Biologie moléculaire des groupes sanguins et impact en médecine transfusionnelle

BIOLOGIE MOLECULAIRE DES GROUPES SANGUINS ET IMPACT EN MEDECINE TRANSFUSION N ELLE Jean-Pierre Cartron a.*

1. Introduction

libres (presents dans les secretions : lait, urine, etc.). II est important de rioter qu'une meme chafne oligosaccharidique peut porter plusieurs antigenes (par exemple ABO, H et Lewis), mais dans ce cas chaque antigene est sous le contrSle d'un gene de groupe sanguin distinct (respectivement les systemes ABO, Hh, et LE). Ici, le produit primaire du gene n'est pas ['antigene lui-meme, mais la proteine enzymatique (glycosyltransferase) catalysant sa synthese.

Les groupes sanguins sont des structures antigeniques polymorphes Iocalisees sur les globules rouges. IIs sont generalement defthis par des anticorps produits par immunisation (transfusion, grossesse) de sujets recevant des globules rouges portant un antigene qu'ils ne possedent pas. Les groupes sanguins sont organises en ,, systemes ,,. Un systeme de groupe sanguin comprend un ou plusieurs antigenes codes par un locus genetique unique ou par un ensemble de plusieurs genes homologues etroitement lies entre lesquels une recombinaison est extremement rare (haplotype). Par definition, chaque systeme est genetiquement independant des autres systemes de groupes sanguins. On denombre actuellement 29 systemes de groupes sanguins (tableau I) comprenant environ 250 antigenes.

Les autres antigenes sont portes par des structures de nature peptidique (ex : MNSs, Rh, Kell, Duffy, Kidd). Dans ce cas, le produit direct du gene (ex : KEL) est I'antigene lui-meme (proteine Kell). Un meme polypeptide peut porter plusieurs antigenes (on a identifie une vingtaine d'antigenes pouvant etre presents sur la Bande 3 codee par le systeme Diego, et une situation analogue existe pour la proteine Kell), mais dans ce cas tousles antigenes sont codes par des alleles au meme locus.

II existe d'autres antigenes (plus de 50, mais ce nombre varie regulierement) qu'il est impossible actuellement de classer en - systemes ,, selon la definition ci-dessus. IIs sont regroupes dans des - collections ,,. Ceux dont I'incidence clans ia population est inferieure & 1 % deftnissent les antigenes de faible frequence (antigenes dits priv#s) et ceux de frequence superieure & 90 % les antigenes de frequence elevee (antigenes dits publics). Beaucoup des systemes actuels de groupes sanguins ont ere definis [orsque les bases moleculaires des antigenes presents dans ces collections ont ete clarifiees. Cependant, la nature chimique de la plupart de ces antigenes reste & definir. La description recente de la surprenante complexite du proteome du globule rouge humain [13] pourrait s'averer un outil tres utile pour tenter de caract~riser ces molecules.

Bien que tous les antigenes de groupes sanguins soient ,, serologiquement ,, detectables sur les erythrocytes, la plupart sont egalement presents sur des tissus non erythrdldes. En fait, quelques systemes seulement codent des antigenes de nature purement erythrGde, par exemple MNS, RH, LW et SC. Malgre I'importance de certains systemes en medecine transfusionnelle (ABO, RH, KEL, FY, JK), d'une maniere generale, la fonction de ces molecules sur les globules rouges reste relativement mal connue. Leur presence & la surface de cellules epitheliales et endotheliales de nombreux tissus pose des questions sur leur r61e physiologique, & la lois dans des situations normales et pathologiques, pour lesquelles les reponses necessitent une meilleure connaissance de leur biologie, incluant les informations issues des etudes de biochimie et de biologie moleculaire.

Des etudes biochimiques ont demontre que les antigenes de groupes sanguins sont portes par des structures moleculaires de nature glucidique ou proteique. La nature glucidique de certains antigenes (ABO, Hh, Lewis, I, P1, GLOB) a ete reconnue de Iongue date, mais les glycosyltransferases responsables de la synthese de ces antigenes et les genes qui codent ces enzymes n'ont ete caracterises que recemment. Les antigenes glucidiques appartiennent & des chaTnes grycaniques plus ou moins complexes (15 & 60 unites glucidiques) presentes sur des glycoproteines (membranaires ou secretees), des glycolipides ou des oligosaccharides

"INSERM U665 hlstitut national de transfusion sanguine 6, rue Alexandre-Oabanel ?5739 Paris cedex 15 • Correspondance [email protected] c 2006 - Elsevier Masson SAS - Tous droits r#serves. 16

