HOMME - Caryotype humain

HOMME - Caryotype humain

Le fait que les chromosomes d’une cellule soient porteurs des gènes qui contrôlent son activité biologique ressort des travaux de T. H. Morgan sur la drosophile. Ils ont été développés par une pléiade de chercheurs qui ont étendu à maintes espèces, et plus spécialement à l’homme, la méthode de l’analyse cytologique de l’équipement chromosomique, c’est-à-dire du caryotype.

Avant 1970, les techniques d’étude du caryotype avaient pour résultat une coloration uniforme des chromosomes si bien que leur longueur et l’indice centromérique étaient les seuls caractères permettant de les classer, avec une précision toute relative. À la suite de la description entre 1959 et 1965 des anomalies numériques les plus fréquentes et des anomalies de structure les plus importantes, les possibilités de progrès se trouvaient limitées par l’insuffisance des moyens d’analyse. La mise au point, en 1970, de nouvelles méthodes d’identification a permis une beaucoup plus grande précision dans la description des chromosomes et de leurs anomalies. Depuis cette époque, les acquisitions de la cytogénétique humaine moderne peuvent être regroupées sous trois grandes rubriques: applications des techniques de marquage chromosomique, rôle des anomalies chromosomiques dans les échecs de la reproduction, et enfin diagnostic prénatal.

– Les techniques de marquage, qui font appel à divers traitements physico-chimiques, ont pour effet de mettre en évidence une succession de bandes plus ou moins colorées selon une séquence propre non seulement à chaque chromosome mais encore à chaque segment chromosomique. Selon la technique employée, telle ou telle partie du chromosome est plus ou moins bien marquée, ce qui permet une analyse structurale fine. On est dès lors parvenu à identifier de nouvelles anomalies chromosomiques jusque-là méconnues et responsables de syndromes malformatifs avec atteinte cérébrale sévère. Cette précision diagnostique accrue constitue un progrès considérable, car elle permet désormais de rattacher ces maladies à leur cause et débouche sur un conseil génétique . De même, la reconnaissance des différents segments chromosomiques a permis de progresser notablement dans l’établissement de la carte chromosomique de l’homme , dans la compréhension de certains mécanismes de la carcinogenèse et de l’évolution des espèces .

– Les progrès de la cytogénétique ont également été remarquables dans le domaine des échecs de la reproduction . En effet, ce chapitre de la pathologie longtemps méconnu et mal compris trouve un développement nouveau depuis que l’on sait que deux tiers des avortements spontanés précoces sont liés à des anomalies chromosomiques.

– Enfin, le diagnostic prénatal ^{[cf. ANTÉNATOLOGIE]} est une technique récente qui permet, après ponction amniotique au quatrième mois de grossesse, de faire le caryotype sur les cellules du fœtus et de déceler une éventuelle anomalie chromosomique.

1. Définition

Le caryotype établit le nombre et la morphologie des chromosomes d’un individu. Les chromosomes regroupés par paires et ordonnés selon une classification internationale représentent une constante biologique fondamentale de l’espèce.

Il est nécessaire, pour réaliser un caryotype, d’obtenir des cellules en voie de division, à un stade où les chromosomes sont bien individualisés et suffisamment dispersés pour être séparés les uns des autres. On utilise donc soit un tissu riche en divisions cellulaires, soit, le plus souvent, un tissu en culture. Le sang est le tissu le plus fréquemment utilisé, pour la simplicité du prélèvement et la rapidité de la culture. Le repérage et l’identification des chromosomes nécessitent leur marquage préalable par des techniques appropriées.

2. Techniques de marquage des chromosomes métaphasiques

Techniques classiques

Nous les décrivons dans leur ordre d’apparition. Seules les techniques de bandes G et R sont utilisées en routines actuellement. – Les bandes Q . En 1970, Caspersson montre par la coloration des lames à la moutarde de quinacrine suivie d’une observation en lumière ultraviolette que la structure des chromosomes est hétérogène. Cette technique permet l’identification précise de tous les chromosomes, en révélant une succession de bandes plus ou moins fluorescentes (appelées bandes Q pour quinacrine), propre à chaque chromosome (fig. 1). L’intérêt principal de cette technique réside surtout dans la fluorescence particulièrement intense de la partie distale des bras longs du chromosome Y, qui permet sa reconnaissance et la détection de ses anomalies.

