Genomic rearrangements and diseases

Copy number variations (CNVs) are major contributors of genomic imbalances disorders. On the short arm of chromosome 16, CNVs of the distal 220 kb BP2-BP3 region show mirror effect on BMI and head size, and association with autism and schizophrenia, as previously reported for the proximal 600 kb BP4-BP5 deletion and duplication. These two CNVs-prone regions at 16p11.2 are also reciprocally engaged in complex chromatin looping, successfully confirmed by 4C-seq, FISH, Hi-C and concomitant expression changes, and are chromatin interactors of other loci linked to autism and/or mirror phenotypes of BMI and head circumference, for example the 2p15 cytoband. Zebrafish modeling of the BP2-BP3 duplication revealed that the overexpression of the linker for activation of T cells (LAT) induces a reduction in dividing cells in the brain and number of post-mitotic neurons in the anterior forebrain, and of intertectal axonal tracts, resulting in microcephaly, and suggested this gene as major contributor in the BP2-BP3 CNVs neurodevelopmental phenotypes. KCTD13, MVP, and MAPK3, three genes mapping within the BP4-BP5 locus and major driver and modifiers, respectively, of the head circumference phenotype linked to that region, and LAT act in additive manner to increase the severity of the microcephaly phenotype, supporting the presence of genetic interaction, in addition to proximity in 3D nuclear space, between these two loci. Smith-Magenis syndrome (SMS) is a developmental disability/multiple congenital anomaly disorder resulting from deletion at 17p11.2 that includes the RAI1 gene or a nucleotide variant in that gene. We investigated a cohort of 15 individuals with a clinical suspicion of SMS, who showed negative deletion and mutational analysis in RAI1. Potentially deleterious variants were identified in eight of these subjects using WES in KMT2D, ZEB2, MAP2K2, GLDC, CASK, MECP2, KDM5C and POGZ. Analyses of coexpression, biomedical text mining, transcriptome profiling of Rai1-/- mice and chromosome contacts suggest that these genes and RAI1 are part of the same disease network. Our 4C-seq results from 16p11.2 and 17p11.2 studies indicate that chromosomal contacts' maps can be exploited to uncover functionally and clinically related genes. These findings also encourage the integration of the results obtained from various genomic approaches to unravel complex disorders and CNVs. Abstract (French) « Structure du génôme et pathologies» La variation du nombre de copies (en anglais, Copy Number Variation, CNV) est un des contributeurs principaux à la pathogenèse des syndromes génétiques rares, mais aussi des maladies multifactorielles fréquentes. Sur le bras court du chromosome 16, les CNVs de la région distale BP2-BP3 de longueur 220 kb conduisent à un effet miroir entre sous- poids et obésité sévère, et micro- et macrocéphalies, et ils sont aussi associés avec l'autisme et la schizophrénie. Des phénotypes similaires ont été observés précédemment sur la même bande chromosomique (16p11.2) pour des délétions et duplications proximales dans la région BP4-BP5 (600 kb). Ces régions BP2-BP3 et BP4- BP5 présentent des contacts chromatiniens réciproques, confirmés avec succès par différentes techniques (4C-seq, FISH, co-régulation dans l'expression des gènes, et des données Hi-C). Elles décrivent aussi des interactions au niveau de la chromatine avec d'autres loci liés à l'autisme et/ou aux phénotypes miroir de l'IMC (Indice de Masse Corporelle) et de la circonférence de la tête, par exemple avec la bande chromosomique 2p15. La modélisation de la duplication de la région BP2-BP3 dans le poisson-zèbre a révélé que la surexpression du gene LAT (en anglais, Linker for Activation of T-cells) diminue la prolifération des cellules dans le cerveau et des neurones post-mitotiques dans le cerveau antérieur et le nombre des axones entre les tecta optiques, au début du développement embryonaire. Dans les stades suivants du développement, nous observons une microcéphalie des poissons. Tous ces éléments indiquent que ce gène est le contributeur essentiel des phénotypes neuro-développementaux des CNVs de la région BP2-BP3. KCTD13, MVP et MAPK3 sont situés dans la région BP4-BP5 et, sont, respectivement, un gène principal et deux gènes modificateurs des anomalies de la taille de la tête liée à cette région. Ces trois gènes et LAT augmentent ensemble de manière additive la gravité de la microcéphalie, en soutenant la présence d'une interaction, pas seulement dans l'espace 3D nucléaire, mais aussi génétique entre les deux loci. Le syndrome de Smith-Magenis (SMS) se caractérise par un retard mental, des dysmorphies, des troubles du comportement et du sommeil très sévères, dues à une microdélétion dans la bande 17p11.2 du chromosome 17, qui comprend le gène RAI1 ou une mutation de ce gène. Nous avons étudié une cohorte de quinze personnes avec un diagnostic de SMS, mais n'ayant pas de délétion ou mutation du gène RAI1. Par le séquençage de l'exome, des mutations potentiellement délétères ont été identifiées chez huit de ces sujets dans les gènes KMT2D, ZEB2, MAP2K2, GLDC, CASK, MECP2, KDM5C et POGZ. Les analyses de la co-expression des gènes, des données de text mining, du profilage du transcriptome des souris Rai1-/- et des contacts chromatiniens font penser que ces gènes et RAI1 font partie du même « disease network ». Les résultats de 4C-seq obtenus par les études des bandes 16p11.2 et 17p11.2 indiquent que les contacts chromosomiques peuvent être exploitées pour découvrir des gènes liés d'un point de vue fonctionnel et clinique. Ces résultats encouragent également l'intégration des données obtenues à partir de différentes approches génomiques pour démêler des troubles complexes et les larges CNVs.