Le document examine la génétique de l'obésité, décrivant les mécanismes physiopathologiques et les facteurs génétiques impliqués. Il explore les mutations des gènes liés à l'obésité, les études épidémiologiques sur la susceptibilité individuelle et les effets des gènes monogéniques. Enfin, il souligne l'importance de l'interaction entre les gènes et l'environnement dans le développement de l'obésité.

1. Génétique de l’obésité Octobre 2006 LA Reunion Karine Clément Inserm U755 Nutriomique Pierre & Marie Curie/Paris 6 University Hôpital Hôtel-Dieu Paris [email_address] [email_address]

2. Obésité: physiopathologie complexe Afferent Ghreline PYY Insuline Amyline IL6 Leptine Adiponectine Efferent SN Sympathique Parasympathique Hormones thyroidiennes Candidate genes? Inserm U755 Hypothalamus

3. Arguments pour une susceptibilité génétique Analyse de populations ( épidémiologie génétique ) Transmission d’un trait dans une famille (ex masse grasse) Etudes chez les jumeaux élevés ensemble ou séparément(Registres Europe du Nord) Notion de risque relatif  s et d’héritabilité Etude d’intervention ( étude chez les jumeaux monozygotes ) Susceptibilité individuelle à la sur alimentation ou la sous alimentation Analyse de gènes de susceptibilité Formes monogéniques chez l’homme et l’animal Manipulation de l’expression des gènes (KO ou transgénique)

4. Obésités génétiques monogéniques Des syndromes aux gènes Prader-Willi Bardet Biedel Cohen Alstrom Des gènes aux syndromes Voies leptine et mélanocortine TrkB Mutch & Clement, Plos Genetics2006

5. Energy balance Human mutations Les obésité monogéniques affectent la voies leptine/mélanocortine Mutch & Clement, Plos Genetics2006 Inserm U755 Leptin Insulin Ghrelin POMC PC1 PC2 α - MSH β - MSH Arcuate Nucleus Paraventricular Nucleus MC4-R AGRP NPY AGRP LepR LepR IR GHR Adipose tissue Pancreas Stomach IR α - MSH β - MSH (?) + + - - + - HYPOTHALAMUS SIM1 BDNF TKRB ? Ventromedial Nucleus

6. Niveaux de leptine inappropriés par rapport à la corpulence (I) Inserm U755 Serum leptin concentration (ng ml -1 ) Ob1 and Ob2 heterozygote sibling normal siblings heterozygote mothers heterozygote fathers 95% confidence intervals of the mean normal children normal adults

7. Nature, 387, pp 903-908 June 26, 1997 Homozygous G del codon 133

8. Niveaux de leptine inappropriés par rapport à la corpulence (II) *Clément, Vaisse et al, Nature 1998 Inserm U755 100 80 60 40 20 0 0 200 400 600 800 BMI (kg/m 2) leptin ng/ml ? LEPR

9. Courbe d’IMC chez 3 sœurs déficientes en récepteur leptine Consanguineous family *Clément, et al, Nature 1998 Inserm U755

10. Anomalies endocrines associées aux mutations leptine et leptine récepteur Hypogonadisme hypogonadotrope Déficit en hormone de croissance Hypothyroïdie centrale Dysfonctions immunes Clément et al, Nature 1998 160 kg 17ans, 140 kg 13 ans 200 kg 22 ans OBRb 830 AAs Mutated LEPR Impulsivité alimentaire Inserm U755 Ob-Rb Ob-Ra Ob-Rc Ob-Rd Mutation X X

11. Niveaux élevés de leptine ? Chromatographie Expression leptine dans le tissu adipeux White adipocytes Leptin receptor X LeptinR * mutation *Clément, Vaisse et al, Nature 1998 Inserm U755 Ob-Rb Ob-Ra Ob-Rc Ob-Rd Mutation X X

12. Modified by Coll et al., 2004 POMC “processing” post-transcriptionnel PC1 site clivage Hypothalamus PC2 site clivage Hypophyse NH 2 COOH N-teminal JP ACTH Β -LPHl γ 3 -MSH γ 1 -MSH α -MSH CLIP γ -LPH β -MSH β -end 1-27

