Origen i recurrència de trastorns genòmics causats per delecions cromosòmiques

Abstract

Els trastorns genòmics són un grup de malalties genètiques causades per reorganitzacions cromosòmiques de segments de DNA de més de 1Kb que resulten de la inestabilitat del genoma en regions que presenten una arquitectura genòmica particular, caracteritzada per la presència de duplicacions segmentals (low-copy repeats – LCR). Els LCR afavoreixen el malaparellament d’aquestes regions durant la meiosi fent-les susceptibles a la recombinació homòloga no al·lèlica (non-allelic homologous recombination – NAHR) que genera diferents tipus de reorganitzacions cromosòmiques en funció de la orientació dels LCR, del número i tipus de cromàtides implicades en la recombinació. Entre les reorganitzacions cromosòmiques generades per NAHR, les delecions i duplicacions són les causants de la majoria de trastorns genòmics. Mentre que el risc de recurrència de trastorns genòmics s’ha establert per consens en ser inferior al 0.5%, recentment s’han descrit haplotips específics que podrien predisposar a aquestes regions a la NAHR i per tant incrementar el risc de transmetre certs trastorns genòmics a la descendència. Aquests haplotips de predisposició a la NAHR poden ser inversions de les regions crítiques o bé variacions del número de còpies dels blocs d’homologia que formen els LCR. La tècnica d'hibridació in situ fluorescent (FISH) en nuclis descondensats d'espermatozoides proporciona una eina útil per estimar la freqüència de NAHR a través dels seus productes. Pel que fa a l’anàlisi d’haplotips de predisposició, la tècnica de FISH sobre fibres estirades cromatina (Fiber-FISH), que permet obtenir una resolució de fins a 1 Kb, presenta un gran potencial per l’anàlisi de l’arquitectura genòmica dels LCR complexes. Així doncs, en aquest treball es va analitzar la freqüència de delecions i duplicacions de les regions 7q11.23, 15q11-q13 i 22q11.2, així com la freqüència d’inversions de la regió 15q11-q13 mitjançant FISH en espermatozoides en una sèrie d’individus control i de tres poblacions problema que consistien en pares amb descendència afecta per tres trastorns genòmics causats per deleció: la síndrome de Prader-Willi (SPW), la síndrome de Williams-Beuren (SWB) i la síndrome de DiGeorge (SDG). A més, es va utilitzar la tècnica de fiber-FISH per mapar LCR complexes. Les dades obtingudes en la població control varen indicar unes freqüències similars de delecions i duplicacions de les regions analitzades i unes freqüències d’inversions de la regió 15q11-q13 que eren un grau de magnitud superiors a les anteriors. Es van observar increments significatius d’anomalies cromosòmiques en espermatozoides d’individus amb descendència afecta per trastorns genòmics: en la població de pares amb descendència afecta per la SPW, 4 dels 16 individus van mostrar increments de delecions i inversions, mentre que 6 dels individus presentaven increments de delecions. Els resultats van suggerir que els increments d’anomalies en espermatozoides són independents de l’origen genètic de la SPW en la descendència. Aquests increments són un reflex de la inestabilitat que presenta la regió 15q11-q13 que la predisposa a diferents tipus de reorganitzacions cromosòmiques. En la població de pares amb descendència afecta per la SWB, 3 dels 15 individus mostraven increments significatius de delecions, mentre que en la població de pares amb descendència afecta per la SDG es van observar increments en 2 dels 10 individus analitzats. Aquests individus s’han de considerar de risc, en el sentit que presenten un risc incrementat de transmetre una anomalia cromosòmica a la descendència. L’anàlisi de les freqüències de delecions i duplicacions de diferents regions en aquests individus van mostrar que els increments d’anomalies cromosòmiques observats en espermatozoides d’individus amb descendència afecta per trastorns genòmics poden tenir el seu origen en la presència d’haplotips de predisposició o en un increment generalitzat de la susceptibilitat a la NAHR. Els increments significatius de delecions i inversions en espermatozoides d’individus amb descendència afecta per trastorns genòmics indiquen un increment de la freqüència del fenomen de NAHR intracromàtide. Es va demostrar que la tècnica de Fiber-FISH permet mapar LCR complexes i avaluar la presència de diferents haplotips. Els estudis de FISH en espermatozoides, dirigits a determinar la incidència de delecions i duplicacions, aporten una informació valuosa en el consell genètic reproductiu en pares amb descendència afecta per trastorns genòmics. Un resultat de FISH en espermatozoides alterat, independentment del valor numèric, s’interpretarà com l’evidència d’anomalies en el procés de recombinació i és indicatiu d’un factor de risc.

