Mosaïcisme génétique, chromosomique et cellulaire

Introduction

Le mosaïcisme génétique est défini comme la présence de deux ou plusieurs lignées cellulaires avec des génotypes différents provenant d'un seul zygote chez un seul individu. En revanche, si des lignées cellulaires distinctes proviennent de différents zygotes, le terme est désormais connu sous le nom de chimérisme.

Le mosaïcisme génétique est une mutation postzygotique. 

Étant donné qu'un être humain adulte nécessite d'innombrables divisions cellulaires pour son développement (environ 10¹⁶, soit pratiquement 10 000 000 000 000 000 mitoses) et que chaque division cellulaire comporte un risque d'erreur génétique, chaque personne possède au moins une cellule génotypiquement distincte dans son corps ; chaque individu est donc une mosaïque. De plus, il est probable que toutes les cellules de chaque être humain comportent de nombreuses mutations qui pourraient potentiellement expliquer toutes les maladies génétiques humaines. Néanmoins, seul un minimum de ces événements mutationnels affecte le bien-être de l'individu, tandis que la plupart sont phénotypiquement silencieux (c'est-à-dire que les mutations ne sont pas pertinentes pour la fonction cellulaire, les cellules mutantes sont éliminées par apoptose). Le mosaïcisme semble être responsable d'un nombre énorme de pathologies, allant des anomalies chromosomiques, comme le syndrome de Turner, à une myriade de cancers. Les tumeurs bénignes et malignes constituent toutes deux la preuve du mosaïcisme somatique dans le corps humain. 

Mosaïcisme lors du développement embryonnaire

Chez l'homme, un zygote se forme à partir de la fusion d'un spermatozoïde (23 chromosomes) et d'un ovule (23 chromosomes), le zygote se divise par mitose pour former le corps humain entier. Idéalement, tous les descendants du zygote doivent avoir un génome identique, mais ce n'est pas toujours le cas. Le mosaïcisme se produit à l'une des étapes suivant la formation d'un zygote. 

Le mosaïcisme est essentiellement de deux types :

• Mosaïque somatique : 

Concerne plusieurs lignées cellulaires dans les cellules somatiques, bien que non transmis à la progéniture car les spermatozoïdes et les ovocytes (cellules germinales) ne sont pas affectés. Certaines études récentes montrent que la mosaïque somatique survenue au cours de la phase de préimplantation peut affecter à la fois les cellules somatiques et germinales de l'embryon. 

• Mosaïque germinale

Concerne plusieurs lignées cellulaires dans les cellules germinales qui sont transmises à la descendance. L'individu ne sera pas affecté si seules les cellules germinales sont mutées, mais la mosaïque peut aussi être transmise à la descendance et pourra l'affecter. 

Le mosaïcisme somatique ou constitutionnel se produit à un stade embryonnaire ou préembryonnaire et devient partie intégrante d'un organisme. À l'inverse, le mosaïcisme somatique résulte exclusivement de changements post-embryonnaires. Le mosaïcisme constitutionnel/somatique se produit en raison d'erreurs dans la ségrégation des chromosomes pendant la mitose ou la gamétogenèse. 

Les embryons en mosaïque peuvent être classés en trois groupes :

La mosaïque aneuploïde implique un mélange de génotypes aneuploïdes distincts dans un organisme dont la composition cellulaire entière est anormale.  Dans la mosaïque aneuploïde chromosomique, un chromosome entier est manquant (45 chromosomes au lieu de 46) ou un chromosome supplémentaire (47 chromosomes au lieu de 46) dans une cellule.

La mosaïque euploïde-aneuploïde se rapporte à un mélange de populations de cellules euploïdes et aneuploïdes chez un individu. Certaines cellules du corps sont aneuploïdes (45 ou 47 chromosomes), tandis que d'autres sont euploïdes (46 chromosomes). La gravité de l'état clinique dépend de la proportion de cellules euploïdes. Ce mosaïcisme est plus fréquent que chez les adultes, car l'embryon a plus de chances de survivre pendant la vie intra-utérine. 

