Dès les années 1980, l’utilisation des hétéromorphismes chromosomiques a permis de déterminer l’origine parentale de la non-disjonction et le stade méiotique auquel elle survient. Par la suite, l’utilisation des marqueurs hautement polymorphes permettant d’étudier l’ADN des parents et de l’enfant trisomique a beaucoup facilité et amélioré cette démarche. Pour déterminer l’origine parentale, aucune contrainte ne limite le choix des marqueurs étagés tout le long du chromosome 21 (chr 21). En revanche, seuls les marqueurs les plus proches du centromère permettent de déterminer à quel moment de la méiose l’erreur de ségrégation est survenue. L’observation d’une homozygotie pour tous les marqueurs polymorphes répartis sur toute la longueur du chromosome indique habituellement une erreur survenue lors des mitoses postzygotiques [ 2].

Les résultats de ces études montrent que 90 % des trisomies 21 résultent d’une erreur au cours de la méiose maternelle et 8 % d’une erreur paternelle. Dans 2 % des cas, il existe une non-disjonction mitotique postzygotique [ 3]. Ensuite, la fréquence et le mécanisme de non-disjonction varient en fonction du contexte gamétique puisque, dans l’ovocyte, une erreur de la première division méiotique (MI) [ 52] est trois fois plus fréquente qu’une erreur de deuxième division méiotique (MII) tandis qu’elles sont de fréquence égale dans les spermatocytes [ 4, 5].

Une des fonctions essentielles des chiasmata² est, outre d’assurer la cohésion des centromères et des chromatides sœurs, de stabiliser et d’orienter les bivalents (chromosomes dupliqués et appariés) sur la plaque équatoriale au cours de la première division méiotique.

Warren a été le premier à montrer qu’une non-disjonction était associée à une diminution de la recombinaison génétique entre les chromosomes 21 [ 6]. Les études suivantes ont montré qu’environ 45 % des trisomies 21 résultant d’une erreur de première division méiotique maternelle étaient associées à une absence de recombinaison génétique entre chromosomes homologues. En outre, ces études ont montré que la position du crossing over sur le chromosome 21 avait également son importance. Un échange unique en position télomérique était associé à une erreur de première division méiotique tandis qu’un échange unique en position centromérique était associé à une erreur de deuxième division méiotique [ 7].

En effet, il est possible qu’un échange péricentromérique produise un enchevêtrement chromosomique entraînant une non-disjonction de première division méiotique de l’ensemble du bivalent. Celui-ci se sépare ensuite mimant une non-disjonction de deuxième division méiotique. Il a aussi été proposé que ces échanges péricentromériques puissent interférer avec la cohésion des chromatides sœurs causant une division prématurée de celles-ci en première division méiotique. Si ces chromatides migrent ensuite vers le même pôle cellulaire en première et deuxième division méiotique, un gamète disomique résultant apparemment d’une erreur de deuxième division méiotique sera produit.

Malheureusement l’analyse moléculaire ne nous permet pas de distinguer une erreur de deuxième division méiotique qui résulte d’une séparation prématurée des chromatides sœurs en méiose I, d’une non-disjonction en méiose I suivie d’une division réductionnelle en méiose II ou d’une erreur de méiose II à la suite d’une méiose I normale [ 51] (Figure 1).

L’augmentation de la fréquence de la trisomie 21 à la naissance en fonction de l’âge maternel est d’abord modérée : de 0,05 % à 20 ans à 0,1 % à 30 ans. Elle s’accèlère ensuite, passant de 0,25 % à 35 ans à 3 % à 45 ans. Cette relation a été décrite par Penrose il y a plus de 60 ans, bien avant que la base chromosomique du syndrome de Down ne soit élucidée. Les études de l’origine parentale montrent bien que cet effet est lié uniquement aux erreurs d’origine maternelle et non à celles d’origine paternelle [ 8]. Il semble donc clair que l’ovaire, et non pas l’utérus, soit la source de cet effet de l’âge maternel.