2. Proprietes generales et classification fonctionnelle Parmi les 29 systemes de groupes sanguins actuellement repertories, tous sauf un possedent une base moleculaire bien definie et leur Iocalisation chromosomique est connue (tableau I). Certains systemes sont extremement polymorphes (MNS, RH, KEL, LU), alors que d'autres ne le sont pas (P1, XG, H, XK). La grande majorite des genes est Iocalisee sur des autosomes. Les genes XG et XK sont Iocalises sur le chromosome X. Un autre gene XS2, Iocalise sur le chromosome X et transmis selon un mode recessif, regule negativement I'expression des antigenes LU (Lutheran). Dans la plupart des cas, chaque systeme est code par un gene unique. D'autres sont codes par des genes homologues etroitement ties qui derivent vraisemblablement d'un gene ancestral commun par duplication. C'est le cas par exemple des genes RHD et RHCE codant respectivement les proteines D et CcEe, et des genes GYPA et GYPB codant respectivement la glycophorine A (antigenes MN) et ra glycophorine B (antigenes Ss). Certains antigenes erythrocytaires ne sont pas synthetises dans les erythroblastes, mais adsorbes sur les hematies (antigenes Lewis et Supplementau N° 389, RevueFrancophonedes Laboratoires.fevrler200?

g 13_

,&

.10 0 --v

+,~

C

~

E

~

•,~

~

B

"

01

"~

c

"~ 0 0 __~

~..~

70 0

•

OO

U3

c

"~

C

--~- ~:

.~ .~

~

C

•

i11

~

O ~ :~ c

-~

~

~

~

~

.-

~

.E~ m

"-

~

=~

~

m. ~ .

02

~

g

~

~

~

~

~

o

.=_ c ~ .

~

~1

n

"-

"~

~

c

~g

,..

E ~

c

o

(,~, ~E

cT

c

c

-7

~ne }

g

:O

X

X

~o~

X

~

g

X

~'T,

X

(3,

0

I'X

E

U

O

Nd_ | c:

!!

g ~g

.--' c)

o

R

~ -$

u.. ,,

"~ c

~ -®

~ -~

c

~

.4

c

c

c,-- '--. ~/0 mlm

a ~;

oalo

"}

:>

_o3 O'J

O"

~_

-

C~

--

_~

~

II

~

"w

~

~

._.'

~

~

,

~

--

{3"

~ '.-" ~

0

,

'

'

~r

~

~g E O

~~

c

~

c

m

~'.--"

'1

~" .c_ (3.

~

g~oooE

X

~

E

O

~

Q

O

O

O

z

z~iz _

~g

O

~3

N~

Q

0

0

0

0

~og.-,.-

0

0

0

0

0

0

0

.,

,--

u_,o_~,.,

OlO

,.u

m

~

o -

7o

c

~

•QI ~_

.m

+

7,

o

c

~.~

m E

Supplement

au N ° 3 8 9 , R e v u e F r a n c o p h e n e

des Laboratoires, fevnor 2007

17

Ch/Rg). D'autres enfin representent des vestiges des molecules HLA de classe I synthetisees dans les stades precoces de I'hematopofEse (antigenes Bg ", Bg bet Bg" portes respectivement par HLA-BT, -B17 et A28). Nos connaissances sur la nature moleculaire des antigenes de groupes sanguins ont fait des progres spectaculaires ces dernieres annees gr&ce & I'apport de la biochimie et surtout de la biologie moleculaire. Ces informations ont permis de determiner la structure et rorganisation des genes, de definir les bases moleculaires de leurs polymorphismes et d'elucider la nature moleculaire des antigenes afin de preciser leur structure et leur fonction biologique. Ainsi, en se basant sur les informations de structure primaire et sur des analogies structurales avec d'autres proteines, deduites des predictions de structure secondaire, les antigenes de groupes sanguins peuvent schematiquement etre classes en categories fonctionnelles: (i) des transporteurs et des canaux, (ii) des recepteurs pour les ligands protEiques, des virus, des bacteries et des parasites, (iii) des molecules d'adherence, (iv) des enzymes et (v) des proteines de structure. Cette classification est relativement arbitraire car certaines molecules peuvent posseder des propriEtEs communes & plusieurs categories. Par exemple, la Bande 3 est un echangeur d'anions (CI / H C O 3 ) mais elle joue aussi un rSle structural majeur d'ancrage des proteines du squelette membranaire sur la face interne de la bicouche lipidique et elle possede egalement une fonction de recepteur pour les merozo'ffes de P. falciparum. Les categories ainsi definies illustrent la grande diversite moleculaire des antigenes et des fonctions biologiques associees (tableau I). La description detaillee de la structure et de la fonction de toutes ces molecules ne peut pas ~tre abordee ici, mais plusieurs revues recentes sont consacrees ~. ce sujet [4, 6, 1 6].

