BIOLOGIE MOLI CULAIRE ET IMPACT EN MI DECINE

DES GROUPES SANGUINS TRAN SFUSIO N N E LLE

Jean-Pierre Cartron a,,

1. Introduction

Les groupes sanguins sont des structures antigeniques poly- morphes Iocalisees sur les globules rouges. IIs sont generalement deft- his par des anticorps produits par immunisation (transfusion, gros- sesse) de sujets recevant des globules rouges portant un antigone qu'ils ne possedent pas. Les groupes sanguins sont organises en ,, sys- temes ,,. 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.

II existe d'autres antigenes (plus de 50, mais ce nombre varie regu- lierement) qu'il est impossible actuellement de classer en ,, systemes ,, selon la definition ci-dessus. IIs sont regroupes dans des ,, collections *. Ceux dont I'incidence dans la population est inferieure & 1 o/0 deft- nissent les antigenes de faible frequence (antigenes dits prives) et ceux de frequence superieure & 90 0/o les antigenes de frequence elevee (antigenes dits publics). Beaucoup des systemes actuels de groupes sanguins ont et6 definis Iorsque 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 carac- teriser ces molecules.

Des etudes biochimiques ont demontre que les antigenes de groupes sanguins sont portes par des structures moleculaires de nature glu- cidique 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 glu- cidiques appartiennent & des chafnes glycaniques plus ou moins com- plexes (15 a 60 unites glucidiques) presentes sur des glycoproteines (membranaires ou secretees), des glycolipides ou des oligosaccharides

a INSERM U665 Institut national de transfusion sanguine 6, rue Alexandre-Cabanel 75739 Paris cedex 15

* Correspondance cartron@idf.inserm.fr

,4 2006 - Elsevier Masson SAS - Tous droits reserv6s.

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

Les autres antigenes sont portes par des structures de nature pepti- dique (ex : MNSs, Rh, Kell, Duffy, Kidd). Dans ce cas, le produit direct du gone (ex : KEL) est I'antigene lui-meme (proteine Kell). Un meme polypeptide peut porter plusieurs antigenes (on a identifie une vingtaine d'antigenes pouvant 6tre 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 codas par des alleles au meme locus.

Bien que tousles antigenes de groupes sanguins soient ,, serologi- quement ,, detectables sur les erythrocytes, la plupart sont egalement presents sur des tissus non erythrd~des. En fait, quelques systemes seulement codent des antigenes de nature purement erythroi'de, par exemple MNS, RH, LW et SC. Malgre I'importance de certains sys- temes 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 rele physiologique, & la fois 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.

2. Propriet6s generales et classification fonctionnelle

Parmi les 29 systemes de groupes sanguins actuellement repertories, tous sauf un possedent une base moleculaire bien definie et leur Ioca- lisation 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 majo- rite des genes est Iocalisee sur des autosomes. Les genes XG et XK sont Iocalises sur le chromosome X. Un autre gone XS2, Iocalise sur le chromosome X et transmis selon un mode recessif, regule negati- vement I'expression des antigenes LU (Lutheran). Dans la plupart des cas, chaque systeme est code par un gene unique. D'autres sont codas par des genes homologues etroitement lies qui derivent vraisembla- blement d'un gone 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 gly- cophorine A (antigenes MN) et la glycophorine B (antigenes Ss).

Certains antigenes erythrocytaires ne sont pas synthetises dans les erythroblastes, mais adsorbes sur les hematies (antigenes Lewis et

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49 es Journ6es de biologie clinique

Ch/Rg). D'autres enfin representent des vestiges des molecules HLA de classe I synthetisees dans les stades precoces de I'hematopoi"ese (antigenes Bg a, Bg bet Bg ° portes respectivement par HLA-B7, -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 biotogie moleculaire. Ces informations ont permis de determiner la structure et I'organisa- tion des genes, de definir les bases moleculaires de leurs polymor- phismes et d'elucider la nature moleculaire des antigenes afin de pre- ciser 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 secon- daire, les antigenes de groupes sanguins peuvent schematiquement 6tre 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 rela- tivement arbitraire car certaines molecules peuvent posseder des pro- prietes communes b. plusieurs categories. Par exemple, la Bande 3 est un echangeur d'anions (CI-/HCO3-) mais elle joue aussi un rele struc- tural 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 merozdl'tes de P. falciparum. Les cate- gories ainsi definies illustrent la grande diversite moleculaire des anti- genes et des fonctions biolegiques associees (tableau I). La des- cription detaillee de la structure et de la fonction de toutes ces molecules ne peut pas ¢tre abordee ici, mais plusieurs revues recentes sent consacrees & ce sujet [4, 6, 16].

3. Impact en mddecine transfusionnelle

Le flux considerable d'informations accumulees gr&ce au develop- pement de la biochimie et de la biologie moleculaire s'est avere pre- cieux pour les etudes de biologie des membranes, du globule rouge en particulier, et a ouvert de nouveaux domaines d'investigation, notam- ment en medecine transfusionnelle.