Les mosaïques de ploïdie, communément appelées embryons mixoploïdes, impliquent une combinaison de différents multiples du nombre normal de chromosomes haploïdes.  Un ensemble complet de chromosomes se trouve dans une cellule (par exemple, triploïdie 69 chromosomes, tétraploïdie 92), les embryons avec une triploïdie prédominante ou une tétraploïdie ne survivent généralement pas. Les cellules triploïdes et tétraploïdes peuvent physiologiquement être trouvées dans les cellules du foie et de la moelle osseuse.  

La distribution et les résultats phénotypiques dépendent en grande partie du moment précis auquel la mutation se produit au cours du développement embryonnaire. Si une mutation survient pendant la mitose initiale après la fécondation, environ la moitié de toutes les cellules de l'individu porteront la nouvelle mutation, qui peut se manifester par une démarcation entre les tissus affectés et non affectés le long de la ligne médiane. De même, bien que le moment exact de la séparation gauche-droite chez l'homme soit inconnu, la mutation survenant après cette dissociation se manifeste par des cellules et des tissus affectés qui sont moins susceptibles de traverser la ligne médiane. Enfin, les mutations qui se produisent avant la différenciation des cellules germinales primordiales (environ avant 15 divisions mitotiques) peuvent être présentes à la fois dans les tissus somatiques et germinaux. Sinon, si elles émergent après cette période, les cellules anormales sont confinées aux lignées somatiques ou germinales. Par conséquent, établir le moment d'une mutation peut suggérer la proportion de cellules mutantes et, par conséquent, le risque potentiel de récurrence de la transmission de la même mutation à une progéniture supplémentaire. 

Mozaïcisme cellulaire

Sur la base des cellules affectées, le mosaïcisme peut être classé en deux types.

Mosaïque générale : Deux ou plusieurs lignées cellulaires sont présentes dans l'organisme entier. La mosaïque doit avoir été présente avant le début de la différenciation. La mosaïque générale peut également résulter d'une atteinte des cellules germinales paternelles (spermatozoïdes) et/ou maternelles (ovocytes). 

Mosaïcisme confiné : Dans le cas du mosaïcisme confiné, seules certaines parties du corps ou certains organes (par exemple, le cerveau, le cœur, le foie, etc.) sont affectés au lieu de l'organisme entier. Le mosaïcisme placentaire confiné peut se développer pendant l'organogenèse ou la croissance de l'organe. 

L'effet sur la cellule dépend du type de mutation du génotype ; des cellules ayant des génotypes différents peuvent avoir des structures identiques sans que la fonction en soit affectée. Cela peut se produire lorsque la variation du génotype se situe dans la zone récessive ou non expressive du chromosome. 

Le mosaïcisme est le résultat d'une altération génétique (variantes d'un seul nucléotide, aberrations chromosomiques, variations du nombre de copies, etc.) qui peut être présente dans les cellules germinales ou somatiques du corps. Le mosaïcisme peut provenir des cellules parentales ou être sporadique. Les tissus affectés par le mosaïcisme dépendent de la quantité et de la proportion des cellules affectées. Il peut être limité au tissu non gonadique, au tissu gonadique ou peut affecter tous les tissus du corps. 

L'expression phénotypique dépend du nombre de cellules affectées. L'expression phénotypique peut se produire pendant la vie intra-utérine, après la naissance ou même à la fin de la vie en fonction des facteurs déclencheurs. 

Aspect biochimique

Les mutations au niveau des gènes peuvent également entraîner un mosaïcisme par l'un des mécanismes suivants : un seul nucléotide change, une petite insertion ou suppression, une expansion et une contraction répétées de trinucléotides, une insertion d'élément mobile autonome, etc. 

Une mutation du chromosome ou du gène peut affecter l'expression biochimique de la cellule. Elle peut affecter la quantité et/ou la qualité de l'expression biochimique de la cellule. Par exemple, la production de protéine basique de la myéline (MBP) pour le nerf optique et la moelle épinière est affectée chez les souris femelles hétérozygotes pour (rsh) rumpshaker, une mutation liée au chromosome X.  La tétrasomie 3q26.32-q29 peut entraîner une hyperpigmentation.   Dans l'agammaglobulinémie liée au chromosome X, l'individu ne parvient pas à produire des plasmocytes et des anticorps. 

Certaines études ont rapporté un mosaïcisme de la trisomie 13 associé à une production réduite de mélanine (hypomélanose) par les cellules d'Ito. 