– Les bandes G . Les méthodes les plus utilisées sont fondées sur la digestion enzymatique des préparations chromosomiques par des enzymes protéolytiques. Le marquage en bandes G, obtenu après coloration par le Giemsa, est superposable à celui des bandes Q, les bandes brillantes de la fluorescence correspondant aux bandes noires du Giemsa (fig. 2 b).

– Les bandes R . Dutrillaux et Lejeune ont proposé une technique comportant le traitement des préparations à 87 ⁰C pendant quelques minutes dans une solution à pH 6,5. La coloration des chromosomes fait alors apparaître une alternance de bandes foncées et de bandes claires. La disposition de ces bandes (fig. 2 c) est l’inverse de celle qui est obtenue en bandes Q et en bandes G (bandes R pour Reverse). La technique de Dutrillaux et Lejeune est d’une grande utilité pour détecter de petits remaniements de structure, car elle a l’avantage de très bien marquer les extrémités du chromosome ainsi que de nombreuses bandes intermédiaires.

La description de bandes sur les chromosomes a conduit à définir une nouvelle nomenclature (Paris, 1971). Les bras chromosomiques qui conservent leur appellation «p» pour le bras court et «q» pour le bras long ont été divisés en régions, et celles-ci en bandes dont la topographie est calquée sur celle des bandes obtenues par les différentes techniques de marquage (fig. 3). Par exemple, le bras long du chromosome 1 est divisé en quatre régions numérotées 1, 2, 3 et 4, et la région 4 est elle-même divisée en quatre bandes numérotées de 1 à 4. On peut ainsi indiquer et décrire exactement tous les types de remaniements de structure connus.

Ces techniques de marquage, utilisées sur des chromosomes métaphysiques, permettent de distinguer environ trois cents à quatre cents bandes sur le génome haploïde humain. Selon l’anomalie recherchée, des techniques plus spécifiques pourront être utilisées.

Les techniques de marquage spécifique

– Les bandes C. Les régions hétérochromatiques des chromosomes peuvent prendre une coloration plus sombre que les autres parties des chromosomes (hétéropycnose) en utilisant le colorant de Giemsa dans certaines conditions. Cette technique colore intensément les centromères (bandes C pour centromères) et les constrictions secondaires des chromosomes humains n^os 1, 9 et 16 (fig. 2 a).

À cette technique s’ajoutent un grand nombre de techniques spécifiques d’une région chromosomique donnée ou d’un chromosome, telles que les bandes N – coloration spécifique des régions organisatrices des nucléoles situées sur les bras courts des chromosomes acrocentriques (13, 14, 15, 21 et 22) – et la coloration de la constriction secondaire du 9 (G 11.6).

Les techniques dynamiques

Il faut réserver une place particulière aux techniques dites dynamiques qui interviennent pendant la phase de culture des cellules et qui consistent généralement en incorporation d’analogues structuraux des bases nucléiques. C’est ainsi que l’adjonction de 5-bromodésoxyuridine (5-BrdU) pendant les sept dernières heures de culture entrave la condensation de certains segments chromosomiques et donne, après coloration par l’acridine orange, un marquage fin, équivalent aux bandes R.

L’adjonction de BrdU cinq heures avant la fin de la culture permet d’étudier, chez la femme, le phénomène d’inactivation du chromosome X. Seul l’X inactif de réplication tardive incorpore le BrdU.

Évolution technique

Les techniques de déspiralisation ou microcytogénique . L’étude du caryotype métaphasique après marquage en bandes est maintenant courante et indispensable pour tout examen cytogénétique. Les techniques de cytogénétique ont évolué. Depuis 1976, de nouvelles techniques ont été développées, visant à obtenir des chromosomes plus déspiralisés avec pour corollaire l’observation d’un nombre de bandes plus important. Elles sont fondées sur un artifice technique: la synchronisation cellulaire qui permet d’enrichir le milieu de culture en cellules prométaphasiques, stade précédant la métaphase. Les chromosomes en prométaphase ont un aspect beaucoup plus étiré qu’au stade métaphasique.

