Recherche des facteurs g

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Recherche des facteurs génétiques de
susceptibilité aux maladies en populations
consanguines
GDR Statistique et Santé Journées 2007 - 26 et
27 novembre 2007

• Emmanuelle Génin
• INSERM U535, Univ. Paris Sud, Villejuif

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Plan

• Les populations consanguines
• Consanguinité aléatoire et non aléatoire
• La consanguinité dans le monde
• Conséquences sur le plan génétique
• Etudes de liaison génétique en populations
  consanguines
• Validité des méthodes classiques
• Les alternatives
• Puissance des tests
• Etudes d'association en populations consanguines
• Validité des méthodes classiques
• Les alternatives
• Puissance des tests

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Les populations consanguines

• Dans de nombreuses populations humaines, les
  mariages entre individus apparentés sont
  fréquents
• Grandes populations où ce type d'unions est
  favorisé

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La consanguinité dans le monde
From, Bittles, AH (2001) Consanguinity and its
relevance to clinical genetics.Clinical
Genetics 60 (2), 89-98.
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Les populations consanguines

• Dans de nombreuses populations humaines, les
  mariages entre individus apparentés sont
  fréquents
• Grandes populations où ce type d'unions est
  favorisé
• Petites populations isolées où le nombre de
  conjoints potentiels est réduit
• Populations à effet fondateur
• un petit nombre d'ancêtres (les fondateurs)
• une période d'isolement puis de croissance
  exponentielle
• L'isolement peut être
• géographique (Finlande, Québec, îles)
• religieux (Hutterites, Juifs Ashkenazes)
• culturel (Gitans, villages de pêcheurs)

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Populations de petite taille et "consanguinité
aléatoire"

• Une forte probabilité pour que, même au hasard,
  les mariages se fassent entre individus
  apparentés
• La consanguinité n'est pas due à un choix de ce
  type d'unions "Consanguinité aléatoire"

Tristan da Cunha, Atlantique Sud. 275
habitants20 fondateurs en 1816Pas de mariages
entre apparentés dans les 1ères générations.En
1854, le père du 1er individu consanguin pouvait
choisir entre7 femmes dont 5 de ses cousines
D'après Roberts (1976) dans Etude des Isolats
-Editions INED
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Conséquences génétiques de la consanguinité

• Modification de la structure génétique de la
  population
• augmentation des homozygotes
• déficit en hétérozygotes
• Possibilité pour un individu d'avoir reçu deux
  allèles provenant d'un même ancêtre
  (Identité-par-Descendance, IBD).

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Structures familiales
Familles avec des boucles de consanguinité exemple
cousins germains
2 allèles IBD
9
Coefficient de consanguinité

• Coefficient de consanguinité F d'un individu
  Probabilité pour que ses deux allèles à un locus
  soient IBD
• Comment peut-on estimer F ?
• à partir de la généalogie

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Estimer F à partir de la généalogie
A

• Méthode des chemins (Wright, 1922)

Somme sur toutes les boucles n m sont le nb de
méioses sur les deux branches de l'ancêtre A aux
parents de Z.

• Exemple descendant de cousins germains

Estimation de F dépend de la connaissance
généalogique
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Coefficient de consanguinité

• Coefficient de consanguinité F d'un individu
  Probabilité pour que ses deux allèles à un locus
  soient IBD
• Comment peut-on estimer F ?
• à partir de la généalogie
• à partir des marqueurs génétiques

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Estimer F à partir des marqueurs
Leutenegger et al (2003). Am J Hum Genet

• Observation des génotypes pour des marqueurs
  régulièrement espacés sur le génome
• IBD non observable
• marqueurs non indépendants
• Modèle de Markov caché pour écrire la probabilité
  de ces observations en fonction
• deux paramètres inconnus
• F coeff. de consang. de l'individu (prop. de
  génome IBD)
• a taux de changement d'état IBD/cM (long. des
  blocs IBD)
• deux paramètres supposés connus
• distance entre les marqueurs
• fréquences alléliques
• Estimation de (F,a) par maximum de vraisemblance

Estimation de F dépend de la densité de marqueurs
et des fréquences alléliques aux marqueurs
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Corrélations Inter- et Intra-Individuelles

• Dans les populations à effet fondateur des
  généalogies
• grandes et très complexes
• de nombreux liens généalogiques entre 2 individus
• Identité-par-descendance
• des allèles d'un même individu (consanguinité)
  identité intra
• des allèles chez deux individus différents
  identité inter

Liens généalogiques entre deux Hutterites (from
M. Abney)
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Etats d'identité entre les 4 allèles de deux
individus (Gillois 1968, Jacquard 1972,
Cotterman 1974)
Intra-IBD
Inter-IBD
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Les études génétiques en populations consanguines

• Identification des mutations impliquées dans les
  maladies monogéniques
• récessives (grandes populations ou isolats)
  "Homozygosity Mapping"
• dominantes (isolats / effet fondateur)
• Etude des gènes impliqués dans les maladies
  complexes en populations consanguines ?