3. Impact en medecine transfusionnelle Le flux considerable d'informations accumulees gr&ce au developpement de la biochimie et de la biologie moleculaire s'est averE precieux pour les Etudes de biologie des membranes, du globule rouge en particulier, et a ouvert de nouveaux domaines d'investigation, notamment en mEdecine transfusionnelle. Ces approches permettent ainsi de mieux explorer la fonction potentielle des antigenes dans des systemes d'expression in vitro et de developper des analyses de relation entre la structure et la fonction. L'etude de variants rares et en particulier des phenotypes ,, nuls ,, (,, knockout ,, naturels) caracterises par le deficit total ou partiel de certaines de ces proteines (par exemple dans les systemes RH, XK, JK, etc.) vise aussi & fournir des informations complementaires sur le r01e biologique de ces molecules dans les tissus erythrdides et non erythrdl'des [3, 9]. En outre, des modeles animaux chez la souris (, knockout -) ont ete decrits et certains sont en cours de construction. IIs devraient permettre de developper des etudes complementaires difficiles a. realiser chez rhomme. L'Etude de tels phenotypes (humain et murin) permet par exemple (i) d'impliquer le systeme DI codant la Bande 3 avec des alterations de I'intEgrite de la membrane erythrocytaire, entrainant des pertes de surface cellulaire rencontrees dans la spherocytose hereditaire, (ii) le systeme RH avec une anemie hemolytique dont les caracteristiques rappellent la spherocytose hereditaire (syndrome de deftcience Rh), (iii) le systeme XK codant la proteine Kx avec le syndrome McLeod, une forme de neuroacanthocytose avec des manifestations psychiatriques, (iv) le systeme GE codant les glycophorines C/D avec une forme d'elliptocytose herEditaire (phenotype Leach), (v) le systeme Kidd (JK) codant un transporteur d'uree avec des anomalies du mEcanisme de concentration de rurine, (vi) le systeme CO codant le canal hydrique AQP1 avec une capacite reduite a concentrer I'urine et une 18

reduction de la permeabilite vasculaire du tissu pu[monaire, (vii) le systeme Duffy avec le paludisme & P. vivaxd'une part et avec des mecanismes de I'inflammation (recrutement des leucocytes sur le sites d'inflammation, transcytose de cytokines de la famille de I'lL8 & travers les cellules endotheliales) d'autre part, (viii) le systeme RAPH codant la tetraspanine CD151 avec des dysfonctions renales et (ix) le systeme LW codant la proteines d'adhErence ICAM-4 avec un deficit de formarion d'~ots erythroblastiques Iors de I'erythropofese. D'autres Etudes impliquent les proteines ICAM-4 et la proteine LU/B-CAM dans la pathogenEse de la drepanocytose, notamment au travers de leur rSle dans I'adherence des globules rouges drepanocytaires & I'endothelium vasculaire, phenomEne etroitement associe a. la survenue d'episodes de vaso-occlusion caracteristiques de cette pathologie, entrafnant des lesions au niveau de nombreux organes [5, 1 2]. Des modeles d'etude de I'alloimmunisation contre les antigenes Duffy [2] et de la suppression antigenique par des anticorps non hemolysants [21, 23] ont egalement ete etablis a. partir de souris transgeniques exprimant respectivement sur leurs globules rouges I'antigene Fyb humain et du lysozyme de poule. Des modeles murins permettent aussi d'etudier le rSle potentiel de fragments solubles du CR1 (produit du gene de groupe sanguin KNOPS) dans la prevention de la destruction immune des globules rouges mediee par le complement [1 O, 22]. La determination de la structure et de I'organisation des genes de groupes sanguins, et des bases moleculaires de leurs polymorphismes, a egalement permis de mettre au point des techniques de genotypage basees sur des methodes d'amplification enzymatique de sequences geniques (PCR) ouvrant des perspectives nouvelles clans le domaine du diagnostic. Un exemple important est la determination prenatale du genotype RHD foetal par un test non invasif (base sur la presence d'ADN foetal dans la circulation maternelle) chez les femmes enceintes de phenotype - RhD-negatif -, chez lesquelles il existe un risque de developper une maladie hEmolytique du nouveau-he [7, 18, 20]. D'autres applications visent a. determiner le genotype d'un receveur dans des cas de (micro)chimerisme resultant de transfusions ou de transplantations, ou bien le developpement de genotypage dans des situations diverses rendant difficile le phenotypage classique, par exemple dans les anemies hemolytiques auto-immunes (avec test de Coombs positif), en presence de phenotypes particuliers conduisant des remaniements geniques, ou simplement en cas de rarete ou d'absence d'anticorps specifique pour le phenotypage [17, 19]. La constitution de banques de cellules transfectEes exprimant divers variants antigeniques ou de particules recouvertes d'antigenes pourrait aussi etre utile pour I'identification d'anticorps en melanges complexes presents dans le serum des malades ~. transfuser [15]. Une autre application en cours de developpement est le genotypage de masse permettant la determination systematique du genotype des donneurs de sang dans un grand nombre de systemes. En fait, la plupart des antigenes resultent d'un polymorphisme de I'ADN portant sur un seul nucleotide, que I'on designe par le sigle SNP (single nucleotide polyrnorphism), et qui se transmet selon une heredite mendelienne simple (exemples: K/k, Kp~/Kp ~, Jsa/Jsb, Fya/Fyb, Jk~/Jkb, S/s, Coa/Co t~, Lu"/Lu b, Dia/DP, Doa/Do b, etc). A cause de leur repartition sur le genome (1 tous les 300 & 1000 pb), les SNPs presentent un grand inter6t en diagnostic et pour des etudes de predisposition & des maladies genetiques, ce qui a conduit au developpement de nombreuses methodologies d'investigation par des techniques #. haut debit, applicables dans le domaine des groupes sanguins. De telles methodologies sont en cours d'exploration et d'evaluation pour des antigenes erythrocytaires et plaquettaires. Elles font generalement appel & une amplification PCR multiplexe centree sur le polymorphisme d'interet, couplee & I'introduction d'un fluorophore dans les fragments amplifies. Les fragments marques sont ensuite hybrides sur des - puces ~. ADN ,, (lames de verre, billes, nanoparticules) greffEes avec les sondes Supptementau N° 389. RevueFrancophonedes Laboratolres,f~vrier200?

