Contribution of exome sequencing for the diagnosis and treatment of complex diseases

Depuis l'achèvement du projet du génome humain en 2001, le domaine de lagénomique a progressé de façon exponentielle, en grande partie grâce àl'introduction du séquençage de nouvelle génération (NGS), une technique deséquençage qui a révolutionné les méthodes d'investigation des maladiesgénétiques. L’accessibilité croissante de ces technologies permet l’essor de lamédecine de précision, basée sur une prise en charge spécifique de chaque patienten fonction de son profil génétique. Le séquençage peut être utilisé pour lediagnostic de maladies, la recherche de prédispositions génétiques, ou encore pourle choix thérapeutique en particulier en cancérologie. Le séquençage de l'exome(WES), en particulier, offre une méthode efficace pour étudier les maladies, car lesrégions exoniques représentent 2% du génome entier, mais peuvent contenir jusqu'à85% de variants fonctionnels responsables des maladies. Or, l’analyse génétiquedes patients en milieu clinique est principalement effectuée par le séquençage cibléde panels de quelques gènes choisis en fonction du contexte clinique. Le travaileffectué dans le cadre de cette thèse CIFRE en partenariat avec la sociétéPrenostics a été de développer des analyses WES pertinentes permettant decaractériser le profil génétique de patients atteints de maladies génétiques et decancers. L’objectif a été d’évaluer leur apport dans le diagnostic et l’établissement destratégies thérapeutiques personnalisées dans trois contextes distincts de pratiqueclinique, en le comparant à l’approche conventionnelle de séquençage de panels.- Dans le domaine des maladies génétiques pédiatriques, le diagnostic moléculairepar les méthodes conventionnelles n’atteint que 25%, laissant la majorité desfamilles sans conseil génétique pertinent. Notre analyse WES d’une cohorte de 26enfants atteints de maladies génétiques non diagnostiqués par les analysesgénétiques conventionnelles, notre approche WES a permis d’établir un diagnosticpositif dans 35% des cas.- Environ 5 à 10% des cancers du sein sont héréditaires, mais plus de la moitiéd’entre eux ne sont pas élucidés par le séquençage de panel classique incluant lesgènes à risque (BRCA1, BRCA2, PALB2, etc) et ne sont pas causés par des gènesde prédisposition connus. En analysant l’exome de quatre familles, nous avons tentéd’identifier les gènes en cause de cas familiaux ne présentant pas d’altération desgènes connus BRCA1/BRCA2 (familles BRCAx). Après filtration des variants à risque transmis parmi les membres atteints, nous avons identifié les gènes candidatsHIST1H1C, TYRO3, TPH1, SLC12A3 et CCNF comme de possibles gènes deprédisposition au cancer du sein. Cependant, sans études fonctionnelles pousséespermettant de valider leur implication, le WES ne semble pas apporter de bénéficepour la prise en charge de ces familles.- Enfin, dans le domaine de la cancérologie, la personnalisation du traitement est aucentre des enjeux actuels. Notre étude d’une cohorte de 35 tumeurs solidesréfractaires a démontré la faisabilité et l’efficacité du WES pour la caractérisation duprofil génétique de tumeurs solides et la prise de décision en oncologie. Ladétermination des pattern mutationnels tumoraux, de la charge tumorale et dessignatures mutationnelles à partir des données de WES a permis d’émettre dessuggestions thérapeutiques pour la moitié d’entre eux et a contribué à la modificationdu traitement d’au moins huit patients sur 35.Cette étude décrit les différentes applications, les limites et les avantages du WEScomme outil d’investigation moléculaire des maladies humaines. En démontrant lebénéfice d’utilisation du WES en clinique, nos résultats contribuent aux efforts encours pour son intégration dans le parcours de soin et le développement de lamédecine de précision.Since the completion of the Human Genome Project in 2001, the field of genomicshas grown exponentially, in large part due to the introduction of Next GenerationSequencing (NGS). This technique has revolutionized the investigation methods ofgenetic diseases, allowing high-throughput genome-wide sequencing to establish thegenetic basis of diseases. The increasing accessibility of these technologies allowsthe development of precision medicine, based on the specific care of each patientaccording to his genetic profile. Sequencing can be used for the diagnosis ofdiseases, the search for genetic predispositions to a disease, or for the therapeuticchoice, in particular in oncology. Exome sequencing (WES), in particular, offers aneffective method for studying diseases, since exonic regions represent 2% of theentire genome, but can contain up to 85% of functional variants responsible fordiseases. However, the genetic analysis of patients in a clinical setting is mainly carried out by the targeted sequencing of panels of a few genes chosen according tothe clinical context. The work carried out during this CIFRE thesis in partnership withthe company Prenostics was to develop relevant WES analyzes to characterize thegenetic profile of patients with rare genetic diseases and cancers. The objective wasto assess their contribution to the diagnosis and establishment of personalizedtreatment strategies in three distinct contexts of clinical practice, by comparing it tothe conventional approach of panel sequencing.- In the field of pediatric genetic diseases, molecular diagnosis by conventionalmethods only reaches 25%, leaving the majority of families without precise geneticcounseling. Our WES analysis of a cohort of 26 children with genetic diseases notdiagnosed by conventional genetic analyzes, our WES approach resulted in apositive diagnosis in 35% of cases.- About 5 to 10% of breast cancers are hereditary, but more than half of them are notelucidated by the genes at risk of breast cancer (BRCA1, BRCA2, PALB2, etc.) thatare included in conventional panel sequencing. By analyzing the exome of fourfamilies, we attempted to identify the genes involved in familial cases non-mutatedfor the known BRCA1 / BRCA2 genes (BRCAx families). After filtering the riskvariants transmitted among affected limbs, we identified the candidate genesHIST1H1C, TYRO3, TPH1, SLC12A3 and CCNF as possible genes of predispositionto breast cancer. However, without in-depth functional studies to validate theirinvolvement, WES does not seem to provide any benefit for patient management.- Finally, in the field of oncology, the personalization of treatment is at the center ofcurrent issues. Our study of a cohort of 35 refractory solid tumors aimed atdemonstrating the feasibility and efficacy of WES for characterizing the geneticprofile of solid tumors and for decision-making in oncology. We were able to maketreatment suggestions for half of them and helped modify the treatment of at leasteight out of 35 patients.This study describes the different applications, limits and advantages of WES as amolecular investigation tool for human diseases. By demonstrating the benefit ofusing WES in the clinic, our results contribute to the ongoing efforts to integrate it intothe care pathway and the development of precision medicine