Genomes for the whole family

Sequencing of families' genomes offers insights [aperçu] into rare genetic diseases.

Janelle Weaver

Sequencing the genomes of family members could lead to better treatments.Getty Images

By sequencing the genomes of three patients with rare genetic disorders, and comparing them with genetic information from unaffected family members, two studies have managed to narrow down the causes of the diseases.

Between them, the analyses bring the number of individuals who have had their full genomes sequenced from seven to twelve.

A team led by David Galas of the Institute for Systems Biology in Seattle, Washington, sequenced the genomes of a family of four in which the two children had extremely rare genetic disorders — Miller syndrome and primary ciliary dyskinesia¹. Miller syndrome causes facial and limb abnormalities, and primary ciliary dyskinesia prevents hair-like structures in the respiratory tract from removing mucus.

By comparing the genomes of the children with those of the unaffected parents, the team was able to pinpoint the specific recombinations of parental genes that led to the diseases, and eliminate other parts of the genome that previous studies had associated with the disorders. The researchers conclude that just four genes underlie the two diseases.

Scientist studied

And in a second analysis, author James Lupski became a subject of his own study. A molecular geneticist at Baylor College of Medicine in Houston, Texas, Lupski has a rare variation of Charcot-Marie-Tooth disease, which causes a loss of muscle and nerve function in the limbs, hands and feet. Having come up with no firm results in previous screenings of Lupski's family, scientists had puzzled over the genetic cause of the disease. But by sequencing Lupski's entire genome and comparing it with snippets from his family members, Lupski's colleagues have identified new mutations associated with his disease².

First, Lupski and his colleagues compared his genome to the human genome reference sequence to identify places where single bases of DNA had been substituted. Of the genes they identified that had these mutations, called SNPs, the team focused on one known asSH3TC2 because it had been linked to other types of Charcot-Marie-Tooth disease. Then they sequenced portions of this gene in family members with mild nerve impairment in their hands or feet. The team discovered two mutations in SH3TC2 that were associated with different forms of nerve impairment, including carpal tunnel syndrome.

"The fact that these studies are coming out at once tells you where the field is moving," says Eric Topol, who studies the genetic basis of human disease at the Scripps Research Institute in La Jolla, California. "It's exciting to see that there are lots of ways to go after what were undiagnosed molecular abnormalities using pinpoint-precision sequencing."

Keep it in the family

The family-based approach has also provided researchers with another way to estimate the rate at which parents pass mutations to their offspring [progéniture]. Galas and his colleagues estimate that each offspring will have 70 new mutations, less than half the number obtained with previous approaches. "It is really important to know this number because it represents the source of all genetic variation we have, for good or bad, for health or disease," says Joseph Nadeau, a human geneticist at Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio.

Although whole-genome sequencing might be highly accurate and getting cheaper, it isn't yet within practical reach. Lupski and colleagues, for instance, estimate that their study cost around US$50,000. Less complete forms of sequencing can provide similar information about the genetic underpinnings of diseases such as Miller syndrome and primary ciliary dyskinesia. Last year, scientists used a less intensive method to identify the role of DHODH and DNAH5 in these diseases³.

Ultimately, scientists may realize they don't have to sequence the whole genome, Topol says. "Another way may be cheaper and equally effective; we just don't know yet." 

http://www.nature.com/news/2010/100310/full/news.2010.116.html

References

1. Roach, J. C. et al. Science advance online publicationdoi:10.1126/science.1186802 (2010).
2. Lupski, J. R. et al. N. Engl. J. Med. X, XXX-XXX (2010).
3. Ng, S. B. et al. Nature Genet. 42, 30-35 (2009).

Questions à Philippe Froguel, généticien. Il dirige le département de médecine génomique de l'Imperial College, à Londres, et l'équipe CNRS " génomique et physiologie moléculaire des maladies métaboliques ", à Lille.

Vous venez de mettre en évidence une nouvelle cause d’obésité. De quoi s’agit-il ?

P.F. Nous avons découvert qu’une forme d’obésité était liée à la disparition d’un fragment de chromosome, le chromosome 16, et des 30 gènes qu’il porte. Les personnes concernées présentent une seule copie de ces gènes au lieu des deux habituelles. Leur risque de développer un surpoids est alors multiplié par 50. Cette anomalie explique 1 % des cas d’obésités.