Niveau moléculaire

L'embryon précoce est sujet à des erreurs mitotiques dues à l'inactivation du génome au moment de la fécondation. Au cours des trois premières divisions cellulaires, l'embryon dépend des transcriptomes cytoplasmiques des ovocytes. L'activation du génome embryonnaire débute après la troisième étape de clivage ; même certains gènes codant des protéines essentielles à la division cellulaire ne s'expriment pas avant le stade blastocyste. En conséquence, la détection en laboratoire du mosaïcisme a été signalée comme étant élevée jusqu'à 70 et 90 % de tous les embryons au stade de clivage et au stade blastocyste issus de la fécondation in vitro, respectivement. 

Répercussions Fonctionnelles

Selon la population de cellules affectée, le mosaïcisme peut affecter la fonction. 

Le mosaïcisme peut s’exprimer en altérant les fonctions. En voici quelques exemples.

• La perte en mosaïque du chromosome Y dans les cellules sanguines augmente la morbidité et la mortalité chez les personnes âgées.
• Le syndrome de Klinefelter en mosaïque (46, XY/47, XXY) provoque une petite taille des testicules et une production réduite de testostérone par les gonades.  
• La fréquence du mosaïcisme de bas et de haut niveau joue un rôle dans la gravité du rétinoblastome sporadique et dans l'apparition du rétinoblastome. 
• Une variante mosaïque du gène SMC1A a été trouvée dans les cellules de la muqueuse buccale de patients atteints du syndrome de Cornelia de Lange (CdLS) cliniquement diagnostiqué. 

Dans certaines mosaïques, les fonctions ne sont pas affectées ; cela peut être dû à une mutation non expressive, à une mutation récessive ou à une faible quantité de cellules affectées. On peut le comprendre à l'aide de l'exemple d'une maladie récessive liée au chromosome X. 

Les troubles associés au chromosome X, comme le syndrome de Rett (mutation du gène MECp2), sont mortels pour les hommes, car ils n'ont qu'un seul chromosome X. Mais si l'homme est mosaïque pour le gène spécifique, cela signifie que plus un homme possède de cellules avec un chromosome X normal, plus il a de chances de survivre. 

Certains chercheurs suggèrent que le mosaïcisme pourrait être un mécanisme de survie protecteur potentiel. Étant donné que seules quelques aneuploïdies autosomiques et sexuelles sont compatibles avec la vie humaine (c.-à-d. la trisomie des chromosomes 13, 18, 21), une gamme plus large d'aneuploïdies a été décrite dans l'état de mosaïque. Par exemple, les trisomies en mosaïque rapportées dans la littérature incluent les chromosomes 8 (syndrome de Warkany), 14, 16 et 17. De plus, alors que la monosomie autosomique chez l'homme est considérée comme essentiellement mortelle, avec seulement quelques cas rapportés pour la monosomie 21, un état de mosaïque digne d'intérêt implique l'isochromosome 12p, également connu sous le nom de syndrome de Pallister-Killian. La survie est hypothétiquement possible en raison de la présence d'une proportion suffisante de cellules saines. 

Mécanisme

Le mosaïcisme somatique peut survenir à la suite de tout type de mutation, allant des anomalies chromosomiques aux altérations d'un seul nucléotide. Les aneuploïdies en mosaïque sont générées par deux mécanismes principaux : la non-disjonction mitotique post-zygotique ou le sauvetage de trisomie mitotique post-zygotique après une non-disjonction méiotique. Le second indique une tentative biologique de restaurer le nombre normal de chromosomes, ce que l'on appelle un sauvetage chromosomique. Ce mécanisme est obtenu par la perte d'un chromosome surnuméraire aléatoire dans une cellule somatique, rétablissant l'état euploïde. Néanmoins, le sauvetage chromosomique constitue un risque accru de disomie uniparentale, interférant ainsi avec l'empreinte génomique et augmentant la probabilité d'homozygotie pour une mutation récessive.  D'autres mécanismes pouvant provoquer un mosaïcisme comprennent le retard anaphasique et l'endoréplication. 

Contrôle et dépistage

L'identification des embryons en mosaïque est désormais possible jusqu'à 8 à 10 semaines de développement fœtal grâce au diagnostic prénatal. Les procédures les plus couramment pratiquées en pratique clinique comprennent l'amniocentèse et le prélèvement de villosités choriales, qui comportent tous deux leurs propres risques et avantages. 