Ces approches permettent ainsi de mieux explorer la fonction poten- tielle des antigenes dans des systemes d'expression in vitro et de deve- lopper des analyses de relation entre la structure et la fonction. 12etude 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 A fournir des informations complementaires sur le rele biologique de ces molecules dans les tissus erythrdfdes et non erythrdfdes [3, 9]. En outre, des modeles animaux chez la souris (,, knockout >>) ont ete decrits et certains sent en cours de construction. IIs devraient permettre de developper des etudes complementaires difficiles a realiser chez I'homme. L'etude de tels phenotypes (humain et murin) permet par exemple (i) d'impliquer le systeme DI codant la Bande 3 avec des alte- rations de I'integrite de la membrane erythrocytaire, entrafnant des pertes de surface cellulaire rencontrees dans la spherocytose here- ditaire, (ii) le systeme RH avec une anemie hemolytique dent les carac- teristiques rappellent la spherocytose hereditaire (syndrome de deft- cience 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 meca- nisme de concentration de I'urine, (vi) le systeme CO codant le canal hydrique AQP1 avec une capacite reduite & concentrer I'urine et "une

reduction de la permeabilite vasculaire du tissu pulmonaire, (vii) le sys- teme Duffy avec le paludisme & P. vivaxd'une part et avec des meca- nismes de I'inflammation (recrutement des leucocytes sur le sites d'in- flammation, 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 for- mation dhGots erythroblastiques Iors de I'erythropdi'ese. 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 rele dans I'adherence des globules rouges drepanocytaires a. I'endothe- lium vasculaire, phenomene etroitement associe a la survenue d'epi- sodes de vase-occlusion caracteristiques de cette pathologie, entraT- nant des lesions au niveau de nombreux organes [5, 12].

Des modeles d'etude de I'alloimmunisation centre les antigenes Duffy [2] et de la suppression antigenique par des anticorps non hemoly- sants [21, 23] ont egalement ete etablis & partir de souris transge- niques exprimant respectivement sur leurs globules rouges I'antigene Fy b humain et du lysozyme de poule. Des modeles murins permettent aussi d'etudier le rele 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 [10, 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 dans 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 tes femmes enceintes de phenotype ,, RhD-negatif ,,, chez lesquelles il existe un risque de developper une maladie hemolytique du nouveau-ne [7, 18, 20]. D'autres applications visent & 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'ab- sence d'anticorps specifique pour le phenotypage [17, 19]. La consti- tution 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 pre- sents 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 plu- part des antigenes resultent d'un polymorphisme de I'ADN portant sur un seul nucleotide, que I'on designe par le sigle SNP (single nucleo- tide polymorphism), et qui se transmet selon une heredite mendelienne simple (exemples: K/k, Kpa/Kp b, Jsa/Js b, Fya/Fy b, Jka/Jk b, S/s, Coa/Co b, Lua/Lu b, Dia/Di b, Doa/Do b, etc). A cause de leur repartition sur le genome (1 tousles 300 & 1000 pb), les SNPs presentent un grand interet en diagnostic et pour des etudes de predisposition a des mala- dies genetiques, ce qui a conduit au developpement de nombreuses methodologies d'investigation par des techniques & haut debit, appli- cables dans le domaine des groupes sanguins. De telles methodo- logies sent en cours d'exploration et d'evaluation pour des antigenes erythrocytaires et plaquettaires. EIles font generalement appel & une amplification PCR multiplexe centree sur le polymorphisme d'inter6t, couplee & I'introduction d'un fiuorophore dans les fragments amplifies. Les fragments marques sent ensuite hybrides sur des <, puces & ADN ,> (lames de verre, billes, nanoparticules) greffees avec les sondes

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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 & proteines ,> recouvertes d'anticorps specifiques de groupes sanguins sont egalement a I'etude [1]. Les resultats preliminaires de detection des SNPs par des methodes de genotypage & haut debit sont tres encourageants et laissent penser qu'& terme elles pourraient progressivement remplacer les techniques d'agglutination. Cependant, le potymorphisme des genes ABO et RH, deux systemes majeurs impli- ques en transfusion sanguine, est beaucoup plus complexe (plus de 100 variants dans chaque cas, incluant des evenements de recom- binaisons par conversion genique ou << crossing-over >> inegaux) et les methodes classiques de groupage (simples, rapides, peu coeteuses avec des reactifs abondants et de qualite) pour ces systemes restent donc d'actualite pour I'instant. En fait, les methodes de genotypage et de phenotypage 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, dimi- nuant ainsi les risques d'immunisation et de reactions transfusionnelles chez les receveurs. A terme, il est vraisemblable que des ,, puces ,> spe- cialisees pour la transfusion sanguine pourraient apparaitre incluant egalement la detection de marqueurs viraux, bacteriens et parasitaires.

Enfin, des travaux de recherche en cours tentent de produire in vitro des ,, globules rouges universels >>, en developpant des methodes per- mettant de masquer les antigenes de groupes sanguins. Une premiere approche globale, concernant I'ensemble des antigenes, consiste & greffer chimiquement des polymeres inertes non antigeniques (poly- ethylene glycol) & la surface des globules rouges, afin de diminuer leur antigenicite et leur immunogenicite, tout en preservant leurs proprie- tes fonctionnelles [8]. Une autre approche, limitee au systeme ABO, consiste & eliminer par vole enzymatique les antigenes A et B, condui- sant & la production de globules rouges A ou B convertis en globules rouges O [11].

4. Conclusion

O utre I'apport significatif clans le domaine de la biologie generale portant sur la fonction et la regulation des molecules qui portent

des antigenes de groupes sanguins, la maftrise de ces connaissances et des nouvelles techniques de typage et de diagnostic represente un outil essentiel pour les laboratoires de transfusion sanguine qui s'ins- crit bien dans leur contribution au dispositif general de securite immu- nologique des transfusions.

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