Comment l'avez-vous découverte ?

P.F. En bousculant la façon dont on recherche les causes génétiques de l’obésité. Pendant une dizaine d’années, on a postulé que les maladies fréquentes étaient liées à des mutations ponctuelles dans le génome, affectant un ou plusieurs gènes. On a ainsi trouvé 6 ou 7 gènes impliqués dans les formes simples de l’obésité, dites monogéniques, et environ une vingtaine de gènes à effet faible, impliqués dans l’obésité où plusieurs gènes interviennent simultanément. Mais cela n’expliquait pas toute l’héritabilité liée à cette maladie. Nous avons proposé de travailler autrement, en nous intéressant aux gènes présents dans le génome en un seul exemplaire au lieu de deux.

Ce cas est-il fréquent ?

P.F. Très ! Quand on observe notre génome, on se rend compte que de nombreux fragments de chromosomes sont absents, avec les gènes qu’ils portent. C’est ce qu’on appelle des délétions. J’ai proposé qu’elles puissent jouer un rôle dans l’obésité et le diabète. Pour les trouver, nous avons étudié le génome d’enfants souffrant d’une obésité sévère, avec retard mental. Une fois la petite délétion du chromosome 16 repérée, nous avons cherché avec quelle fréquence elle apparaissait dans le génome de 16 000 individus normaux. 19 personnes en était porteuses. Toutes étaient obèses, sans présenter de retard mental particulier. Bien sûr, cela n’explique pas tous les cas d’obésité. Mais c’est une preuve que la modification du nombre de copies de gènes peuvent entraîner des maladies communes - et pas seulement des syndromes comme la trisomie 21 - et qu’on peut les trouver en partant de cas extrêmes. Nous appliquons actuellement cette méthode pour chercheur de nouvelles causes au diabète et à certaines maladies psychiatriques.

Quel est le rôle des 30 gènes touchés par cette délétion?

P.F. Cela reste à définir mais deux ou trois gènes pourraient être impliqués dans le développement du cerveau. Ce qui conforte l’idée que l’obésité est une maladie neurocomportementale : tous les gènes liés à l’obésité sont exprimés dans le cerveau, au niveau de l’hypothalamus ou des neurones intervenant dans la régulation de l’appétit. Le gène NEGR 1, par exemple, intervient dans le développement des synapses des neurones. Le gène PDNF est très important pour le développement des cellules nerveuses, etc. Cela éclaire aussi les études épidémiologiques de grande ampleur qui trouvent une corrélation entre l’obésité, le quotient intellectuel et la réussite scolaire. On peut les interpréter en disant que le retard scolaire et la faim impétueuse de l’enfant sont deux manifestations d’une même anomalie.

Propos recueillis par Sophie Coisne

http://www.larecherche.fr/content/actualite-sante/article?id=27359

En 2002, Grzegorz Niedźwiedzki, doctorant à l’université de Varsovie, découvre des empreintes fossiles très particulières sur le site de Zachelmie, au sud-est de la Pologne. Des empreintes de pattes, avec des doigts bien visibles. Des empreintes de vertébrés terrestres, des tétrapodes. La surprise est totale. En effet, les roches où sont inscrites ces empreintes datent de presque 400 millions d’années. Une époque où, pensait-on, il n’existait encore que des formes intermédiaires entre poissons et tétrapodes, dépourvues de pattes articulées. L’année suivante, sur le même site, son collègue Piotr Szrek met au jour des traces similaires. Les deux jeunes paléontologues prennent alors contact avec Per Ahlberg, spécialiste mondial des premiers vertébrés terrestres. Leurs conclusions viennent d’être publiées dans la revue Nature : les empreintes de Zachelmie sont bel et bien celles de tétrapodes (1).