13. Rôle de l’  MSH dérivée de POMC MC1-R MC4-R MC2-R Surrenale Hypothalamus peau Pigment Eumelanine Inhibition PA Glucorticoïdes POMC MSH s s

14. Mutations POMC MC1-R MC4-R MC2-R POMC  MSH ACTH MSH Surrenale Hypothalamus peau Pigment Eumelanine Inhibition PA Glucorticoïdes s s Mution exon 3 (G->T nt7013 & del at 7133) No ACTH and aMSH synthesis (Krude et al, Nature genet, 1998) Et JCEM 2003

15. Déficience génétique complète en POMC 16 ans, IMC 47 kg/m 2, Insuffisance surrenale Consanguinité POMC mutation frameshift, pomc non synthétisée Clement & Leger unpublished Inserm U755

16. Obésité sévère Hypoglycémie post-prandiale Hypogonadisme Hypocortisolisme Augmentation ProInsulin /Insulin & POMC Anomalie de maturation prohormones y compris hormones digestives (malabsorption) Hétérozygotes pour 2 mutations (Gly483Arg, exon13, A->C intron4 délétion exon 5) Mutation de Proconvertase 1 O’Rahilly et al, NEJM, 1995 &Jackson et al, Nature Genet 1997, Jackson, Nat Genet 2003 Inserm U755 Fraction Number

17. Mutation de novo de TrkB Yeo et al , Nature Neuroscience, 7 (Nov 2004): 1187- 1189 8 ans Hypotonie vers 6 semaines de vie Retard psychomoteur:retard à la préhension (3 ans), marche retardée (3 ans), langage (5 ans) Comportement stéréotypé: répétitions verbales Incapacité à mémoriser l’information donnée (mémoire immédiate) Troubles de la nociception Mutation hétérozygote A>G du codon 722 du gèbe NTRK2 entraînant une altération de l’autophosphorylation du récepteur TrkB TrkB est exprimé dans l’HT et est codé par le gène Ntrk2, c’est le récepteur du BDNF Brain-derived neurotrophic factor, facteur anorexigène (en aval de MC4R)

18. Récepteur aux Melanocortines de type 4 MC4R Vaisse, Clément ( Nat Genet 1998, JCI 2000) Yeo & Farooqi ( Nat Genet 1998, JCI 2000) and B Dubern J Pediatr (2001) Mutations MC4R identifiées chez 2 à 4% des sujets obèses Très rares dans les populations non obèses Inserm U755

19. Plus de 90 mutations dans MC4R ….. 2-3% des obésités Inserm U755 305 E V F V T L G V I S L L E N I L V I V A I A N K N L S C I L L T I I I T E S G N S V S V L M D A V A F F Y D N V I D S V I C S S L L A S I C S L L S I A D R Y F F T I I T M F F T M L A L M A S L Y V H M F L M A R L H I K R I I G S V T C A A W I C S I I I G V R K V T L F F P A W C V V F V G I L I T L T I A G K M N A G Q R I L N Y A L F N L Y L I L I M C N S I I D P L I Y A H S P M S T T V N I A L Q Y H N M I I I S S Y D A S V I I C L V L P G T A G C P Q N P Y C V C F M S H Y P N S V F L E A S H L R Y S S Q F R S Q E L R K T F K E I I C C L P G L L G C D L S S R Y H L W N R G M H T S L V N S T H R M K G G L S E S C Y G G D S Y D S T F Q A D I L H S I Y F 5 249 10 15 20 25 151 131 120 127 70 63 42 80 90 97 105 137 145 163 174 168 195 179 211 253 242 260 281 298 55 185 267 235 201 216 30 35 40 K V 100 290 308 312 320 H S H L C F* M C S M L I D T P L T D I P W Q -- V T P S E I S S* Y S P H T W S T Q A V* S L K T S R K V L L C R N S S N R NH2 COOH Extracellular Intracellular

