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Bases moléculaires et physiopathologiques des

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EMC-Hématologie 2 (2005) 220–239
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Bases moléculaires et physiopathologiques
des maladies de l’hémoglobine
Molecular and pathophysiological bases
of haemoglobin diseases
D. Labie a,*, J. Elion b
a
Institut Cochin, UMR 567, Institut national de la santé et de la recherche médicale (Inserm),
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris 5 - René Descartes,
Département de génétique, développement et pathologie moléculaire, 24, rue du Faubourg
Saint-Jacques, 75014 Paris, France
b
UMR 458, Institut national de la santé et de la recherche médicale (Inserm), Université Paris 7 - Denis
Diderot et Université des Antilles et de la Guyane, Hôpital Robert Debré, 48, boulevard Sérurier,
75019 Paris, France
MOTS CLÉS
Drépanocytose ;
Thalassémies ;
Physiopathologie ;
Mécanismes
moléculaires ;
Lésions cellulaires ;
Interactions
endothéliales ;
Gènes modulateurs ;
Épidémiologie
Résumé Parmi les hémoglobinopathies, deux types de pathologie sont à distinguer. Dans
les anomalies de structure, une hémoglobine (Hb) « anormale » est présente, entraînant
ou non des signes fonctionnels. L’HbS, responsable de la drépanocytose, y a une place
prépondérante. Les anomalies de synthèse s’expriment dans le groupe très hétérogène
des thalassémies. La fréquence des hémoglobinopathies en fait un réel problème de santé
publique dans les foyers d’endémie et d’immigration. Les mécanismes physiopathologiques mis en cause sont, cependant, très différents. La drépanocytose, due à une mutation
unique, se présente de façon très variable, majoritairement comme une maladie rhéologique, sa gravité s’étendant de formes létales dès l’enfance à d’autres relativement bien
tolérées. Pour les thalassémies, l’anémie est au premier plan et tout aussi variable. Des
mutations multiples n’expliquent que très partiellement l’hétérogénéité de présentation.
Celle-ci, dans les deux cas, fait intervenir l’action de gènes modulateurs. Des avances
physiopathologiques récentes ont démontré l’implication dans tous les cas de l’endothélium vasculaire, qui se situe au premier plan dans l’évolution d’une drépanocytose.
D’autres modulations, multiples, sont progressivement mises en évidence qui modifient
l’évolution des thalassémies.
© 2005 Elsevier SAS. Tous droits réservés.
KEYWORDS
Sickle disease;
Thalassemias;
Pathophysiology;
Molecular
mechanism;
Cellular defects;
Abstract Among haemoglobin diseases, two types are particularly important to consider:
the structural abnormalities and the synthesis deficiencies. In the first type, abnormal
haemoglobin (Hb) may be silent or functionally altered. Because it causes sickle cell
disease, HbS is the most significant. Synthesis deficiencies are encountered among the
very heterogeneous group of thalassaemias. Haemoglobin diseases represent an important public health problem in endemic countries, and in other parts of the world because
of immigration. The pathophysiological mechanisms differ. Sickle cell disease is mostly a
* Auteur correspondant.
Adresses e-mail : labie@cochin.inserm.fr (D. Labie), elion@rdebre.inserm.fr (J. Elion).
1638-6213/$ - see front matter © 2005 Elsevier SAS. Tous droits réservés.
doi: 10.1016/j.emch.2005.10.001
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
Endothelial
interactions;
Modulating genes;
Epidemiology
221
rheological disease and, more than anaemia, vaso-occlusion is its major feature. Even
though it results from a single mutation, it is very variable in its clinical presentation,
from very severe cases early in life, to a well tolerated condition. Anaemia is the hallmark
of thalassaemias. Multiple mutations are involved, but the severity of the disease is only
partially related to the nature of the mutation. In the two types, modulating genes are
involved. Recent insights have shown the involvement and the modulating role of the
vascular endothelium, more particularly in the pathophysiology of vaso-occlusion in sickle
cell disease. Other factors are progressively unveiled, that modify the evolution of
thalassaemia.
© 2005 Elsevier SAS. Tous droits réservés.
Introduction
Les travaux concernant la molécule d’hémoglobine
(Hb) ont été au cours du siècle dernier des études
pionnières, abordées par de multiples disciplines.