Chronologie rectifiée. Ces derniers seraient donc apparus au moins 20 millions d’années plus tôt qu’on ne le pensait. « Même si la preuve décisive serait la découverte d’un squelette, on voit mal quel autre animal qu’un tétrapode aurait pu laisser de telles traces ! », confirme Philippe Janvier, du Muséum national d’histoire naturelle. « Et cette découverte change notablement la chronologie de la divergence entre les premiers tétrapodes et leurs plus proches parents poissons. » Jusqu’ici, on pensait en effet que cette divergence remontait à environ 390 millions d’années. Cette hypothèse était en particulier appuyée par la découverte, en 2006, de Tiktaalik, fossile de 380 millions d’années présentant à la fois des caractéristiques de poisson et de tétrapode. « Or, les empreintes de Zachelmie montrent que Tiktaalik serait non pas un ancêtre des premiers tétrapodes, mais leur contemporain, explique Philippe Janvier. La divergence entre poissons et tétrapodes aurait donc eu lieu beaucoup plus tôt qu’on ne le pensait, peut-être bien avant 400 millions d’années ».

Milieu marin. Ce n’est pas tout. En effet, les empreintes de Zachelmie remettent aussi en cause l’idée selon laquelle la transition entre poissons et tétrapodes aurait eu lieu en eau douce. Cette théorie, qui remonte à la fin du XIX^e siècle, s’appuie par exemple sur le fait que les amphibiens actuels sont adaptés à l’eau douce. Pourquoi cela n’aurait-il pas été le cas de leurs ancêtres, 400 millions d’années plus tôt ? De plus, les poissons actuels les plus proches des tétrapodes, les dipneustes, vivent aussi tous en eau douce. Mais les sédiments de Zachelmie sont des sédiments marins, dont on pense qu’ils recouvraient le sol d’un lagon de faible profondeur, ou d’une zone de balancement des marées. Le paléontologue australien John Long avait déjà signalé, en 2006, certaines ressemblances anatomiques troublantes entre les premiers tétrapodes connus et Gogonasus, un poisson typiquement marin de 380 millions d’années. « Avec la découverte des empreintes de Zachelmie, il est probable que l’idée selon laquelle les tétrapodes auraient émergé d’un milieu marin reçoive de plus en plus de considération », conclut Philippe Janvier.

Dora Courbon

http://www.larecherche.fr/content/actualite-vie/article?id=27183

(1) G. Niedźwiedzki et al., Nature, 463, 43, 2010.

La découverte en Tanzanie d'une espèce très proche des dinosaures, mais plus ancienne, suggère que le superordre des dinosaures a pu apparaître plus tôt que l'on ne pensait. François Savatier Asilisaurus kongwe, une nouvelle espèce proche des dinosaures, mais antérieure, vient d'être découverte. Sterling Nessbitt, de l'Université du Texas et ses collègues ont mis au jour, dans le fond d'un oued asséché près de la ville de Litulba Ndyosi, en Tanzanie, des os fossilisés d'au moins 14 individus ainsi que ceux de nombreux crocodiliens primitifs. Cette abondance leur a permis de reconstruire presque entièrement le squelette d'Asilisaurus kongwe. Les individus retrouvés mesuraient de 50 centimètres à un mètre de haut pour une longueur de un à trois mètres. Pesant de 10 à 30 kilogrammes, ils avaient un régime omnivore. Toutefois, l'aspect le plus fascinant d'Asilisaurus kongwe est qu'il a été trouvé dans des strates datant de 240 millions d'années, c'est-à-dire au début du Trias (251 à 200 millions d'années). La découverte d'une forme aussi proche des dinosaures à une telle époque suggère que les dinosaures et les reptiles qui leur sont apparentés, tels les ptérosaures, existaient bien plus tôt que ce que l'on pensait. Asilisaurus kongwe fait en effet partie des silesaures, un superordre voisin de celui des dinosaures, et qui a prospéré avec lui durant la plus grande partie du Trias. Sur le plan anatomique, le lien entre silesaures et dinosaures est analogue à celui entre humains et chimpanzés : les silesaures ont beaucoup de caractéristiques squelettiques dinosauriennes, mais certains détails osseux les distinguent des dinosauriens. Les premiers dinosaures connus ont été découverts dans des terrains vieux de 230 millions d'années au plus. La découverte que les parents les plus proches des dinosaures vivaient déjà dix millions d'années avant les premiers dinosaures connus suggère donc fortement que dinosaures et silesaures avaient déjà divergé à partir d'un ancêtre commun à cette époque. Il semble donc qu'il y avait déjà des dinosaures il y a 240 millions d'années. Où sont leurs fossiles ?   http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actualite-les-premiers-dinosaures-plus-vieux-de-dix-millions-d-annees-24642.php

