Le mongolisme premier exemple d'aberration autosomique humaine

Jérôme LEJEUNE, Raymond TURPIN et Mlle Marthe GAUTIER

Annales de Génétique, Vol. 1, n° 2, juillet 1959, pp. 41-49.

Résumé :

• Technique d'examen
• a) Culture.
• b) Accumulation des mitoses.
• c) Eclatement et fixation.
• d) Coloration.
• e) Observation.


• Résultats
• a) Les 46 chromosomes somatiques de l'homme normal.
• b) Morphologie des chromosomes normaux.
• c) Les chromosomes des enfants mongoliens.
• d) Le chromosome surnuméraire des enfants mongoliens.


• Conclusions




• Sumario


• Zusammenfassung


• Annexes

Le mongolisme possède une place à part dans les maladies constitutionnelles. En effet, la concordance entre jumeaux monozygotes, l'exceptionnelle répétition de la tare dans certaines fratries (R. Turpin et J. Lejeune, 1953) (1), ainsi que la mise au monde d'enfants mongoliens et non mongoliens par des mères mongoliennes (M. Lelong et coll, 1949) (2) (Swrayer et Shafter, 1957) (3), laissent soupçonner l'existence d'un mécanise génétique, bien qu'aucun modèle mendélien simple ne puisse être proposé. Par ailleurs, l'hypothèse de la récurrence d'une mutation dominante semble exclue par la fréquence très élevée de la maladie.

Pour ces raisons il nous a semblé nécessaire d'examiner la garniture chromosomique des cellules somatiques des enfants mongoliens, l'hypothèse d'une aberration chromosomique paraissant assez vraisemblable (R. Turpin et coll., 1937) (14).

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Technique d'examen

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a) Culture.

Un fragment de tissu conjonctif (fascia lata ou aponévrose musculaire), prélevé asepticluement, est transporté au laboratoire dans une compresse stérile imbibée de sérum physiologique ; le tout enfermé dans une boîte de Pétri.

Ce fragment est ensuite divisé en plusieurs expiants de 2 mm de côté environ qui sont placés sur une lamelle couvre-objet, introduite dans un tube à fond plat du type Institut Pasteur.

L'ensemble de la technique décrite en détail par l'une de nous (M. Gautier et coll., 1958) (4) permet des manipulations relativement très simples.

Le milieu de culture est composé à parties égales de sérum humain et de solution de Hanks auxquels on ajoute, pour 10 gouttes de milieu, 1 à 2 gouttes de jus d'embryon de poulet fraîchement préparé (incubation de 9 à 10 jours).

Les tubes sont bouchés avec du caoutchouc gris, non toxique et portés dans une étuve ordinaire à 37°, sans contrôle de la teneur en CO2.

Après un temps variable (4 à 6 jours) on observe la croissance d'une couronne de fibroblastes autour des explants. Ceux-ci sont enlevés et transférés dans d'autres tubes, si l'on désire continuer la culture.

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b) Accumulation des mitoses.

L'utilisation de la colchicine et de ses dérivés, proposée par de nombreux auteurs, permet, par blocage des divisions cellulaires, d'obtenir une importante accumulation de cellules en mitoses. Cependant, cette drogue nous semble modifier la résistance mécanique des chromosomes et perturber leur morphologie. De plus une séparation précoce des centromères ou même une fragmentation des chromosomes à leur niveau viennent compliquer les comptages, et sont probablement la cause des variations du nombre chromosomique rapportées par certains auteurs (5) (6). Nous n'utilisons donc pas cette substance et employons la technique suivante.

24 à 48 heures après enlèvement de l'explant, une croissance satisfaisante entraîne l'acidification du milieu. Le moment exact du nourrissement est décidé en jonction de l'aspect de la culture et de la coloration de l'indicateur de pH contenu dans la solution de Hanks.

A ce moment le pH est ajusté par addition de quelques gouttes d'une solution isotonique de bicarbonate de sodium à pH 7,6 (au, plus simplement, par addition de quelques gouttes de solution de Hanks) et l'on ajoute à l'ancien milieu ainsi alcalinisé 2 gouttes d'extrait embryonnaire de poulet.

Après une nouvelle incubation de 16 heures, les lamelles sont retirées et l'on observe alors un très grand nombre de mitoses, les stades les plus fréquents étant des prophases tardives et des pro-métaphases.

Il nous semble que la période d'acidité du milieu permet une synchronisation des divisions cellulaires, que l'extrait embryonnaire vient secondairement stimuler.