Cet artifice technique consiste à bloquer la synthèse d’ADN, et donc le cycle cellulaire, par adjonction d’améthoptérine, de thymidine ou de 5-BrdU. La relance de la culture est faite secondairement et va permettre aux cellules d’arriver de manière synchrone au stade prométaphasique.

À ce stade, il est possible, après utilisation d’une technique de marquage, de décrire plus de mille bandes par lot haploïde de chromosomes (fig. 4). Cette analyse a été dénommée microcytogénétique.

L’hybridation in situ (HIS) ou la cytogénétique moléculaire . Enfin, les chromosomes ayant été déspiralisés au maximum, on peut encore affiner le diagnostic cytogénétique en étudiant la molécule d’ADN. L’hybridation in situ permet en effet de déceler, sur des chromosomes métaphasiques, la présence ou même le nombre de copies d’une molécule donnée d’acides nucléiques, appelée sonde. Pour être repérable, la sonde devra être marquée par un isotope radioactif ou un fluorochrome. Cette sonde va, dans des conditions favorables, s’hybrider avec les séquences d’ADN complémentaires contenues dans les chromosomes du patient à étudier. Les sites d’hybridation seront ensuite décelés par autoradiographie ou immunofluorescence.

L’hybridation in situ permet ainsi de mettre en évidence des anomalies inframicroscopiques (fig. 5) qu’il n’est pas possible de déceler en microscopie optique ordinaire.

3. Caryotype humain

Formule chromosomique normale

Le nombre de chromosomes est de 46 chez l’homme: 22 paires d’autosomes et 2 chromosomes sexuels ou gonosomes, XX chez la femme et XY chez l’homme. Chaque paire chromosomique est constituée de deux homologues, l’un d’origine maternelle, l’autre d’origine paternelle: le caryotype se définit donc diploïde dès la réunion des deux cellules sexuelles qui se sont unies pour former l’œuf humain. Ces cellules sexuelles, ou gamètes, ont pris naissance dans les glandes reproductrices à la suite d’un mécanisme réductionnel du nombre chromosomique. Il consiste dans la disjonction des paires de chromosomes homologues. En subissant cette disjonction, chaque cellule mère des gamètes engendre, au cours d’un processus appelé méiose, deux cellules filles à caryotype haploïde, ne comportant que 23 chromosomes.

Anomalies du caryotype

C’est par suite de méiose défectueuse (ou de mitose aberrante) que se produiront des anomalies chromosomiques portant sur le nombre ou la structure des chromosomes.

Anomalies numériques

Le caryotype d’une cellule normale, à 46 chromosomes, est dit «euploïde». Les anomalies de nombre portant sur un ou plusieurs chromosomes constituent des aneuploïdies, qu’elles soient par excès, comme les trisomies, ou par défaut, comme les monosomies.

La trisomie libre, c’est-à-dire l’existence d’un chromosome en trois exemplaires, correspond à un nombre de chromosomes égal à 47 chez un homme et résulte généralement d’une non-disjonction d’une paire d’homologues lors de la méiose qui permettra la formation des gamètes, cellules haploïdes (N chromosomes).

La monosomie, c’est-à-dire l’absence d’un chromosome d’une paire donnée, est rarement compatible avec la vie quand elle concerne un autosome. La monosomie X est par contre bien connue dans l’espèce humaine puisqu’elle correspond au syndrome de Turner dont la garniture chromosomique est 45,X.

Les mosaïques et les chimères sont définies par l’existence, chez le même individu, de populations cellulaires de caryotype différent.

– Dans les mosaïques, les populations cellulaires différentes proviennent du même zygote et résultent d’un accident mitotique survenu après la fécondation.

– Dans les chimères, plus rares, les populations cellulaires différentes proviennent de deux zygotes initiaux (ou plus).

