et seulement 20% des femmes 46,XY par la découverte de cette translocation de SRY. On retrouve également toutes les délétions des régions AZF a, b, c et d.

Chez les femmes

  • Le syndrome de Turner est le plus fréquent, avec un tableau associant une aménorrhée primaire et une petite taille dans le cas d'un caryotype 45,X0 homogène. Ces patientes souffrent d'un hypogonadisme et d'une hypergonadotrophie qui finissent par réduire la réserve folliculaire avant la puberté. D'après la littérature 3% des femmes atteintes d'un syndrome de Turner pourrait avoir une courte période d'activité ovarienne normale. Ceci est probablement du à la présence d'un faible clone 46,XX. En effet il a été montré dans les mosaïques turneriennes franches (12%) un bref fonctionnement ovarien (Deziegler et al., 1989).
  • On retrouve aussi les délétions partielle du chromosome X responsables d'aménorrhée primaire.
  • Pour des patientes avec un caryotype 46,XX normal, présentant une aménorrhée primaire avec hypergonodotrophie, l'étiologie de leur échec ovarien peut être expliquée par une micro délétion du chromosome X, une maladie auto-immune ou une galactosémie.
  • Les patientes 46,XY : infertilité et risque de gonadoblastome.
  • Tous les types de translocations équilibrées sont à l'origine d'échec de la reproduction par création de gamètes déséquilibrés et donc responsables de fausses couches précoces et à répétitions.

Anomalies des gamètes et du zygote

Le développement des techniques de procréation médicalement assistée à ouvert une voie d'accès pour analyser les gamètes. Par fécondation hétéro spécifique homme/hamster on peut analyser le caryotype du spermatozoïde pour comprendre le profil de ségrégation d'une anomalie somatique durant la spermatogenèse et comprendre la contribution paternelle à la genèse d'embryon anormal. Grâce à l'hybridation in situ séquentielle et multifluorescente on peut analyser la non-disjonction d'un ou plusieurs chromosomes sur des spermatozoïdes après décondensation de l'ADN, sur des ovocytes et des zygotes bloqués après tentative de procréation médicalement assistée et sur des blastomères après biopsie embryonnaire ( cadre du DPI ).

D'après la littérature le pourcentage de spermatozoïdes anormaux se situe au environ de 13% après fécondation hétéro spécifique homme-hamster. Chaque type de translocation semble posséder son mode spécifique de ségrégation méiotique lors de la spermatogenèse. Le pouvoir fécondant d'un spermatozoïde ainsi que les critères morphologiques et cytologiques ne semblent pas systématiquement modifiés par la présence d'une anomalie chromosomique (Ben Khalifa et al., 1994 ; Martin et al.,1982) .

On estime la fréquence moyenne de la disomie à 0,4% par chromosome. Cette disomie peut varier de 0,1 à 1% et cela en fonction des patients et des chromosomes analysés (Martin et al. , 1997, Ben Khalifa et al., 1999, Blanco et al 2000 ). Grâce à l'hybridation in situ multifluorescente et à un modèle de calcul mathématique, on estime à 15% le risque de non disjonction chromosomique dans le sperme humain. Notre pratique de la FISH sur sperme, au sein du département de génétique, nous a permis de confirmer ces pourcentages de non disjonctions et de ségrégations des chromosomes au cours de la méiose spermatique.

L'analyse des ovocytes non clivés par cytogénétique classique et FISH (Fluorescent In Situ Hybridation) a montré que les aberrations chromosomiques de l'ovocyte varient de 20 à 59%, avec un dominance de l'hyperploïdie (Djalali et al.,1988; Martin et al., 1986; Ben Khalifa et al., 1996). Sur des ovocytes non segmentés après insémination Almeida et Bolton (1994) ont observé 29,5% d'immaturité cytoplasmique et 58,7% d'anomalies chromosomiques. Les analyses chromosomiques de blastomères après biopsie embryonnaire (DPI) chez les patientes avec plusieurs échecs d'implantation ont démontrées la contribution des aneuploïdies dans ces échecs. De même, les études des produits d'avortement ont montré un taux d'anomalies chromosomiques élevées ( chromosomes 13, 16, 18, 21, 22, X, et Y ) (Gianarolli et al 1998, 1999, Kahraman et al 2001)

Désordres géniques et gamétogenèses

Chez l'homme

Les anomalies génétiques en infertilité masculine peuvent être divisées en deux groupes selon le type de gènes impliqués : celui des gènes exprimés exclusivement dans les testicules et celui des gènes exprimés dans diffèrent tissus avec une voie d'expression spécifique dans le testicule.