Marlene Hill Donnelly, Field Museum Une reconstitution de d'Asilisaurus kongwe dans son environnement. à voir aussi Marlene Hill Donnelly, Field Museum. Asilisaurus kongwe avait des dents triangulaires, qui signent un régime omnivore ou herbivore. Pour en savoir plus Nesbitt et al., Ecologically distinct dinosaurian sister group shows early diversification of Ornithodira, Nature, vol. 464, pp. 95-98, 4 mars  2010. L'auteur François Savatier est journaliste à Pour la Science.

Hiding place for HIV revealed

The AIDS virus escapes treatment inside progenitor blood cells.

Janet Fang

HIV hides away inside progenitor blood cells.S. Kaulitzki/ iStockphoto

HIV infection can persist despite treatment because the virus stays dormant inside cells, ready to multiply again after therapy stops. Now, researchers have discovered that progenitor cells that develop into immune cells are an important reservoir for the virus.

These cellular reservoirs are resistant to the immune response of the host and the highly active antiretroviral therapy (HAART) administered to patients. That means the virus can attack white blood cells known as CD4⁺ T lymphocytes — which help the body to mount an immune response — after treatment.

"There are so many instances where patients stopped taking drugs and the virus rebounded," says Kathleen Collins, a cellular biologist at the University of Michigan in Ann Arbor, lead author of the study published in Nature Medicine¹ today. "There is no way to get people off the drugs." HAART can stop the spread of the virus by preventing the viral genome from integrating into new cells. The combinations of drugs used don't attack the cell that makes copies of the virus, but they can prevent the newly made virus from infecting more cells.

The researchers show that HIV can target haematopoietic progenitor cells (HPCs) from the bone marrow before they give rise to white blood cells.

The team took these cells from HAART-treated patients who have shown no detectable traces of the virus for at least six months. When the researchers forced the cells to differentiate into white blood cells in the lab, they found the HIV genome in these cells in about 40% of the donors. They also took cells from the bone marrow of healthy people and showed that the virus killed some cells, but in other cells the virus integrated into the cells' chromosomes and did not reproduce. These cells grew as if they were uninfected by the virus.

"If the drugs are on-board, the virus is still being made but it is not doing much harm because it can't spread," says Collins. In the absence of the drugs, the infection renews, and patients need to return to the therapy and stay on it. "If you shorten the therapy even to two years, that would dramatically change things," she says, by bringing down costs and allowing the therapy to be used more widely in poor countries.

Dangerous dormancy

Previous research² conducted by Robert Siliciano, a molecular biologist at Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, established that CD4⁺ T cells can be latent reservoirs for the virus. But he and his team showed that residual levels of virus in the blood of patients on HAART were often dominated by a virus population they couldn't find in CD4⁺ T cells. The new work may provide an explanation of that observation, Siliciano says.

If HIV is in these long-lived progenitor cells, the reservoirs can last for the entire life of the host cell. But there may be a way to target these reservoirs, says Collins "One way is to find a way to push the cells from latency to go into an active infection while patients are still on their drugs," she says.

This work helps us understand the obstacles to eliminating the virus that survives despite effective antiretroviral treatment, says Clyde Crumpacker, a virologist at Harvard University in Boston, Massachusetts, who works with HPCs and HIV. Other work, he says, has suggested that HPCs are resistant to HIV infection³. "One of the hopes has been that HPCs are a protected sanctuary," says Crumpacker. "This paper forces us to reexamine that hope." Siliciano adds, "Eradication efforts will only be successful if all of the reservoirs for HIV are identified and eliminated."

• References

  1. Carter, C. C. et al. Nature Med. advance online publication doi:10.1038/nm.2109 (2010).
  2. Bailey, J. R. et al. J. Virol. 80, 6441-6457 (2006). | Article | PubMed | ChemPort |
  3. Zhang, J., Scadden, D. T. & Crumpacker, C. S. J. Clin. Invest. 117, 473-481 (2007). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
• http://www.nature.com/news/2010/100307/full/news.2010.109.html