oligonucleotides specifiques d'alleles puis I'intensite de fluorescence au niveau de chaque sonde est mesuree & I'aide d'un scanner laser fluorescence et analysee par un Iogiciel informatique [14]. Des ,, puces a. prot~ines - recouvertes d'anticorps specifiques de groupes sanguins sont egalement ~. I'etude [1 ]. Les r~sultats pr~liminaires de detection des SNPs par des methodes de g~notypage ~ haut debit sont tres encourageants et laissent penser qu'~. terme elles pourraient progressivement remplacer les techniques d'agglutination. Cependant, le polymorphisme des g~nes ABO et RH, deux systemes majeurs impliques en transfusion sanguine, est beaucoup plus complexe (plus de 100 variants dans chaque cas, incluant des ~venements de recombinaisons par conversion gOnique o u , crossing-over -in~gaux) et les methodes classiques de groupage (simples, rapides, peu coeteuses avec des r~actifs abondants et de qualitY) pour ces systemes restent donc d'actualite pour rinstant. En fait, les methodes de gOnotypage et de ph~notypage classiques se complementent et fournissent de puissants moyens d'investigation aux laboratoires de biologie clinique. Le genotypage ~. grande echelle des donneurs de sang permettra aussi de disposer d'unites de sang compatibles pour les polytransfuses, diminuant ainsi les risques d'immunisation et de r~actions transfusionnelles chez les receveurs. A terme, il est vraisemblable que des = puces - specialis~es pour la transfusion sanguine pourraient apparaitre incluant egalement la d~tection de marqueurs viraux, bacteriens et parasitaires.

R f rences [1] Campbell C.J., O'Loonsy N., Chong Kwan M., Robb J.S., Ross AJ. et al., Cell interaction microarray for blood phenotyping, Anal. Chem. 78 (2006) 1930-1938. [2] Campbell-Lee S.A., Liu J., Vslliquette R.W., Halverson G.R., Shirey R.S. et al., The production of red blood cell alloantibodies in mice transfused with blood from transgenic Fyb-expressing mice, Transfusion 46 (2006) 1682-1688. [3] Cartron J.P., Molecular basis of red cell protein antigen deficiencies, Vox Sang 78(supp12) (2000) 7-23.