Anomalies structurales

Toutes les anomalies de structure du matériel chromosomique peuvent, en définitive, être expliquées par des cassures survenues en divers points des chromosomes, suivies de recollements illégitimes des fragments:

– la délétion , ou déficience, résulte de la perte d’un segment chromosomique;

– la duplication d’un segment de chromosome donne, à l’inverse de la délétion, une trisomie partielle;

– un isochromosome est un chromosome métacentrique dont les deux bras sont identiques;

– l’inversion résulte de deux cassures situées sur le même chromosome, suivies de leur recollement après une rotation de 180⁰ du segment intercalaire;

– les translocations résultent du transfert d’un segment de chromosome de sa position normale sur un autre chromosome.

4. Maladies chromosomiques

L’incidence des anomalies chromosomiques chez les nouveau-nés vivants est estimée à 0,62 p. 100 d’après les études faites à titre systématique chez des nouveau-nés non sélectionnés. En fait, les estimations varient beaucoup d’une étude à l’autre, selon que les enfants mort-nés ou décédés dans les premières heures sont pris en compte ou pas. On sait en effet que, parmi les morts néonatales précoces, le taux d’anomalies chromosomiques atteint 8 p. 100 environ. Quoi qu’il en soit, on peut estimer qu’une anomalie chromosomique est présente chez plus de 1 nouveau-né sur 200. Cette incidence, pour élevée qu’elle soit, est très inférieure à celle des anomalies détectées aussi bien au cours du deuxième trimestre de gestation que dans les produits d’avortements spontanés, grâce à une intense sélection naturelle, particulièrement efficace pendant les premières semaines de la gestation.

Les anomalies du nombre des autosomes

La trisomie 21

En 1959, Lejeune, Gautier et Turpin, décrivant la première observation chromosomique en pathologie humaine, rapportent le «mongolisme» ou «syndrome de Down» à la présence d’un chromosome 21 en triple exemplaire dans les cellules des patients.

La trisomie 21 est l’anomalie chromosomique la plus fréquente. Les estimations de son incidence dans la population générale sont comprises entre 1,5 et 1,8 pour 1 000 naissances vivantes, soit 1 enfant sur 700 environ.

Le diagnostic peut le plus souvent être évoqué dès la naissance tant le syndrome dysmorphique est évocateur. En effet, la trisomie 21 confère à ces enfants une ressemblance telle «qu’il suffit d’avoir vu l’un de ces malades pour ne plus risquer de les méconnaître».

L’enfant trisomique 21 est petit, les membres sont courts; l’hypotonie est constante. Les téguments et les phanères sont de mauvaise qualité. Le visage est rond; les fentes palpébrales sont obliques en haut et en dehors; le nez est court et tronqué; les oreilles, d’implantation normale, sont petites; la bouche est petite, les lèvres épaisses et fendillées; la langue souvent protuse a un aspect uniforme dû à une glossite. Les mains sont courtes et trapues, en battoir, et les plis de flexion, lorsqu’ils sont confondus, réalisent le «pli palmaire transverse unique» très évocateur. Les cardiopathies se rencontrent dans 30 à 50 p. 100 des cas. Le canal atrio-ventriculaire est le type le plus habituel.

Le retard mental est constant et s’accentue avec l’âge. Le développement psychomoteur est ralenti dans son ensemble, les fonctions intellectuelles sont globalement atteintes avec dégression des facultés d’abstraction. Le quotient intellectuel dépasse rarement 60. L’affectivité est généralement respectée. Une éducation appropriée permet une intégration à la vie de société et l’apprentissage de petits métiers manuels effectués en ateliers surveillés.

L’étude chromosomique permet de distinguer trois grands types d’anomalies dans la maladie: la trisomie 21 libre, la trisomie par translocation et la trisomie 21 en mosaïque. La trisomie libre est de beaucoup la plus fréquente et s’observe dans 94 p. 100 des cas. Le caryotype de toutes les cellules comporte 47 chromosomes dont 3 chromosomes 21. Les translocations responsables de trisomie 21 s’observent dans 4 p. 100 des cas. Elles intéressent le chromosome 21 et le plus souvent un chromosome acrocentrique D ou G. Toutes ces translocations peuvent être familiales ou sporadiques d’où la nécessité absolue de faire l’étude du caryotype des parents. La trisomie en mosaïque est rencontrée dans 2 p. 100 des cas. Certaines cellules de l’organisme ont un caryotype normal, d’autres sont trisomiques.