20. Conséquences Fonctionelles des mutations MC4R AGRP AMPc ? X  MSH Prise alimentaire Homéostasie Energétique Prot Gs + - Données Françaises (Classification fonctionnelle) Expression Membranaire Activité du récepteur Associations Genotype-phenotype AC N C Retention Intracellulaire => 56% des mutations Deficit de réponse à  MSH 80% des mutation Baisse activité basale => 76% des mutations Rétention Intracellulaire associée à l’obésité précoce Lubrano-Berthelier et al, HMG 2003 Srinivasan et Lubrano-Berthelier et al JCI 2004 Lubrano-Berthelier et al, JCEM 2006

21. Perte de fonction associée à une obésité sévère 3 ans, pds 27.4 kg IMC 27 kg/m 2 Hyperphagie Obésité Familiale Consanguinité Homozygote deletion gène MC4R gene (delAG 346-347) Dubern In revision Inserm U755 E V F V T L G V I S L L E N I L V I V A I A N K N L S C I L L T I I I T E S G N S V S V L M D A V A F F Y D N L N H S P M S T T V N I P N S V F L E A S H L R Y S S Q H L W N R G M H T S L V N S T H R M K G G L S E S C Y G G D S Y D S T F Q A D 5 10 15 20 25 120 70 63 42 80 90 97 105 55 30 35 40 K 100

22. Mutations MC4R MC4R homozygote (  AG 346-347) MC4R homozygote (I166V) MC4R heterozygote (13) Enfants Obeses (40) Clement Nature 1998 ; Dubern, J Pediatr 2001 and new data Mutation LEPR Inserm U755 97P 1 2 3 4 5 6 97P 50P LepR Mutation LepR Mutation

23. Mutations MC4R et « binge eating » ? Branson et al « Binge eating as a major phenotype of Melanocortin receptor gene mutations » NEJM 2003 Pas confirmé ( Farooqi et al. 2003; Gotoda 2003; Herpertz et al. 2003; Hebebrand et al. 2004, Lubrano-Berthelier, JCEM 2006 ) Le phénotype peut changer avec le temps

24. Mutations MC4R et croissance osseuse Farooqi, NEJM, 2003 Augmentation de la densité osseuse Baisse de la résorption Eleftriou Nature 2005 Ahn & Dubern Endocrinology 2006 Inserm U755

25. Mutation MC4R : illustration de la problématique de la médecine prédictive dans l’obésité Risque élevé d’obésité chez le sujet porteur d’une mutation hétérozygote On ne peut préciser quand l’obésité se développe Ni comment (expression variable) Ni si elle apparaîtra (pénétrance incomplète) L’indication de la mise sous agoniste MC4R dépendra des conséquences fonctionnelles des mutations ? (haploinsuffisance, effet dominant négatif?)

26. Pre-POMC NH 2 COOH JP PC2 ß-MSH ß-Endo CLI P α -MSH  -LPH  -MSH ACTH N-terminal peptide ß-LPH Asp53Gly Pro132Ala Phe144Leu Ala195Thr Glu214Gly Arg236Gly Phe87Leu Gly96Cys Leu209Pro Enfant Obèses: 3,7% Témoins; 2,2 % Dubern, soumis, 2006 Inserm U755 PC1 PC2 PC1 PC1 PC2 PC2 PC2 PC2

27. Conséquences fonctionnelles de la mutation Phe144Leu chez une enfant obèse ? Dubern et al, 2006, soumis Inserm U755 Altération de l’activation de hMC4R en réponse à L144αMSH Défaut de liaison de L144αMSH à hMC4R

28. 12 ans Zscore IMC 2,7 DS Evolution du poids chez une patiente porteuse de la mutation fonctionnelle Phe144Leu Dubern et al, 2006, soumis Tanner 4 Leptine 20 ng/ml (N) Gly t0, Ins t0 et HGPO N Axe corticotrope N Pigmentation N Inserm U755 97P POMC

29. Traitement du déficit en leptine before S Farooqi & S O’Rahilly Enfants déficients en leptine after 8 ans, 86 kg Homozygous G del codon 133 Montague, Nature, 1997