Amniocentèse :  Le liquide amniotique de l'utérus est aspiré vers la 15e semaine de grossesse. L'amniocentèse réalisée avant la 15e semaine présente plus de risques d'endommager l'embryon. 

Échantillonnage des villosités choriales :  les cellules des villosités choriales sont aspirées au plus tôt à la 10e semaine pour l'analyse génétique. 

Le tissu embryonnaire n’est prélevé comme échantillon dans aucune des deux techniques ci-dessus. 

Plusieurs techniques ont été développées pour détecter le mosaïcisme et d’autres anomalies chromosomiques.

Caryotypage : La méthode la plus simple pour détecter différentes compositions génétiques chez un seul individu est l'analyse du caryotype. L'analyse cytogénétique est couramment utilisée dans la pratique clinique et permet d'évaluer le matériel génétique cellulaire (altérations numériques ou structurelles telles que les translocations et les délétions ou duplications importantes [> 5 Mb]). Cependant, cette approche ne permet d'effectuer un examen qu'au niveau chromosomique ; ainsi, de très faibles niveaux de mosaïcisme sont détectés. En revanche, l'hybridation in situ fluorescente (FISH) est une autre technique qui permet une analyse plus poussée des variations du nombre de copies plus petites (50 kb) dans un grand nombre de cellules en interphase. Par conséquent, le défi majeur reste le nombre de cellules visualisées, qui nécessite généralement un grand nombre de cellules, même avec des niveaux élevés de mosaïcisme. 

De plus, le séquençage Sanger offre la possibilité d'examiner un seul nucléotide et reste un outil de dépistage utile dans certaines institutions pour l'analyse de gènes spécifiques. Néanmoins, les anciennes méthodes sont progressivement remplacées par deux méthodes plus efficaces en termes de temps qui évaluent simultanément l'ensemble du génome cellulaire.  Ces approches comprennent le microarray (microréseau) chromosomique (CMA) et le séquençage de nouvelle génération (NGS).

Les microréseaux chromosomiques (CMA) peuvent identifier les variations du nombre de copies sans avoir la limitation de cellules cultivées à un stade spécifique du cycle. Les CMA peuvent être classés en matrices d'hybridation génomique comparative (aCGH) et en matrices de polymorphismes nucléotidiques simples (SNP). Des études antérieures suggèrent une capacité de détection du mosaïcisme à des niveaux de 10-20 % et 5 % pour l'aCGH et le SNP, respectivement. 

Le séquençage de nouvelle génération (NGS) distingue les petits changements génétiques tels que les insertions, les délétions et les variantes de nucléotides simples au sein d'un génome entier avec une profondeur de séquençage beaucoup plus élevée. Cet outil peut être utilisé pour l'identification du mosaïcisme car il permet une exploration manuelle de chaque scan.  Il est plus spécifique et permet d'identifier les mutations au niveau des nucléotides. Il est privilégié chez les adultes et les embryons préimplantatoires pour les techniques de procréation assistée. 

Physiopathologie

Une mutation au niveau du gène et/ou des chromosomes peut entraîner une instabilité chromosomique conduisant à des cellules avec des génotypes différents. Les aberrations chromosomiques en mosaïque conduisent à des phénotypes anormaux qui incluent également une production irrégulière ou altérée de protéines. 

Le phénotype altéré d’un groupe de cellules s’exprime également sous forme de manifestation clinique, ce qui peut être compris à l’aide des exemples suivants. 

• Une aberration chromosomique somatique joue un rôle dans la production d'une protéine précurseur de l'amyloïde qui peut affecter les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer. 
• Dans le syndrome de trisomie 21, une différence significative a été trouvée dans le quotient intellectuel entre un groupe sans mosaïcisme et un groupe avec mosaïcisme [les individus ont à la fois des lignées cellulaires trisomiques (47, XX, +21 ou 47, XY, +21) et euploïdes (46, XX ou 46, XY)]. 
• Chez les patients atteints du syndrome de Turner avec mosaïcisme, la perte du chromosome X peut avoir eu lieu lors de la division cellulaire des premiers stades embryonnaires. Il en résulte que certaines cellules n'ont qu'une seule copie du chromosome X (45, 21+X0), et que d'autres cellules ont deux copies du chromosome X (46, 21 + XX). Les individus atteints de mosaïque présentent des symptômes moins graves. 