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c) Eclatement et fixation.

Le choc hypotonique préconisé par Hsu (1952) (7) puis par Tjio et Levan (1956) (8), Ford et Hamerton (1956) (9) et de nombreux auteurs à leur suite, permet une bonne dispersion des chromosomes. Cependant l'utilisation de solutions salines étendues entraîne une certaine dégradation des chromosomes et parfais des cassures. De même l'emploi de substances " mouillantes " Céquartyl, Teepol et Tweens, fait courir de grands risques d'artéfacts.

Après quelques tâtonnements, notre technique actuelle consiste à diluer du sérum humain au 1/6 une partie de sérum pour cinq parties d'eau distillée) et à plonger les lamelles dans ce liquide à 37° pendant 20 à 35 minutes, selon l'épaisseur du coagulum. Pour les cultures sans coagulum le temps de 20 minutes est suffisant.

Cette solution hypotonique de sérum nous paraît respecter l'intégrité des chromosomes et lorsque le séjour n'est pas trop prolongé les cassures chromosomiques sont absolument exceptionnelles.

Après ce traitement les lames sont fixées par le mélange de Carnoy pendant 45 minutes.

Puis, selon la méthode proposée par Rothfelds et Sirhinovitch (1958) (10), les lamelles sont retirées du fixateur et laissées à l'air libre jusqu'à séchage complet pour obtenir, un aplatissement des préparations.

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d) Coloration.

La technique classique de Feulgen permet alors d'obtenir de bonnes préparations mais nous préférons utiliser une coloration légèrement différente.

Les lamelles sont d'abord portées à l'étuve à 60° dans de l'HCl normal pendant 7 minutes 1/2 ; un rinçage soigneux à l'eau distillée suit cette hydrolyse.

Les lamelles sans alors recouvertes d'une solution de bleu de Unna pendant dix minutes. Après un rinçage soigneux à l'eau distillée, un second rinçage à l'alcool absolu permet d'éliminer l'excès de colorant. Pour les préparations très épaisses (pousse abondante, coagulum trop épais) ce simple passage dans l'alcool pendant 1 à 2 minutes ne permet pas toujours un nettoyage suffisant. Dans ces cas, une différenciation très courte, surveillée à vue, dans l'eau acétique à 1 p. 1.000 et suivie d'un nouveau rinçage à l'eau distillée, peut être utilisée avant passage dans l'alcool absolu. Cependant cette différenciation est très délicate et nous préférons souvent une surcoloration de certaines parties de la préparation à une différenciation trop poussée qui risque de décolorer complètement les chromosomes.

Une des difficultés de la technique réside dans le fait que si le bleu de Unna n'est pas très soigneusement filtré avant utilisation, et si le rinçage après hydrolyse et après bleu de Unna n'a pas été suffisant, le colorant précipite, rendant parfois presque illisibles des préparations par ailleurs excellentes.

Si la croissance a été satisfaisante on peut obtenir par cette méthode un très grand nombre de prophases tardives au de pro-métaphases, dont quelques-unes " parfaites " (de 1 à 20 selon les lamelles). Les stades plus précoces (prophase vraie) ne donnent que très rarement des cellules " parfaites " (cf. infra).

L'intérêt de la coloration proposée ci-dessus nous semble résider dans l'obtention d'un excellent contraste (cytoplasme invisible et chromosomes bien colorés en violet-pourpre), la mise en évidence d'une structure moniliforme des chromosomes (chromocentres à la limite de la visibilité microscopique), et, enfin, la détection des petits bras hétérochromatiques des chromosomes dits télocentriques, et qui de ce fait devraient plutôt être appelés acrocentriques. Par ailleurs le contraste ainsi obtenu facilite grandement la photographie.

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e) Observation.

Les meilleures mitoses sont alors sélectionnées au faible grossissement et photographiées sur film 24 X 6 (mi-crofilm Kodak, microscope Zeiss, immersion 90, grossissement sur le film = X 375).

Les clichés positifs (agrandissement X 8 par rapport au négatif) donnent un agrandissement terminal dé 3.000 et tous les comptages rapportés dans le présent article sont faits sur ces clichés.

Par ailleurs un très grand nombre de cellules sont comptées directement sous le microscope, mais ces résultats, bien qu'entièrement concordants avec ceux obtenus sur épreuves photographiques ne sont pas mentionnés ci-dessous par souci de brièveté.

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Résultats

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a) Les 46 chromosomes somatiques de l'homme normal.