En dépit de toutes ces avancées, le mécanisme expliquant l’effet de l’âge maternel reste largement inconnu. La plupart des recherches se sont concentrées sur divers aspects de la fonction ovarienne tels que les modifications des composantes ovocytaires, les changements du pool d’ovocytes et les modifications ovariennes observées en fonction de l’âge [ 9]. Les premières études indiquaient une forte prédominance des erreurs de la première division méiotique maternelle. Ces premières données semblaient concorder avec nos connaissances de la physiologie ovarienne qui montrent que chez la femme, la première division méiotique débute au cours de la vie fœtale et se termine plusieurs décennies plus tard, au moment de l’ovulation [52]. Au contraire, la deuxième division méiotique est initiée et achevée en 3-4 jours au moment de la fécondation. Les études plus récentes, y compris chez la femme, montrent cependant que les deux divisions méiotiques sont influencées par l’âge maternel [ 10]. Donc l’arrêt de la méiose au cours de la vie fœtale et sa reprise après plusieurs années compromettent la capacité de l’ovocyte à effectuer convenablement les deux étapes de la méiose. En outre, les erreurs de deuxième division méiotique sont plus fréquentes chez les femmes âgées de moins de 19 ans et de plus de 40 ans [ 11]. Ceci suggère que des facteurs additionnels présents au début et à la fin de la vie reproductive prédisposent à ce type d’erreur méiotique. Des études menées chez la souris ont montré en effet qu’une migration anormale des bivalents sur la plaque équatoriale au cours de la première division de méiose pouvait entraîner une séparation prématurée des chromatides-sœurs en MI et MII. Ces altérations semblent résulter d’une croissance anormale des ovocytes telle qu’on peut l’observer au début et à la fin de la vie reproductive, conséquence de dysfonctionnements hormonaux.

Les études les plus récentes ont analysé la relation entre les anomalies de la recombinaison et l’âge maternel. Les résultats de ces études montrent que l’absence de recombinaison et la présence d’un échange en position télomérique sont des facteurs de prédisposition à la non-disjonction, mais cette fois indépendants de l’âge maternel [ 12]. Vraisemblablement dans ces conditions, l’intégrité des chiasmata et/ou la cohésion des chromatides sœurs sont compromises et la stabilité et/ou l’orientation des bivalents sur la plaque équatoriale sont tellement affectées que ceux-ci se comportent comme des univalents en première division méiotique. En revanche, la présence d’un échange en position péricentromérique est clairement associée à une augmentation de l’âge maternel, peut-être parce que celui-ci accentue la dégradation des protéines de cohésion centromérique [ 13].

En somme, aux deux facteurs de risque de non-disjonction observés chez la femme jeune - l’absence de recombinaison génétique et la présence d’un échange en position télomérique - viennent s’ajouter au fil du temps les non-disjonctions impliquant les bivalents où le nombre et la position des chiasmata sont normaux parce que la machinerie méiotique devient de moins en moins efficiente. Enfin, au delà de 40 ans apparaissent les non-disjonctions liées à un échange péricentromérique.

Le phénotype de la trisomie 21 est complexe et variable. Il comprend de nombreux traits cliniques dont une partie seulement est commune à tous les individus atteints comme la dysmorphie faciale caractéristique, le déficit cognitif, l’hypotonie ou les anomalies des dermatoglyphes³. Les anomalies cérébrales sont caractérisées par une réduction de la taille du cerveau, de la complexité et du nombre de neurones, et l’apparition précoce de signes histologiques de la maladie d’Alzheimer [ 14]. La fréquence élevée de plusieurs pathologies telles que les malformations cardiaques, les leucémies de l’enfant ou la maladie de Hirschsprung⁴, qui s’observent aussi en dehors de la trisomie 21, suggère un effet de seuil facilitant l’expression de gènes prédisposants présents dans la population générale.

Pour des raisons pratiques et éthiques évidentes, les modèles murins ont joué un rôle majeur dans l’étude de la pathogénie du syndrome de Down [ 15]. Les régions homologues du chr 21 humain (HSA21) sont réparties chez la souris sur 3 chromosomes différents, MMU16 étant le chromosome murin comportant la plus large région d’homologie (environ 23 Mb). Bien qu’aucun modèle murin ne corresponde à la trisomie 21 complète, les modèles existants expriment des phénotypes correspondant à certains traits phénotypiques, y compris les déficits d’apprentissage et du comportement. L’un des modèles les mieux étudiés, Ts65Dn, correspond à une trisomie partielle pour le chr 16 murin et contiendrait environ 130 gènes orthologues du 21 humain [ 16]. D’autres modèles correspondent à des trisomies partielles plus petites, comme Ts1Cje, avec 91 gènes orthologues [ 17]. Un modèle de souris chimérique avec une proportion importante de cellules contenant un chr 21 humain presque complet a été obtenu [ 18]. Des souris transgéniques pour un seul gène orthologue du 21 humain ont également été largement utilisées.