Sur de nombreux points, les connaissances ont peu
évolué, et le lecteur se reportera aux publications
précédentes de ce traité. Pour comprendre les
maladies de l’Hb, ou hémoglobinopathies, quatre
notions de base restent majeures :
• la structure tétramérique de la molécule d’Hb
(a2b2) ;
• ses relations avec la fonction oxyphorique et le
caractère coopératif de celle-ci ;
• l’expression des différentes hémoglobines au
cours du développement ontogénique ;
• l’organisation des gènes de l’Hb et de ses principales régions régulatrices (Fig. 1).1,2
Les hémoglobinopathies sont classiquement distinguées en deux catégories, selon que l’on observe
un défaut qualitatif avec production en quantité
normale d’une Hb « anormale », ou un défaut
quantitatif de production de l’Hb normale, ce qui
correspond à une thalassémie. Il s’agit bien, en
effet, de maladies différentes dans leur expression
et leur physiopathologie. Dans leur forme classique, ni la présentation, ni l’évolution ne sont les
mêmes. Au niveau génétique, cependant, la distinction reste un peu arbitraire. D’une part, plusieurs Hb anormales ont été identifiées qui s’avèrent aussi thalassémiques. Mais, surtout, ce sont
souvent les mêmes défauts génétiques, qui sont à
l’origine des deux pathologies, avec une transmission autosomique récessive. Il faut citer cependant
les exceptionnelles formes de b-thalassémies dominantes qui sont à la frontière des deux catégories,
puisqu’elles correspondent en fait à des Hb anormales hyperinstables.
Relation structure/fonction
de l’hémoglobine : bases moléculaires
des maladies dues à une hémoglobine
anormale
Les Hb anormales ont été les variants protéiques les
mieux décrits depuis la mise en évidence en 1949
du premier d’entre eux, l’HbS, responsable de la
drépanocytose.3 On en compte actuellement plusieurs centaines, variants d’une ou de l’autre des
chaînes a ou b de l’Hb, et la liste continue à s’en
allonger (Cf. Pour en savoir plus). Certains sont
silencieux, d’autres s’accompagnent d’anomalies
Figure 1 Structure et organisation des deux familles de gènes-globine. La famille a-globine est localisée sur le bras court du
chromosome 16, la famille b-globine sur le bras court du chromosome 11. Les gènes sont organisés de 5’ en 3’ selon leur ordre
d’expression au cours du développement : dans la famille a, gène f embryonnaire, a2 et a1 fœtaux/adultes ; dans la famille b, gène
e embryonnaire, Gc et Ac fœtaux, d (minoritaire) et b adultes. En amont du locus b-globine, cinq sites hypersensibles à l’ADNase1 (HS1
→ 5, numérotés de 3’ en 5’) constituent une zone régulatrice majeure : le LCR (Locus Control Region) ; un autre site, a été identifié
en aval (3’HS1). Sur le chromosome 16 (locus a-globine) un site unique, correspondant à une zone régulatrice majeure, le site HS-40,
a été mis en évidence 40 kb en amont du gène f. Le gène h semble être transcrit mais non traduit en protéines.
222
D. Labie, J. Elion
que. Dans les hémoglobines M, le fer de l’hème est
oxydé en Fe3+ ; on observe cliniquement une cyanose due à une modification brune des propriétés
spectrales de l’Hb. Les hémoglobines perdant leur
hème sont instables, entraînant une anémie hémolytique. Enfin, l’affinité pour l’oxygène peut être
modifiée, ce que traduit une polyglobulie (affinité
augmentée) ou une cyanose (affinité diminuée).
Figure 2 Représentation de la structure tridimensionnelle de la
molécule d’hémoglobine adulte (HbA). Le tétramère a2b2 est
une molécule globulaire. Les régions fonctionnellement importantes sont indiquées ainsi que les conséquences physiopathologiques des différents variants selon la localisation de la mutation
dans la molécule.
Mutations des zones de contact
Des mutations peuvent toucher les zones de
contact entre sous-unités. Les résidus du contact
a1b1 étant responsables de la stabilité de la molécule, leur mutation se traduira par une Hb instable
et une anémie hémolytique. Ceux du contact a1b2
étant le siège de la transition allostérique, une
anomalie dans leur région produit une Hb à affinité
modifiée pour l’oxygène.
fonctionnelles rendant compte de la pathologie
observée. On essaiera plutôt ici de présenter un
aspect logique de leur interprétation en fonction de
la structure tridimensionnelle de la molécule, élargissant ainsi un article pionnier de MF. Perutz et H.