Ainsi que nous l'avons précédemment rapporté (J. Lejeune, M. Gautier et R. Turpin, 1959) (11) cette technique nous a permis de confirmer l'existence de 46 chromosomes dans les noyaux de cellules somatiques d'individus normaux (Tjio et Levan, 1956) (8).

Aux quatre garçons et aux deux filles cités dans ce précédent travail sont venus s'ajouter 4 autres enfants normaux, 2 garçons et 2 filles.

De plus, un garçon malformé (absence de main), un garçon atteint d'ostéopsathyrose et une fille atteinte d'achondroplasie, ainsi que le frère jumeau (normal) d'un enfant mongolien ont été examinés. Aucune anomalie du nombre chromosomique n'a été décelée chez ces quatre sujets.

Dans chaque cas un minimum de 5 et un maximum de 20 cellules " parfaites " ont été décomptés. Nous entendons par cellule " parfaite " une cellule dans laquelle chaque chromosome peut être individuellement identifié et dans laquelle aucune cassure n'est observée. Toute cellule dont la photographie révèle une superposition de chromosomes nécessitant une interprétation est réputée " douteuse ".

Chez tous les individus qui viennent d'être cités les cellules " parfaites " révèlent un nombre diploïde de 46 chromosomes, 80 cellules " parfaites " au total ayant été photographiées pour ces 14 individus.

Ainsi que nous l'avons déjà fait remarquer les cellules " parfaites " ne révèlent aucune variation du nombre chromosomique, et il nous semble légitime de préférer un petit nombre de comptages absolument certains à une accumulation de données douteuses dont la variance ne dépend que de l'imperfection des observations.

Tous les comptages mentionnés ici sont effectués sur des toutes premières pousses, moins de 15 jours in vitro. Nous signalerons simplement pour mémoire que le nombre diploïde de 46 a été régulièrement vérifié sur certaines cultures maintenues plus de six mois in vitro.

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b) Morphologie des chromosomes normaux.

Ainsi que le montrent la figure 1 et la figure 2 il est possible d'apparier 2 par 2 les 22 autosomes pour tenter un classement en fonction de la taille relative des éléments et de la position du centromère.

La classification que nous présentons ci-après se rapproche, avec précisions complémentaires, des observations de Tjio et Levan (1956) (8) et de celles de Ford et Jacobs (1958) (5). Elle est obtenue par un montage photographique des chromosomes de la figure 1, découpés sur un positif très agrandi et mis en ordre.

Le premier groupe de grands chromosomes, est très aisément identifiable : le plus grand, G1, a un centromère médian, le second, G2, est un peu plus petit avec un centromère légèrement distal, enfin G3 un peu plus court que G2, a un centromère presque médian. Les 2 paires G4 et G5 sont peu différenciables l'une de l'autre. Toutes deux possèdent un centromère franchement distal.

Le deuxième groupe comprend 4 paires de taille moyenne à centromère peu distal, M1, M2, M3, M4 et le troisième, trois paires plus petites à centromère plus distal Md1, Md2, Md3.

Le chromosome X à centromère moins distal que les Md est de la même taille qu'eux.

Son identification est possible cher l'homme par exclusion après réalisation des autres paires, mais son identification directe sous le microscope est très délicate et peu sûre.

Le quatrième groupe comprend 3 paires télocentriques T1, T2 et T3, les deux premières ayant de petits bras hétérochromatiques bien marqués, ceux de T3 étant nettement plus courts. Le diagnostic de chaque paire à l'intérieur de cette classe reste cependant assez incertain.

Les deux petits chromosomes P1 et P2 du groupe suivant ont un centromère très distal et sont bien reconnaissables.

Enfin trois paires en forme de croix de St André, C1, C2, et C3 sont très clairement visibles, C1 étant nettement plus grand que C2 et C3.

Pour terminer 2 paires de petits télocentriques en forme de V, Vh et Vs sont reconnaissables l'une de l'autre, Vh ayant de petits bras hétérochromatiques et Vs n'en ayant pas ou pratiquement pas.

Enfin le chromosome Y, un peu plus petit que Vs semble lui aussi dépourvu de bras hétérochromatiques.

La fig. 3 et son caryotype fig. 4. révèlent chez une fille normale, la présence de 22 autosomes, identiques à ceux de la cellule mâle précédente (fig. 2) ; on remarque seulement la présence de 2 chromosomes X et l'absence du chromosome Y.