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Les tests de liaison génétique en populations
consanguines
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Principe

• Recherche de fragments d'ADN plus partagés par
  des malades apparentés qu'attendu du fait de leur
  apparentement
• Dans les grandes populations panmictiques des
  échantillons de paires de germains atteints
  indépendantes

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Comparaison des distributions de paires de
germains avec 2, 1 ou 0 allèles IBD observées et
attendues
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Principe

• Recherche des segments d'ADN plus partagés par
  des malades apparentés qu'attendu du fait de leur
  apparentement
• Dans les grandes populations panmictiques des
  échantillons de paires de germains atteints
  indépendantes
• Dans les populations consanguines
• des paires de germains atteints consanguins
• des paires non indépendantes (isolats en
  particulier)
• les probabilités IBD attendues sont augmentées
• risque de conclure à tort à la liaison

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Probabilité IBD chez des germains pour
différents croisements parentaux
Parental IBD2 IBD1 IBD0 proportion
of relationship shared alleles none .25 .50
.25 .500 first-cousin .25 .53 .22
.515 Double first-cousin .26 .55 .19 .535
Génin Clerget-Darpoux (1996). AJHG 59
1149-1162 Leutenegger et al. (2002). Genet.
Epidemiol. 23 413-425
21
Calcul des proportions IBD dans une population
consanguine

• Si la généalogie est disponible
• Nécessité de tenir compte de l'ensemble de la
  généalogie
• Problèmes computationels il faut couper la
  généalogie en petites unités
• Si la généalogie n'est pas disponible ou fiable
• Contraste entre l'IBD observé en un point donné
  et celui observé sur l'ensemble du génome
  "genomic control"Genome Mismatch Scanning
  (Nelson 1993 Durham 1997)

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Prise en compte de l'IBD intra dans les tests de
liaison

• Les tests classiques ne tiennent compte que de
  l'IBD inter (entre les frères et soeurs)
• IBD intra-individuelle aussi possible dans les
  populations consanguines 9 états d'identité

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Comparaison entre les 9 états d'identité et les 3
états IBD
IBD2
IBD1
IBD0
24
Prise en compte de l'IBD intra dans les tests de
liaison

• Les tests classiques ne tiennent compte que de
  l'IBD inter (entre les frères et soeurs)
• IBD intra-individuelle aussi possible dans les
  populations consanguines 9 états d'identité
• Un test pour tenir compte de l'IBD inter et intra
  dans les paires de germains basé sur le nombre
  d'allèles différents (non IBD) dans les paires
  (Na1, 2, 3 or 4)

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Comparaison entre les 9 états d'identité et les 4
états Na
Na1
Na2
Na3
Na4
26

• Gain de puissance avec le test Na par rapport à
  l'IBD

Génin Clerget-Darpoux (1996). AJHG 59 1149-1162
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Tests de liaison en populations consanguines

• La puissance des tests de liaison peut être
  augmentée en présence de consanguinité si on
  tient compte conjointement des IBD inter et
  intra-individuels
• Cependant, une bonne connaissance des
  coefficients de consanguinité et de parenté est
  nécessaire

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Tests d'association en populations consanguines
29
Principe

• Comparaison des fréquences génotypiques dans des
  échantillons de malades et de témoins

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Test d'association cas-témoins

• AA AB BBCas n10 n11 n12Témoins n20 n2
  1 n22
• Test d'homogénéité entre les deux distributions
  génotypiques
• Wc2 c2 2df sous H0
• Si les fréquences génotypiques sont différentes
  chez les malades et les témoins
• Un des allèles du marqueur est plus fréquent
  chez les malades
• Cet allèle est ou est associé à un allèle de
  susceptibilité

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Principe

• Comparaison des fréquences génotypiques dans des
  échantillons de malades et de témoins
• Dans les populations panmictiques, les fréquences
  génot. chez les témoins suivent les proportions
  de Hardy-Weinberg ne dépendent que de
  p AA AB BB p2 2pq q2 p1-qf(A)