Lehmann qui classait en 1968 la pathologie moléculaire de l’hémoglobine en fonction de la structure
de la molécule (Fig. 2).4
Mutation de la cavité centrale
Quelques mutations ont été décrites, touchant les
résidus de la cavité centrale, extrémité des chaînes
polypeptidiques impliquées dans les ponts salins qui
stabilisent la forme désoxygénée de la molécule,
sites de fixation du 2,3-DPG. Chez ces variants,
l’affinité pour l’oxygène est le plus souvent augmentée.
Classification des variants de l’hémoglobine
Diagnostic différentiel
Ces Hb fonctionnellement anormales se présentent
avec une symptomatologie clinique et hématologique qui leur est propre.
L’anémie hémolytique qu’entraîne une hémoglobine instable est typique.
En revanche, les tableaux de polyglobulie ou de
cyanose induits par une Hb hyper- ou hypoaffine
pour l’oxygène sont exceptionnels et poseront des
problèmes de diagnostic différentiel. Dans le cas
d’une polyglobulie, particulièrement chez le sujet
jeune, et bien sûr après avoir éliminé une maladie
de Vaquez, il faudra aussi penser à une anomalie
enzymatique, au 2,3-DPG, à l’érythropoïétine et à
son récepteur, etc. Le cas d’une cyanose peut faire
penser à de nombreux toxiques et bien sûr à une
anomalie cardiaque ou pulmonaire, à toutes les
causes qui s’opposent à une oxygénation correcte
de la molécule d’Hb.
En dehors des quelques variants fréquents qui ont
des conséquences pathologiques ou/et épidémiologiques, et qui seront traités séparément, les variants dont l’identification est la plus facile, en
raison d’une migration électrophorétique différente de celle de l’Hb normale (HbA), sont presque
toujours des variants de surface. Ils touchent des
résidus polaires qui maintiennent la molécule en
solution et ne sont impliqués dans aucune fonction
majeure. Ils sont donc en majorité silencieux et
restent un fait d’observation sans conséquence. Il
peut s’agir de variants rares, voire exceptionnels,
parfois dans de petits foyers qui ont leur origine
dans un effet fondateur, dont on suit la migration,
et qui intéressent le généticien de populations.
En règle générale, la situation est différente
quand la mutation affecte des résidus à l’intérieur
de la molécule, et les désordres observés s’expliquent par ce qu’on sait de la fonction oxyphorique
et de la transition conformationnelle qui l’accompagne. Les différentes localisations possibles d’une
mutation se manifestent par des signes hématologiques spécifiques.
Mutations de la poche de l’hème
L’importance de la poche de l’hème fait que toute
mutation de cette zone a une traduction pathologi-
Cas particuliers
Quelques hémoglobines anormales méritent une
mention spéciale.
On signalera les variants caractérisés par un allongement de la chaîne polypeptidique du fait
d’une mutation du codon de terminaison ou entraînant un décalage de la phase de lecture peu avant
celui-ci. Un seul, identifié initialement en Jamaï-
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
que, est fréquent en Asie du Sud-Est, l’Hb Constant
Spring ; la forte réduction de sa synthèse entraîne
une a-thalassémie (Fig. 3).5
Une autre catégorie de variants a été retrouvée
dans différentes populations, il s’agit de la famille
Figure 3 Hémoglobines anormales à chaîne polypeptidique allongée. Elles sont soit la conséquence d’une mutation du codon
de terminaison en un triplet codant, soit d’un décalage du cadre
de lecture juste en amont de celui-ci. Un seul est fréquent, l’Hb
Constant Spring (UAA > CAA + 31 acides aminés), son caractère
instable lui confère un phénotype a-thalassémique. Les autres
variants représentent des foyers limités ou des mutations privées.
223
des hémoglobines Lepore, anti-Lepore, Kenya, etc.