La récurrence familiale de la trisomie 21 demeure une éventualité exceptionnelle; cependant, après avoir éliminé les translocations et les mosaïques parentales, on peut estimer que le risque de récurrence est de 1 p. 100 environ, ce qui justifie le diagnostic prénatal après amniocentèse précoce.

La trisomie 18

La trisomie 18 a été décrite en 1960 par Edwards et ses collaborateurs. Elle est responsable d’un ensemble malformatif rarement compatible avec la vie. L’attention est attirée à la naissance par une hypotrophie considérable. Le crâne est petit, aplati transversalement et allongé dans le sens antéro-postérieur. La fermeture des fontanelles et la suture sagittale se font très tard. Le nez est petit et souvent retroussé. Les oreilles sont remarquables par leur implantation basse et leur inclinaison en haut et en arrière. Elles ont un aspect «faunesque». Il existe enfin une microrétrognathie importante. Les mains sont particulières: le nourrisson les tient relevées; les poings sont fermés, les deuxième et cinquième doigts croisent les troisième et quatrième. Il est difficile de vaincre ce poing fermé. Les pieds sont bots. Le cœur présente une malformation grave dans 95 p. 100 des cas. Le retard du développement psychomoteur, enfin, est considérable. Les enfants décèdent au cours des premiers mois.

La trisomie 13

La trisomie 13 a été décrite en 1960 par l’équipe de Patau. Elle est responsable d’un ensemble malformatif grave incompatible avec une survie prolongée.

Le syndrome clinique comprend une microcéphalie importante, une microphtalmie bilatérale, une «gueule-de-loup» avec des délabrements considérables. Les mains sont remarquables du fait d’une polydactylie quasi constante et de la contracture des doigts en flexion. Les pieds sont bots. Les malformations viscérales sont graves et entraînent rapidement le décès.

Les anomalies du nombre des gonosomes

Le syndrome de Turner

Le syndrome de Turner comprend un retard de taille, un impubérisme (les organes génitaux, les seins, la pilosité demeurent infantiles), une atrophie ovarienne et une stérilité, ainsi que des malformations somatiques (cou palmé, implantation basse des cheveux dans la nuque, malformation des coudes). L’étude chromosomique montre le plus souvent l’absence de corps de Barr et un caryotype 45,X ou plus souvent des variantes telles que des mosaïques ou des anomalies de structure du chromosome X.

La trisomie X

La trisomie X est liée à un syndrome clinique extrêmement variable, si bien que sa découverte est souvent inattendue, et il est probable que de nombreux cas ne sont jamais mis en évidence. Les études actuelles d’évaluation du quotient intellectuel sont contradictoires. Il est certain que le retard mental n’est pas constant. Les troubles génitaux sont également variables.

Les variantes 48,XXXX et 49,XXXXX s’accompagnent d’encéphalopathie profonde.

Le syndrome de Klinefelter

Une atrophie testiculaire avec stérilité et un développement anormal des seins caractérisent le syndrome de Klinefelter. Le caryotype est 47,XXY avec présence de corps de Barr dans un frottis buccal. Il existe des variantes 48,XXXY ou 49,XXXXY qui s’accompagnent d’un retard plus important.

Deux exemples d’anomalies de structure

Le syndrome du «cri-du-chat» (syndrome 5p-)

Décrite par Lejeune en 1963, la délétion du bras court du chromosome 5 est responsable d’un syndrome clinique bien individualisé et immédiatement reconnaissable.