Genomic disorders are a group of human diseases caused by chromosomal reorganizations of DNA segments longer than 1 Kb resulting from the genomic instability of regions that show specific architectural features, characterized for the presence of low-copy repeats (LCR). LCR favor the mispairing of these regions during meiosis thus increasing their susceptibility to non-allelic homologous recombination (NAHR) that triggers different types of chromosomal rearrangements according with the LCR orientation, the number and type of chromatids involved in the event. Among the chromosomal rearrangements generated by NAHR, the most frequently involved in genomic disorders are deletions and duplications. NAHR events are thought to be sporadic, thus the risk of recurrence have been established in less than 0.5%. However, there have been recently described some haplotypes that could predispose these regions to NAHR thus increasing the risk of transmission of certain genomic disorders to the offspring. Those predisposing haplotypes are both inversions of the critical regions and copy-number variations of the blocks that build the flanking LCRs. The use of fluorescence in situ hybridization (FISH) on decondensed sperm nuclei provides a useful tool to estimate the frequency of NAHR events throughout its products. Besides, the methodology of FISH on stretched DNA fibers (Fiber-FISH) that allow a resolution up to 1 Kb, has a great potential for mapping complex LCRs. In this work we analyzed the frequency of deletions and duplications of the 7q11.23, 15q11-q13 and 22q11.2 regions, plus the frequency of 15q11q13 inversions using sperm-FISH in a series of control individuals and in three populations consisting on fathers with a deletion-caused genomic disorder affected offspring: Prader-Willi syndrome (PWS), Williams-Beuren syndrome (WBS) and DiGeorge syndrome (DGS). Furthermore, we used the Fiber-FISH methodology to study complex LCR. Data obtained in the control population showed equivalent frequencies of sperm deletions and duplications in the regions analyzed and frequencies of 15q11q13 inversions that were an order of magnitude higher than the previous anomalies. We observed significant increases of sperm anomalies in some individuals with genomic disorders affected offspring: in the populations of PWS fathers, 4 out of 16 subjects showed higher frequencies of deletions and inversions, while 6 subjects showed increases of deletions. Results suggested that the increases of sperm anomalies are independent of the genetic origin of the PWS in the offspring. The significant increases of sperm anomalies are a reflex of the genomic instability of the 15q11-q13 region that makes it prone to different types of chromosomal rearrangements. In the populations of WBS fathers, 3 out of 15 individuals showed significant increased frequencies of anomalies and in the population of DGS fathers we observed 2 out of 10 subjects that showed higher frequencies of anomalies. These subjects should be considered risky individuals, because they show an increased risk of transmission of genomic disorders to the offspring. From the analysis of deletions and duplications of different regions in each individual, our results pointed out that the increased frequencies of sperm anomalies had their origin in the presence of predisposing haplotypes and a generalized susceptibility to NAHR events. The significant increases of sperm deletions and inversions suggested that the fathers with genomic disorders affected offspring have an increased frequency of the intrachromatid NAHR mechanism. There have been demonstrated the potential of the Fiber-FISH methodology to map complex LCRs and for the assessment of variable haplotypes. The methodology of sperm-FISH for analyzing the incidence of deletions and duplications, offers valuable information for the reproductive genetic counseling in fathers with offspring affected by a genomic disorder. An altered sperm-FISH result, independently of the numerical value, will be interpreted as the evidence of anomalies in the process of recombination and, therefore, indicates a risk factor.