Toutes résultent d’un crossing-over entre les gènes
d et b (Fig. 4). Dans le cas de l’Hb Lepore, le produit
du gène de fusion d/b est une protéine hybride dont
la synthèse est quantitativement réduite, parce
que placée sous la dépendance du promoteur faible
d, et qui s’exprime dans un syndrome b-thalassémique.6
Enfin, la liste des hémoglobines porteuses de
deux substitutions, sans être vraiment importante,
s’allonge régulièrement. Ces variants s’expriment
souvent dans des syndromes complexes et atypiques. Ceux dont l’une des substitutions est celle de
l’HbS drépanocytaire sont importants à reconnaître
car responsables de la même symptomatologie que
l’HbS sans en avoir les mêmes caractéristiques
électrophorétiques.
Chez les porteurs hétérozygotes, on avait, depuis
le début, constaté une expression des hémoglobines anormales aux environs de 40 % pour les variants de la chaîne b, nettement inférieure, 20 à
25 % pour ceux de la chaîne a. L’observation en
1974 d’un patient chez qui étaient présents deux
variants, Hb Buda et Hb Pest, en même temps que
l’HbA, a été un des premiers arguments en faveur
de la duplication du gène a-globine.7 Ce taux d’environ 20 %, retrouvés dans la majorité des cas de
Figure 4 Hémoglobines Lepore. Représentation du mécanisme par lequel se produisent les gènes de fusion : crossing-over inégal au
niveau de séquences identiques dans deux gènes de la même famille. Un seul des variants connus est fréquent, l’Hb Lepore Boston (ou
Washington), due à une recombinaison au niveau du deuxième intron des gènes d- et b-globine. Sous la dépendance du promoteur
faible du gène d, ce variant est exprimé en faible quantité et se présente donc comme un déterminant b-thalassémique. Observé
majoritairement chez des Italiens, il a été retrouvé dans d’autres groupes ethniques, son origine est sans doute itérative.
224
D. Labie, J. Elion
mutation d’un gène a, explique que les signes fonctionnels, similaires à ceux des variants b, sont en
général atténués, en rapport avec une expression
plus faible. Dans certaines populations, cependant,
des variants a ont été trouvés avec des taux plus
élevés d’expression, expliqués ultérieurement par
le fait que le locus ne comportait que le seul gène a
muté. Ce fait a été observé, par exemple, dans des
populations mélanésiennes et, en Algérie, dans un
foyer d’hémoglobine J Mexico.8 L’explication moléculaire sera développée ultérieurement à propos
des a-thalassémies.
Hémoglobines anormales fréquentes
Trois variants, les premiers décrits, ont diffusé
avec une grande fréquence épidémiologique et représentent des problèmes de santé publique. Ce
sont les hémoglobines S, C et E qui, toutes trois,
sont des variants de surface. Leur fréquence, élevée dans des populations définies, est sans doute
liée à deux séries de facteurs. Dans des régions
anciennement impaludées, un processus de « polymorphisme équilibré » a entraîné une survie préférentielle sélective des hétérozygotes. Le deuxième
facteur est l’endogamie, fréquente dans certaines
des populations concernées.
HbS (b6Glu→Val) : Hb de la drépanocytose
La drépanocytose est sûrement l’hémoglobinopathie grave la plus fréquente. Son épidémiologie est
bien connue, chez les populations d’origine africaine, mais aussi en Arabie et en Inde.
Première maladie moléculaire décrite en 1949,
son étude a été entreprise par des abords multiples. Son mécanisme physiopathologique de base a
été très précisément décrit, centré sur la polymérisation de l’HbS désoxygénée et les déformations
cellulaires subséquentes observées chez les homozygotes SS (Fig. 5).9 Au cours de la désoxygénation
qui suit le passage dans la microcirculation, la
molécule d’HbS subit un changement de conformation. Celui-ci permet à la valine b6 d’établir des
liaisons hydrophobes avec la chaîne b d’une autre
molécule d’Hb, en particulier avec la phénylalanine
b85 et la leucine b88. Une seule des deux valines
opère ce contact, de sorte que l’interaction b−b
entraîne la formation d’un polymère qu’on a pu
représenter comme l’enchaînement de deux rangées de molécules.
L’observation en microscopie électronique a
montré un alignement de 14 de ces rangées en
fibres hélicoïdales qui se présentent comme des
cordes.10 Les déformations cellulaires caractéristiques font suite au regroupement et à la rigidification de ces fibres.