En bref, une cascade peut être décrite comme suit dans le mosaïcisme somatique. 

• Un génome altéré pendant la mitose ou la méiose
• Cellules avec deux ou plusieurs types de génotypes
• La fonction de la cellule est affectée, par exemple dans la sécrétion d’une protéine, la production de l'hormone, etc. (par exemple, diminution de la production de testostérone dans le syndrome de Klinefelter).
• En fonction de la population des cellules affectées, la fonction tissulaire peut également se détériorer. Plus il y a de cellules avec un génome muté, plus la fonction est affectée. Par exemple, l'effet hormonal sur les organes dans le syndrome de Turner, et les cellules démyélinisées dans les maladies neurodégénératives.
• Expression sous forme de symptômes cliniques. Par exemple, faible quotient intellectuel dans le syndrome de Turner, démence dans la maladie d'Alzheimer, gynécomastie dans le syndrome de Klinefelter.
• Dans certains cas, les cellules mutées peuvent proliférer en raison du facteur déclenchant et conduire également à une affection maligne. Par exemple, mosaïcisme génomique somatique dans le myélome multiple, le carcinome ovarien.

Pour le mosaïcisme des cellules germinales : 

• Les cellules germinales mutent au cours de la méiose. Par exemple, certains spermatozoïdes avec 22, X0, certains spermatozoïdes avec 24, XXY. La personne atteinte ne présente aucun symptôme, mais la maladie est transmise à sa descendance.
• Les cellules germinales affectées fusionnent avec des cellules germinales normales/anormales. Par exemple, un spermatozoïde avec 22, X0 fusionne avec un ovocyte avec 23, XX et forment deux lignées de cellules somatiques (45, X0 et 46, XX)
• Maintenant, sur la base de la population de cellules somatiques anormales, la progéniture exprime des phénotypes comme dans le cas du mosaïcisme somatique. 

Importance clinique

Le mosaïcisme a des implications importantes pour le conseil génétique lorsqu'il est détecté dans les études de diagnostic prénatal.  La non-disjonction se produit plus fréquemment pendant l'ovogenèse que pendant la spermatogenèse. Le risque récurrent de mosaïcisme est inconnu ; le mosaïcisme gonadique doit être envisagé, en particulier dans les situations où un enfant présente une trisomie non mosaïque pour un chromosome spécifique. Le mosaïcisme germinal peut contribuer à l'agrégation familiale des individus affectés et établit une explication fondamentale de la récurrence de mutations rares au sein d'une même famille.  Étant donné que chaque chromosome affecté présente des manifestations cliniques distinctes, le conseil génétique dépend de la nature du mosaïcisme. 

Le mosaïcisme affecte les taux de survie des monosomies : chez l'homme, les monosomies sont mortelles, mais les monosomies en mosaïque (dans le cas où plus de 70 % des cellules ne sont pas des monosomes) peuvent survivre après la naissance. 

Le mosaïcisme conduit à une affection maligne : la perte progressive d'un génome humain spécifique est évidente avec le vieillissement ; cela conduit au mosaïcisme dans le tissu. Le tissu mosaïque peut également se transformer en tissu malin (par exemple, neurofibromatose). 

Les maladies monogéniques présentent également des relations avec le mosaïcisme :

• Mutation du gène de la fumarylacétoacétate hydrolase (FAH) conduisant à une tyrosinémie héréditaire de type 1 ; les cellules hépatiques du patient sont en mosaïque (certaines cellules sont normales, d'autres mutées).
•  Mutation du gène BLM ; le gène BLM code une enzyme hélicase d'ADN qui joue un rôle dans la réplication de l'ADN. La mutation entraîne le syndrome de Bloom caractérisé par une prédisposition à la malignité, à un trouble de la croissance et à une immunodéficience. 
• Mosaïque du gène de la dystrophine dans la dystrophie musculaire de Duchenne. 

La technique de fécondation in vitro présente de fortes chances de mutation et de mosaïcisme pouvant affecter l'embryon. C'est pourquoi un dépistage préimplantatoire du mosaïcisme et des mutations est pratiqué dans de nombreux centres pour éviter les maladies génétiques.