Le diagnostic chromosomique du sexe est donc parfaitement réalisable en culture de tissus et, pour éviter la laborieuse classification du caryotype, on peut, comme l'ont proposé Ford et Jacobs (5) compter simplement la catégorie des moyens (M + Md), soit un total de 16 chez la femme et de 15 chez l'homme, et la catégorie des petits télocentriques : 5 chez l'homme et 4 chez la femme.

Fig. 1. - Cellule masculine normale (fibroblaste) après dispersion des chromosomes.

Fig. 2. - Caryotype après mise en ordre des chromosomes.

Fig. 3. - cellule féminine normale (fibroblaste) après dispersion des chromosomes.

Fig. 4. - Caryotype, agrès mise en ordre des chromosomes.

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c) Les chromosomes des enfants mongoliens.

Un 10e cas de mongolisme étant venu s'ajouter aux 9 cas précédemment publiés (J. Lejeune, M. Gautier, R. Turpin, 1959) (11) et (12), les résultats des observations réalisées à ce jour peuvent être résumés dans le tableau suivant.

Il ressort de ce tableau que les enfants mongoliens possèdent 47 chromosomes au lieu du chiffre normal de 46.

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d) Le chromosome surnuméraire des enfants mongoliens.

La figure 5 (enfant mongolien mâle Mg 2) et le caryotype de cette cellule (fig. 6) ainsi que la cellule de mongolienne (Mg B) (fig. 7) et son caryotype (fig. 8) révèlent que les 20 premières paires autosomiques, et les chromosomes X et Y ont une morphologie normale chez ces enfants.

Par contre, on voit qu'il existe 6 petits télocentriques chez les garçons (l'Y compris) au lieu de 5 normalement.

Le chromosome surnuméraire est donc un petit télocentrique.

Une analyse plus précise révéla que chez les filles mongoliennes (fig. 8), trois des petits télocentriques sont du type Vh avec de petits bras hétérochromatiques, les deux autres étant du type Vs, sans bras hétérochromatiques.

De même chez les garçons (fig. 6) on trouve Vh (à petits bras hétérochromatiques), et 2 Vs (sans petits bras) et l'Y.

Ces observations étant réalisables sur presque toutes les cellules " parfaites ", il nous semble légitime de conclure que nous sommes en présence d'une trisomie pour le chromosome Vh, bien que la possibilité d'un autre type d'aberration ne puisse être définitivement écartée.

Fig. 5. - Cellule d'un garçon mongolien, après dispersion des chromosomes.

Fig. 6. - Caryotype, après mise en ordre des chromosomes.

Fig. 7. - Cellule d'une fille mongolienne après dispersion des chromosomes.

Fig. 8. - Caryotype, après mise en ordre des chromosomes.

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Conclusions

L'existence d'une trisomie pour le chromosome Vh chez les enfants mongoliens, permet de penser que cette aberration chromosomique pourrait être la cause même de la maladie.

En effet une non-disjonction des éléments de cette paire lors de la méiose pourrait conduire une fois sur deux à la production d'un gamète diploïde pour le chromosome Vh et normalement haploïde pour le reste du génome ; dès lors la fécondation par un gamète haploïde normal entraînerait la formation d'un zygote trisomique pour le chromosome Vh.

Certains mécanismes de non-disjonction sont connus chez la drosophile pour être influencés par le vieillissement maternel ; la curieuse corrélation entre âge maternel avancé et mongolisme [L. S. Penrose, 1934 (17)] pourrait s'expliquer alors par une non-disjonction au cours de la méiose ovulaire.

Il est par ailleurs intéressant de rappeler que le mongolisme entraîne la résurgence de certains caractères typiques des simiens inférieurs (Turpin et Lejeune, 1954) (13). S'il est vrai que l'un des mécanismes de l'évolution ait été l'accumulation de gènes modificateurs, qui rend progressivement récessifs certains gènes primitivement dominants, le surdosage génique résultant de la trisomie pourrait rendre compte de la réapparition des caractères controlés par ces gènes.

A ce propos l'augmentation de fréquence significative de signes somatiques de la série mongolienne (Turpin et coll., 1957) (14) ; (1947) (15) (16) ; (L. S. Penrose, 1954) (17) dans les familles entachées de mongolisme pose le problème de la localisation sur le chromosome Vh des gènes contrôlant ces caractères.

Au total il nous semble que la trisomie pour le chromosome Vh rende compte de toutes les particularités de la maladie mongolienne, y compris la réapparition de la maladie dans la descendance de mère mongolienne.