  • Des mutations dans les gènes impliqués dans le cycle méiotique peuvent causer des aneuploïdies post-méiotiques au niveau des cellules germinales. Par exemple les protamines et les protéines de transition remplacent graduellement les histones dans le noyau du spermatide post-méiotique. Ce changement est un pré requis pour la compaction de la tête du spermatozoïde. Leurs mutations vont entraîner par conséquent une mauvaise formation de la tête spermatique. Le gène qui code pour la protamine est localisé en 6p13.3, et il est exprimé uniquement dans le spermatide (Hecht et al. , 1990). Il est intéressant de noter que le gène majeur codant pour les histones est au niveau du 6p21.1-p22.2 (Albig et al., 1993). Le gène histone (H1t) est transcrit uniquement dans le spermatocyte et il semble régulé par un promoteur spécifique de structure (Grimes et al., 1997).
  • Un autre groupe de gène a été identifié jouant un rôle important dans la spermatogenèse. C'est le groupe du gène de la pré proacrosine sur le 2q13-qter qui code pour l'acrosine considérée comme une protéase spécifique de lignées germinales (Adham et al. , 1989).
  • La déficience en selenoprotèine démontre un désordre de mobilité et une désorganisation mitochondriale du sperme. Le gène responsable de cette protéine est localisé sur le 1q21 et ne s'exprime qu'au niveau de l'épididyme (Wu et al., 1979, Aho et al., 1996).
  • Le groupe des P-Cyclines, gènes impliqués dans la régulation du cycle cellulaire, sont apparemment fonctionnels dans la spermatogenèse (Wolgemuth et al., 1995). Ce groupe de gènes est exprimé de façon dominante durant la prolifération et la différenciation des spermatogonies et des spermatocytes.
  • Les azoospermies obstructives, responsables de 7% des infertilités, peuvent être d'origine congénitales, acquises, ou encore inconnues. Parmi les causes congénitales, les mutations du gène de la dystrophie myotonique affectent à des degrés variables la fertilité masculine, celles du gène CFTR sont souvent associées à une aplasie bilatérale congénitale des canaux déférents. Dans notre série d'étude du gène CFTR nous avons retrouvé 6,5% de mutations chez 128 hommes analysés
  • On retrouve également des désordres de la mobilité des spermatozoïdes , de transmission autosomique récessive. Ce désordre associé à un situs inversus correspond au syndrome de Kartagenère
  • La majorité des gènes ayant un profil spécifique d'expression sur les cellules germinales masculines, ont été localisés sur le chromosome Y (Yq11), dans les régions AZF a, b, c et d. Parmi ces gènes localisés sur le chromosome Y quelques uns ont des homologues sur le chromosome X et sur des autosomes. Le gène DAZ (Deleted in Azoospermia) possède un gène homologue sur le chromosome 3 (Seboum et al., 1997). Les gènes RBM et DAZ codent pour une RNase Binding protéine spécifique au niveau du testicule. La protéine RBM est souvent présente dans le noyau des cellules germinales pré-méiotiques, mais est absente en cas de délétion de la région AZFb. La protéine DAZ est prédominante dans le cytoplasme des spermatides. En cas de délétion de l'AZFc, cette protéine est absente. Généralement la gravité de la défaillance de la spermatogenèse est lié directement au profil microdélétionnel de la région Yq11. Un gène homologue au DAZ a été localisé sur le chromosome 3 : DAZL1 (Seboun et al 1997). La deletion homozygote du DAZL1 perturbe la spermatogenèse au stade pré méiotique. La proteine est exprimée au niveau des spermatogonies et des spermatocytes (Ruggio et al 1997). Dorfman et al (1999) pensent que le DAZL1 peut être également un gène candidat pour expliquer certaines infertilités chez la femme. Dans notre série d'étude portant sur 19 marqueurs au niveau de la région Yq11, nous avons diagnostiqué 6,3% de patients avec simples ou multiples délétions sur 159 patients examinés. Les délétions touchent principalement les régions AZFa et b
  • Gènes de la voie métabolique de la testostérone : ils sont à l'origine de pathologie allant de l'inversion sexuelle complète à un trouble de la virilisation.
  • Enfin, différents syndromes sont associés à des hypogonadismes ou à des infertilités comme la dystrophie myotonique de Steinert, le syndrome de Prader-Willi, de Laurence-Moon avec un hypogonadisme secondaire causé par la défaillance de sécrétion de la GNRH par l'hypothalamus.