Les progrès de la génétique moléculaire ont permis une connaissance de plus en plus précise de la carte physique et génétique du chromosome 21 depuis les premières localisations géniques obtenues par la technique des hybrides somatiques, qui concernaient les gènes SOD1 (superoxide dismutase 1) et IFNAR1 (interferon-alpha/beta receptor alpha chain) [ 19], jusqu’à la publication en mai 2000 de la séquence de 99,7 % (33,46 Mb) du bras long du chr 21 [ 20]. Le chr 21 est, chez l’homme, l’un des plus petits chromosomes, son bras long représentant environ 1 % de la séquence totale du génome. Le contenu en gènes est très variable selon les régions. Le nombre exact de gènes n’a pas été déterminé avec certitude, l’estimation initiale était de 225 gènes, mais l’étude de la transcription suggère que l’annotation de la séquence est loin d’être complète. L’estimation actuelle est de près de 400 gènes codant pour des protéines [ 21]. L’annotation génique du 21 s’appuie aussi sur la génomique comparative, par exemple avec la séquence du chr 22 du chimpanzé, qui est homologue du chr 21 humain, ou avec le génome murin. Ces comparaisons ont permis de mettre en évidence la présence de séquences conservées non codantes (CNG) très probablement fonctionnelles, bien que cette fonction reste inconnue à ce jour [ 22]. Enfin, plusieurs microARN ont été identifiés sur le chr 21 [ 23], sans que leur rôle soit précisément connu.

L’étude de l’expression spatiale et temporelle des gènes portés par le chr 21 a été déterminante pour la compréhension de la pathogenèse de la trisomie 21. De nombreux travaux ont comparé les différences des niveaux d’expression génique dans les tissus trisomiques comparés aux mêmes tissus diploïdes chez l’homme et chez la souris. Un atlas d’expression des gènes orthologues du 21 chez la souris a pu être établi [ 24]. Les résultats montrent le caractère complexe de la régulation de l’expression des gènes présents en triple dose [ 25, 26]. Une partie seulement des gènes du chr 21 est surexprimée au-delà de la valeur théorique de 1,5, d’autres l’étant à des valeurs différentes, d’autres encore étant sous-exprimés. L’expression est largement compensée pour de nombreux gènes [ 27]. La régulation de l’expression peut être spécifique d’un tissu donné et varier au cours du développement. Il existe aussi une variabilité de l’expression en fonction des individus avec un chevauchement du niveau d’expression entre les sujets trisomiques et les sujets normaux [ 28]. De façon intéressante, l’étude du transcriptome a aussi mis en évidence une dérégulation de l’expression de gènes disomiques, situés en dehors du chr 21, qui constituent non seulement des gènes candidats mais aussi des cibles thérapeutiques éventuelles [ 29, 30].

L’identification et l’isolement des gènes portés par le chr 21 ont constitué très tôt l’objectif majeur des recherches visant à comprendre l’origine des anomalies phénotypiques observées dans la trisomie 21. Dans une première étape, pour faciliter l’étude de la pathogenèse du syndrome, les chercheurs ont tenté de cibler les gènes à étudier en priorité. L’étude des corrélations génotype-phénotype des rares cas de trisomie 21 partielles dues à la mauvaise ségrégation de translocations parentales ou d’inversions (environ 1 % des cas de trisomie 21) a rapidement conduit à l’identification d’une région sur le bras long du chr 21, comprenant la bande q22, supposée être suffisante pour entraîner la majorité des signes cliniques du syndrome de Down [ 31– 34]. Cette région a été appelée DSCR, pour Down syndrome critical region.