D'une façon générale ce même phénomène de nondisjonction, intéressant alors le chromosome X, pourrait être la cause de certains syndromes d'intersexualité. Récemment un cas d'anomalie chromosomique possible, XXY, dans un syndrome de Klinefelter a été publié par P. A. Jacobs et J. A. Strong, 1959 (6).

Il est logique de penser que cette non-disjonction pourrait intéresser d'autres paires chromosomiques que les Vh ou les X mais l'haploïdie ou la trisomie pour un autre type de chromosome entraînerait peut-être un déséquilibre génique trop grand pour que le développement du zygote soit possible. Néanmoins la recherche d'anomalies chromosomiques dans les syndromes constitutionnels graves (spécialement les malformations congénitales, viables ou non) doit être poursuivie.

Il est en effet très possible que la technique de culture cellulaire inventée par Carrel devienne dans un proche avenir un moyen d'investigation fondamental dans l'étude de la génétique humaine.

Bien que la trisomie mongolienne permette de proposer une étiologie du mongolisme, elle n'apporte guère de lumière sur la pathogénie de l'arriération mentale dont sont affectés ces enfants. Seule l'étude des troubles biochimiques résultant de cette trisomie permettrait d'aborder ce problème, dont la solution aurait peut-être des conséquences thérapeutiques.

A la suite de la publication de nos deux premières notes (11) (12) sur la présence d'un chromosome surnuméraire chez les mongoliens trois communications personnelles nous sont parvenues, confirmant les faits exposés.

L'une du Docteur E. FORD, de Harwell, concerne un mongolien atteint de syndrome de Klinefelter, et porteur de 48 chromosomes dont 2 X et six petits télocentriques. La seconde provient du Docteur COURT BROWN, d'Edimburg, elle concerne un travail de M. Patricia A. JACOBS, A. G. BAIKIE, W. M. COURT BROWN et J. A. STRONG sur six individus mongoliens porteurs de 47 chromosomes dont un petit télocentrique surnuméraire.

Ces deux articles sont parus dans : Lancet, saturday 4 april 1959, 1, 709-710.

Enfin une troisième communication du Docteur J. BÖÖK, d'Upsala (Suède), fait état de trois cas de mongolisme à 47 chromosomes.

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Sumario

El análisis de los cariotipos de células somáticas de niños y niñas afectos de mongolismo permite el recuento de 47 cromosomas en vez de la cifra normal de 46. Este cromosoma supernumerario, es un pequeño telocéntrico, en forma de V y con brazos pequeños heterocromáticos (Vh). Este identifica ción ha llevado a relacionar tal aberración cromosomica a la no-disjunción de los elementos del par Vh cuando la meiosis.

La fecundación de algún gameto diploide para el cromosoma Vh, por un gameto haploide normal provocaria la formación de un zigoto trisomico para el cromosoma Vh. Esta aberración ; primer ejemplo de trisomia humana, compatible con la vida y aun la reproducción, da cuenta de las particularidades de la enfermedad mongólica. Algunos mecanismos de no-disjunción recibiendo influencia en la drosofila por el envejecimiento de la mosca hembra, la rare corelación entre edad materna avanzada y frecuencia del mongolismo encontrarian en enta trisomia su explicación.

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Zusammenfassung

Die Analyse der Karyotypen somatischer Zellen bei Jungen und Mädchen, welche einen Mongolismus ouf wiesen, führte zur Feststellung, dans dieser Karyotyp 47 Chromosome auf weist, anstatt der normalen Zahl 46. Dieser überzählige Chromosom ist ein kleiner Telozentrischer in Form eines V mit kleinen, heterochromatischen Armen (Vh). Diese Identifizierung führte dazu, diese chromosomale Aberration an eine Nichttrennung der Elemente des Paars Vh während der Meiose zu knüpfen.

Die Befruchtung eines diploiden Gameten für des Chromosom Vh durch einen normalen haploiden Gameten würde zur Bildung einer trisomatischen Zygote für diesel Chromosom Vh führen. Diese mit dem Leben und sogar mit der Fortpflanzung vereinbare Aberration, erstes Beispiel von menschlicher Trisomie, legt Rechenschaft über die Eigenarten des Mongolismus ab. Da gewisse Mechanismen von Nichttrennung bei der Taufliege unter dem Einfluss des Alterns des Weibschens stehen, bringt diese Trisomie sogar aine Erklärung für die merkwürdige wechselbeziehung zwischen dem fortgeschrittenen Alter der Mutter und der Häufigkeit des Mongolismus.

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