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Principe

• Comparaison des fréquences génotypiques dans des
  échantillons de malades et de témoins
• Dans les populations panmictiques, les fréquences
  génot. chez les témoins suivent les proportions
  de Hardy-Weinberg ne dépendent que de
  p AA AB BB p2 2pq q2 p1-qf(A)
• Dans les populations consanguines dépend de
  F AA AB BB p2Fpq 2pq-2Fpq q2Fpq
• Si malades et témoins ne sont pas correctement
  appariés pour F risque de fausse conclusion

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Augmentation de l'erreur de type 1 du test si F
est différent chez cas et témoins
Calcul des distributions génotypiques attendues
dans un échantillon de 100 cas et 100 témoins
pour un marqueur biallélique (p0.5) sous
H0.Coefficient moyen de consanguinité F1
variable chez les cas. F2 0 chez les
témoins. Erreur de type 1 nominale 5
Uncle-Niece11.4
1st-cousins6.5
Génin et al. (1996). AJHG 58 861-866
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Robustesse du test d'associationaux corrélations
inter-individuelles (isolats)

• Apparentement possibles entre Cas et Témoins
• Si on ne prend pas en compte cet apparentement
  Risque de fausse conclusion

• Erreurs de type 1 du test pour une erreur
  nominale de 5
• Echantillon Hutterite de 310 malades atopiques et
  391 temoins
• Simulations à partir de la généalogie des
  génotypes des Cas et Témoins pour un SNP
  (fréquence 0.2/0.8) sous H0. 5,000 réplicats.
• L'erreur de type-1 du test est de 12 au lieu de
  5

Bourgain Génin (2005). Review. EJHG 13 678-706
35
Quelles solutions ?

• Utiliser des méthodes de permutation pour évaluer
  les degrés de signification

36
Quelles solutions ?

• Utiliser des méthodes de permutation pour évaluer
  les degrés de signification PAS VALIDE car
  hypothèse d'indépendance sur les génotypesSur
  l'exemple Hutterite erreur de type 1 de 13

37
Quelles solutions ?

• Utiliser des méthodes de permutation pour évaluer
  les degrés de signification PAS VALIDE
• Utiliser un facteur correctif l tel que, quand
  les fréq. alléliques sont les mêmes chez cas et
  témoins, suit une distribution c2

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Calcul du facteur correctif l

• l ne dépend pas des caractéristiques du marqueur
  mais dépend
• des coefficients de consanguinité de tous les cas
  et de tous les témoins
• des coefficients de parenté entre tous les cas
  et tous les témoins
• Si la généalogie est connue Calcul direct
  Bourgain et al (2003), AJHG 73612-626
• Si la généalogie n'est pas connueUtilisation de
  marqueurs aléatoires "Genomic Controls" Devlin
  Roeder, Biometrics, 1999

39
Quelles solutions ?

• Utiliser des méthodes de permutation pour évaluer
  les degrés de signification PAS VALIDE
• Utiliser un facteur correctif l OK si généalogie
  connue ou marqueurs aléatoires disponibles
• Utiliser des données familiales Transmission
  Disequilibrium Test

40
Le TDT Spielman et al. 1993
N parents hétérozygotes AB nombre de fois où
l'allèle A est transmis à l'enfant
atteint Transmis Non transmisObservé
U VAttendu (H0) (UV)/2
(UV)/2 TDT (U - V)2 / (UV) c2(1df) sous H0

• Rejet de l'hypothèse nulle
• déséquilibre de liaison (LD) D?0
• liaison génétique q?1/2

ET
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Puissance des tests d'association en présence de
consanguinité

• La puissance des tests cas/témoins et TDT peut
  être augmentée en présence de consanguinité.
• Pour Cas/Témoins le gain de puissance peut être
  plus grand que pour le TDT mais nécessite
  d'estimer le facteur correctif l
• sur la généalogie complète si connue
• sur des marqueurs aléatoires
• Pour le TDT seule l'information sur le malade et
  ses parents est nécessaire (pas besoin de F ou
  de la généalogie complète)

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Identifier les gènes impliqués dans les maladies
complexes en populations consanguines Conclusion

• Les populations consanguines ont des
  caractéristiques génétiques intéressantes (IBD
  inter et intra) qui peuvent aider pour identifier
  les facteurs génétiques
• dans les maladies monogéniques
• dans les maladies multifactorielles
• Les méthodes développées dans les grandes
  populations ne sont généralement pas appropriées
• Hypothèses non vérifiées
• Augmentation de l'erreur de type 1 des tests
  Fausses conclusions

43

• Un besoin de nouvelles méthodes qui tiennent
  compte des particularités de ces populations