La notion de région critique a rapidement montré ses limites [ 35, 36], les données cliniques suggérant plutôt une répartition sur tout le chromosome des gènes impliqués dans le syndrome. Des modèles murins porteurs ou non d’une duplication correspondant à la DSCR classique ont été construits. Ils montrent que les gènes de la région sont nécessaires, mais pas suffisants, pour produire les signes majeurs de la trisomie 21 [ 37, 38]. L’hypothèse de gènes individuels sensibles à l’effet-dose, qui est à la base de la notion de DSCR, n’est pas vérifiée par ce modèle murin, qui plaide plutôt pour un modèle d’interactions multiples. L’affinement des corrélations génotype-phénotype à partir de cas de trisomie 21 partielle par les techniques les plus récentes d’analyse du génome [ 39, 40] montre que, bien que la majorité des signes cliniques puissent être rattachés à la région située entre 34 et 41 Mb, qui est la région du chr 21 la plus riche en gènes, d’autres régions sont importantes pour l’expression de certains aspects du syndrome. Au total, deux hypothèses, qui ne sont d’ailleurs pas mutuellement exclusives, coexistent pour expliquer les manifestations cliniques associées à la trisomie 21. La première hypothèse est celle d’une région critique, qui incrimine un effet direct du surdosage de gènes individuels. La deuxième hypothèse est celle d’un dérèglement global du développement, non spécifique, lié au déséquilibre de l’ensemble des gènes du chr 21. Cette hypothèse de rupture d’homéostasie est en accord avec le fait que de nombreuses manifestations cliniques de la trisomie 21 se rencontrent également dans d’autres anomalies chromosomiques ou chez des sujets dont le caryotype est normal. Elle permet également d’expliquer la grande variabilité phénotypique observée entre les patients. Pourtant, la complexité du phénotype ne permet probablement pas de se limiter à ces deux hypothèses, et les manifestations de la maladie propres à un individu donné résultent plus vraisemblablement d’un ensemble de facteurs génétiques, environnementaux et stochastiques [ 41].

Plusieurs exemples permettent d’illustrer le rôle du dérèglement de gènes disomiques extérieurs au chr 21 dans la pathogénicité de la trisomie 21. Des relations complexes ont été montrées. Un premier exemple est celui des mutations du gène GATA1 - porté par le chromosome X - dans la leucémie mégacaryoblastique aiguë et le syndrome myéloprolifératif transitoire décrits dans la trisomie 21 [ 42, 43]. Chez les trisomiques, les mégacaryoblastes⁵ seraient particulièrement sensibles à des mutations de GATA1, lesquelles seraient en revanche sans effet dans les cellules euploïdes. Un autre exemple concerne la réduction du volume cérébral, en particulier de l’hippocampe et du cervelet, que l’on observe chez les patients trisomiques et qui est aussi retrouvée chez les souris Ts65Dn. Des études récentes ont montré que l’hypocellularité de ces structures était liée à une diminution de la réponse mitogénique des précurseurs des cellules granulaires du cervelet au morphogène Sonic Hedgehog [ 44, 45].

Une autre voie de recherche consiste à identifier les voies métaboliques et les processus susceptibles d’être perturbés par la surexpression de certains gènes du chr 21. Les premières voies métaboliques impliquées dans la pathogénicité de la trisomie 21 viennent d’être mises en évidence. Plusieurs publications récentes ont souligné l’impact, sur le développement de nombreux tissus, de deux gènes localisés sur le chr 21, DYRK1A (dual-specificity tyrosine-(Y)-phosphorylation regulated kinase 1A), homologue chez les mammifères du gène minibrain de la Drosophile, et RCAN1 (regulator of calcineurin 1). Ces deux gènes pourraient agir en synergie via la famille des facteurs de transcription NFATc (nuclear factor of activated T cells) pour déréguler la signalisation [ 46]. La kinase DYRK1A a de nombreuses cibles de phosphorylation, impliquées dans un grand nombre de processus biologiques et de phénotypes associés à la trisomie 21. Une autre étude indépendante a montré que la surexpression de DYRK1A pouvait diminuer l’expression du facteur de transcription REST (RE1-silencing factor) qui est requis pour le maintien de la pluripotence et facilite la différenciation neuronale. Une perturbation de l’expression de REST pourrait entraîner une altération du développement de nombreux types cellulaires [ 47].