30. Traitement leptine chez les adultes homozygotes Cys105Thr (Licino, PNAS, 2004) C B A Y 40 35 27 Bmi 55 47 51 before WL 76 47.5 60 kg after 18 months treatment rmetHuLeptin (0.01_0.04 mg/kg) daily evening

31. ENPP1 GAD2 SLC6A14 272 études (+) 40 études (-) 208 QTL - 90 candidats 22 retrouvées dans 5 études independentes Obésités polygéniques Human Obesity Gene Map, 2006 SNP Insig2 Inserm U755

32. Interaction alimentation-Genotype Role de la mutation Pro12Ala de PPAR  Luan Diabetes 2001 24 25 26 27 ?0.39 ?0.51 ?0.66 >0.66 PPARG PPARG Pro Pro 12 12 Ala Ala BMI Provided by C Junien Ratio: Unsaturated fatty acids Saturated fatty acids

33. GAD2 nouveau gène d’obésité ? Localisé Chr 10 p (région liée à l’obésité), dans une région comprenant 30 gènes connus. Code pour une isoforme de l’acide glutamique décarboxylase (GAD65) Formation de l’acide gamma amino butyrique (GABA), qui a un rôle dans le contrôle central de la prise alimentaire (stimulation NPY,inhibition voie mélanocortine) Polymorphisme – 246 du gène avec conséquence fonctionnel (augmente activité GABA) associé avec l’obésité dans 2 data set (575 cas obèse, 646 contrôles) ( Boutin et al, Plos, 2003)

34. Deux études de confirmation négative (Swarbick MM, Plos, 2005) 2359 sujets (4 x plus)/600 familles Résultats négatifs (RR 1,1) Pas de confirmation de l’étude fonctionnelle (marker SNP -243)

35. Polymorphismes et facteurs de risque Inserm U755 1.27-1.35 (Boutin, 2004) Obesity SLC6A14 (risk haplotype) 1.4 (Clément, 1996) High weight gain UCP1 (-3826 A/G)* 3-4 (Clément, 1996) High weight gain UCP1+  3-AR 1.30 (Boutin, PLOS, 2003) Morbid obesity GAD2 (risk haplotype) 1.49 (Coudreau, 2004) Obesity dyslipidemia PTP1b (risk haplotype) Odd ratios Phenotype Gene 1.7 (Clément, 1995) High weight gain  3-AR (Trp64Arg)* 1.53 (Eberlé, 2004) Morbid obesity Diabetes dyslipidemia SREBP (risk haplotype) 1.37 ( Meyre et al, 2005) Diabetes ENPP1 (risk haplotype) 1.5-1.6* (meta-analysis) Diabetes PPAR  (Pro12Ala)

36. Interactions complexes dans l’obésité polygénique Mutch D & Clement K, Plos genetics 2006 Inserm U755

37. Obésité: histoire naturelle weight Interaction Gene & Gene Genes & Environement years Pathologie des systèmes Constitution Chronicité Aggravation Resistance/Reprise adaptation Tissus Type cellules & densité Phenotypes Biologie

38. INSERM U755 Nutriomique Génétique C Lubrano, M Mencarelli, A Legall G Bonhomme Génomique : R Cancello, C Poitou, S Taleb , C Rouault, V Pelloux Etudes cellulaires : D Lacasa, M Guerre-Millo BioInformatique JD Zucker, M Courtine, A Benis, B Hanczar, C Henegar, R Temanni Equipes Cliniques Hôtel-Dieu A Basdevant JM Oppert, C Poitou, B Guy Grand, M Gouillon Trousseau B Dubern P Tounian Biochimie C Coussieu, JM Lacorte Supports : INSERM, AFERO, Alfédiam, APHP, Agnece Nationale de Recherche Institut de Recherche Servier MC4R : C Vaisse , C Lubrano (UCSF) Expression G Barsh (Stanford), Analyse de données S Dudoit (Berkeley) Integragen : H Hager E Rochman Institut Pasteur : Ph Boutin P Froguel