Le visage est rond, lunaire, surtout chez le nourrison, et les yeux sont bordés par un épicanthus bien dessiné. Les fentes palpébrales sont obliques en bas et en dehors. La microcéphalie est constante, l’encéphalopathie profonde. Enfin, le cri, surtout chez les nourrissons, ressemble par sa consonnance plaintive, son timbre aigu, au miaulement d’un chaton. L’anomalie est compatible avec la vie. On connaît plusieurs malades ayant dépassé vingt ou même trente ans. L’encéphalopathie demeure considérable, et les malades doivent nécessairement être pris en charge dans des structures spécialisées.

La monosomie 4p

Cette monosomie partielle due à la délétion du bras court du chromosome 4 a été confirmée par les techniques de marquage en 1973.

Cliniquement, la dysmorphie est évocatrice. Les anomalies viscérales sont exceptionnelles, sauf les cardiopathies et les malformations des organes génitaux chez les filles. L’encéphalopathie est sévère, les convulsions sont fréquentes et le retard psychomoteur est important.

L’étude chromosomique montre chez l’enfant atteint la perte d’une partie du bras court d’un chromosome 4.

Les anomalies chromosomiques les plus classiques, dont les tableaux cliniques sont stéréotypés, sont loin de résumer toute la pathologie chromosomique. En théorie, chaque chromosome ou chaque segment de chromosome peut être le siège d’une anomalie par excès ou par défaut. La multiplicité et la variété des tableaux cliniques font qu’il faut se résoudre à une attitude systématique: pratiquer un caryotype chez tout nouveau-né malformé, ou chez tout enfant qui présente des problèmes de développement psychomoteur, qu’il soit associé ou non à des malformations.

Les nouveaux syndromes chromosomiques

L’avènement des techniques de microcytogénétique, c’est-à-dire la déspiralisation des chromosomes, a permis de rattacher un certain nombre de syndromes bien individualisés sporadiques ou familiaux à des microremaniements chromosomiques spécifiques (tabl. 1 et 2). Parmi ces entités reconnaissables cliniquement, on peut retenir deux exemples particulièrement intéressants, le syndrome de Prader-Willi et le syndrome d’Angelman.

Dans le cas du premier de ces syndromes, les signes cliniques décrits en 1956 par Prader-Willi et Labhart associent un retard mental, une obésité, un hypogénitalisme et un aspect caractéristique du visage. La découverte, chez de très rares patients affectés par le syndrome de Prader-Willi, de translocations impliquant le chromosome 15, a tout d’abord permis d’orienter les recherches cytogénétiques. Les études en déspiralisation ont ensuite conduit à l’identification d’une délétion, de très petite taille, dans la région proximale du chromosome 15, bande 15q11 (fig. 4), dans 60 p. 100 des cas.

Le syndrome d’Angelman se caractérise par un retard mental sévère, une absence de langage, une démarche particulière, des accès de rire et un visage particulier. Cependant, les techniques de haute résolution ont mis en évidence une microdélétion identique à celle qui est décelée dans le syndrome de Prader-Willi intéressant la bande 15q11.

La description d’une anomalie chromosomique identique dans deux syndromes cliniquement très différents a soulevé de nombreuses questions. Ces deux syndromes localisés grâce aux techniques de haute résolution ont alors pu bénéficier des techniques de biologie moléculaire.

La biologie moléculaire a permis de montrer que l’origine parentale du chromosome délété chez l’enfant n’a pas la même origine dans ces deux syndromes. Le chromosome délété est toujours d’origine paternelle dans le syndrome de Prader-Willi. Il est toujours d’origine maternelle dans le syndrome d’Angelman.

Cette découverte a bouleversé les concepts habituels de la génétique en montrant que les génomes paternel et maternel ne jouent pas le même rôle pendant le développement embryonnaire mais sont complémentaires. C’est ce qu’on appelle l’empreinte parentale différentielle.

Ainsi, l’évolution des techniques, notamment l’avènement de la microcytogénétique et de l’hybridation in situ, a permis aux cytogénéticiens de passer «du chromosome au gène» puisqu’il est possible maintenant de déceler des microremaniements ou même des anomalies inframicroscopiques de la taille d’un fragment d’ADN.

Encyclopédie Universelle. 2012.