Chez la femme

  • L'insensibilité aux androgènes appelée communément " testicule féminisant " a été un des premiers syndromes de réversion sexuelle identifié. La femme est stérile, et la réversion est due à une absence de récepteur aux androgènes.
  • L'hyperplasie congénitale des surrénales implique des mutations dans les enzymes de la voie de la stéroïdogenèse. Un désordre génétique de la 21-hydroxydase, la 11-Oxy-hydroxylase et la 3-béta-hydroxysteroïde-déhydrogènase-isomèrase peuvent expliquer l'hyper production d'androgènes. La déficience du gène de la 21-hydroxylase localisé sur le chromosome 6 peut être responsable jusqu'à 4% de l'hyper androgénie chez la femme (Chantilis et al. , 1994).
  • La ménopause précoce (arrêt des règles avant 35 ans) peut être causée par une anomalie génétique liée à l'X. Deux loci ont été identifiés dans les POF (Premature Ovarian Failure) : le gène POF1 au niveau Xq21.3-q27 (Kraus et al. ,1987) et le gène POF2 localisé au niveau Xq13.3-q21.2 (Powell et al. , 1994). Le syndrome POF est lié a une délétion partielle des gènes POF 1 et POF 2.
  • Deux délétions au niveau Xq13-q21 et Xq26-q28 peuvent perturber la fonction ovarienne ( Tharapel et al 1993, Powell et al 1994). Powell suggère qu'en cas de délétion ou de translocations différents phénotypes d'échecs de développement ovarien peuvent être observés. D'après Therman et al (1990), une simple ou multiple délétion ( d'une base ou de triplet ) sur le chromosome X peut expliquer l'insuffisance de la fonction ovarienne. Il pense que la présence de gènes intacts sont nécessaires durant l'ovogenèse, surtout avant l'inactivation du X et durant la réactivation du X inactivé (Zinn et al 1992, Florin et al 2000).

Conclusion

Ces différentes données montrent que les études cytogénétiques et génétiques doivent faire partie des bilans d'exploration de l'infertilité humaine. Ces explorations doivent être suivies, dans certains cas, d'une consultation en conseil génétique pour les couples qui s'engagent dans le parcours de l'assistance médicale à la procréation. Dans notre pratique de diagnostic cytogénétique et génétique moléculaire dans le cadre de l'infertilité, les résultats observés sont concordants avec la littérature. Les taux observés sont d'environ 3% d'anomalies du caryotypes, 6% de micro délétions du chromosome Y et 6% d'anomalies du gène CFTR chez les hommes. Il est clair que les anomalies chromosomiques de nombres ou de structures peuvent affecter l'axe reproductif.

Le degré de gravité varie en fonction du chromosome impliqué et du pourcentage de la mosaïque. Chaque translocation réciproque a son propre profil de ségrégation durant la gamétogenèses. Une translocation réciproque peut produire de 20 à 80% de gamètes déséquilibrés par contre les translocations robertsoniennes produisent de 5 à 20% de gamètes non équilibrés. Il est important en AMP de pratiquer les techniques d'Hybridation in Situ Fluorescente sur les gamètes et les embryons bloqués après échec de tentative pour mieux comprendre la contribution paternelle et maternelle à la genèse d'embryons anormaux. En fonction d'une indication chromosomique ou génique le diagnostic génétique pré-implantatoire devient une alternative au diagnostic pré natal grâce à la fiabilité des techniques de multi FISH et de biologie moléculaire sur cellule unique. En infertilité masculine la relation entre le profil de micro délétion du chromosome Y et la perturbation de la spermatogenèse est clairement démontré.

Trois questions se posent toujours à ce sujet

1) quelle est la fréquence réelle de la micro délétion de l'Y chez l'homme infertile ?

2) quelle micro délétion est cliniquement significative ?

3) combien de marqueurs doit on analyser ? La situation reste inexpliquée pour les globo et nécrozoospermies, ainsi que pour le problème de l'empreinte génomique au cours de la gamétogenèse. D'autres analyses restent à mettre en place telles que l'exploration du gène récepteur aux androgènes, de la 5-alpha-reductase ou de l'analyse de l'ADN mitochondrial chez l'homme et la femme.

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