[4] Cartron J.P., Colin Y., Structural and functional diversity of blood group antigens, Transfus. Clin. Biol. 8 (2001) 163-199. [5] Chasis J.A., Erythrobiastic islands: specialized microenvironmental niches for erythropoiesis, Curr. Opin. Hematol. 13 (2006) 137-141. [6] Denomme G.A., The structure and function of the molecules that carry human red blood cell and platelet antigens, Transl. Med. Rev. 18 (2004) 203-231. [7] Finning K., Martin P., Daniels G., A clinical service in the UK to predict fetal Rh (RhD) blood group using free fetal DNA in maternal plasma, Ann. NY Acad. Sci. 1022 (2004) 119-123. [8] Garratty G., Progress in modulating the RBC membrane to produce transfusable universal/stealth

Enfin, des travaux de recherche en cours tentent de produire in vitro des ,, globules rouges universels ,, en developpant des methodes permettant de masquer les antigenes de groupes sanguins. Une premiere approehe globale, concernant rensemble des antigenes, consiste ~. greffer chimiquement des polymeres inertes non antigeniques (polyethylene glycol) ~, la surface des globules rouges, afin de diminuer leur antigenicite et leur immunogenicite, tout en preservant leurs proprietes fonctionnelles [8]. Une autre approche, limitee au systeme ABO, consiste ~. eliminer par vole enzymatique les antigenes A et B, conduisant a la production de globules rouges A ou [] convertis en globules rouges O [11].

4. Conclusion O

utre I'apport significatif dans le domaine de la biologie generale portant sur la fonction etla regulation des molecules qui portent des antigenes de groupes sanguins, la maffrise de ces connaissances et des nouvelles techniques de typage et de diagnostic represente un outil essentiel pour les laboratoires de transfusion sanguine qui s'inscrit bien dans leur contribution au dispositif general de securit~ immunologique des transfusions.

donor RBCs, Transfus. Med. Rev. 18 (2004) 245256. [9] Mohandas N., Blood group antigens in health and disease, Curr. Op. Hematol. 12 (2005) 135-140. [10] Mqadmi A., Abdullah Y., Yazdanbakhsh K., Characterization of complement receptor 1 domains for prevention of complemant-mediated red cell destruction, Transfusion 45 (2005) 234-44. [11] OIsson M.L., Hill C.A., de la Vega H., Liu Q.P., Stroud M.R., Valdinocci J., Moon S., Clausen H., Kruskall M.S., Universal red blood cells-enzymatic conversion of blood group A and B antigens, Transfus. Clin. Biol. 11 (2004) 33-39. [12] Parise L.V., Telen M.J., Erythrocyte adhesion in sickle cell disease, Curr. Hematol. Rep. 2 (2003) 102-108.

[13] Pasini E.M., Kirkegaard M., Mortensen P. et al., In-depth analysis of the membrane and cytosolic proteome of red blood cells, Blood 108 (2006) 791-801. [14] Plusieurs articles publids dans Transfusion 45 (2005) 654-688 et Transfusion 46 (2006) 841-848. [15] Reid M.E., Applications of DNA-based assays in blood group antigen and antibody identification, Transfusion 43 (2003) 1748-1757. [16] Reid M.E., Mohandas N., Red blood cell blood group antigens: structure and function, Sere. Hemato]. 41 (2004) 93-117. [17] Reid M.E., Rios M., Powell V.I.,Charles-PierreD., Malavade V., DNA from blood samples can be used

Supplementau N° 389, RevueFrancophonedes Laboratoires,fevner2007

to genotype patients who have recently received a transfusion, Transfusion 40 (2000) 48-53. [18] Rouillac-Le Sciellour C., Puillandre P., Gillot R., Baulard C. et al., Large-scale prediagnosis study of fetal RHD genotyping by PCR on plasma DNA from RhD-negative pregnant women, Mol. Diagn. 8 (2004) 23-31. [19] Rozman P., Dovc T., Gassner C., Differentiation of autologous ABO, RHD, RHCE, KEL, JK and FY blood group genotypes by analysis of peripheral blood samples of patients who have recently received multiple transfusions, Transfusion 40 (2000) 936-942. [20] van der Cchoot C.E., Ait Soussan A., Koslewijn J. et al., Non-invasiveantenal RHD typing, Transf.Olin. Biol. 13 (2006) 53-57. [21] Williamson L.M., Poole J., Redman C., Clark N. et al., Transient loss of proteins carrying Kell and Lutheran red cell antigens during consecutive relapses of autoimmune thrombocytopenia, Br. J. HaematoL 87 (1994) 805-812. [22] Yazdanbakhsh K., Kang S., Tamasauskas D., Sung D., Scaradavou A., Complement receptor 1 inhibitors for prevention of immune-mediatedred call destruction: potential use in transfusion therapy, Blood 101 (2003) 5046-5052. [23] Zimring J.C., Hair G.A., Chadwick T.E., Deshpands S.S., Anderson K.M., Hillyer C.D., Roback J.D., Nonhemolytic antibody-induced loss of erythrocyte surface antigen, Blood 106 (2005) 1105-1112.

19