Figure 5 Mécanisme physiopathologique de base de la drépanocytose. La mutation au 6e codon du gène b-globine conduit à la
substitution d’un acide glutamique par une valine et à une
hémoglobine anormale : l’HbS. À basse pression en oxygène, la
désoxy-HbS polymérise et entraîne une déformation, une rigidification et une fragilisation cellulaires, responsables de l’anémie hémolytique et de la vaso-occlusion.
Le processus met toujours un certain temps à
s’amorcer (delay time), et ce délai est inversement
proportionnel, à une puissance élevée, à la concentration intracellulaire de l’hémoglobine.
Ce phénomène de base entraîne une cascade
d’autres anomalies qui participent au mécanisme
physiopathologique. Une dérégulation de l’homéostasie des cations, avec activation des canaux ioniques, cotransport K/Cl et canal potassique dépendant du calcium, ou canal Gardos, entraîne la perte
de potassium et une déshydratation cellulaire qui
favorise la polymérisation de la désoxy-HbS. Il y a
simultanément dénaturation de l’Hb, dont les hémichromes s’agglomèrent à la face interne de la
membrane avec les protéines du cytosquelette, en
particulier la bande 3. Ce processus s’accompagne
de la perte d’hème et de la libération de Fe3+, qui
favorise l’existence d’un microenvironnement oxydant. On observe aussi une altération de l’asymétrie normale des phospholipides membranaires,
avec exposition à la surface cellulaire de phosphatidylsérines anioniques. Des immunoglobulines de
type IgG s’accumulent en surface, favorisant
l’érythrophagocytose par les macrophages.11 Enfin,
la déformation cellulaire s’accompagne d’une microvésiculation.
L’ensemble de ces anomalies constitue la base
des deux manifestations majeures de la maladie,
l’anémie hémolytique et la crise vaso-occlusive.
Cependant, on verra plus loin que des données
récentes ont mis en évidence une participation
majeure de l’endothélium vasculaire dans l’initiation de la crise vaso-occlusive, via des phénomènes
d’adhérence cellulaire.
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
HbC (b6Glu→Lys)
L’hémoglobinose C, dont la substitution a été identifiée dès 195812 est considérée comme ayant une
origine unique sur le plateau voltaïque, et s’étant
de là propagée par diffusion concentrique. Ce
dogme est partiellement remis en cause par l’observation de quelques cas apparemment autochtones en Asie du Sud-Est. La mutation affecte comme
celle de l’HbS, le 6e acide aminé de la chaîne
b-globine mais ne provoque pas la formation de
polymères. En revanche, on a mis en évidence la
formation de cristaux intraérythrocytaires qui sont
responsables d’une augmentation de la densité du
globule rouge, de sa déshydratation et de sa liaison
à la membrane.13 L’ensemble de ces phénomènes
est sans doute suffisant pour expliquer une présentation phénotypique extrêmement modérée chez
les sujets homozygotes CC.14 Un élément de sévérité tient au fait que sa zone de diffusion coïncide
avec celle de l’HbS en Afrique de l’Ouest, d’où la
fréquence des hétérozygotes composites SC qui,
eux, présentent un syndrome drépanocytaire classique, bien que très atténué. Le rôle de l’Hb C dans
la diffusion du gène bS a été évoqué : dans les pays
du golfe du Bénin, la fréquence des hétérozygotes
composites SC est du même ordre de grandeur que
celui des homozygotes SS.15
HbE (b26Glu→Lys)
Même si quelques cas sporadiques ont été observés
dans le monde, l’HbE n’est fréquente qu’en Asie :
Asie du Sud-Est, sud de la Chine et nord du souscontinent indien. Elle est considérée par DJ Weatherall comme l’hémoglobine anormale la plus fréquente au monde.16 Il s’agit, là aussi, d’une
substitution de surface, mais la mutation faux sens
du codon 26, dans le 1er exon du gène b-globine,
crée aussi un site alternatif d’épissage, partiellement utilisé, qui dévie une partie de l’ARN messager vers une maturation anormale, aux dépens de la
production d’ARNm normal.17 La substitution
d’acide aminé, en elle-même, n’affecte pas la
fonction de l’Hb, mais la diminution de l’ARNm
normal conduit à un défaut de production. L’hémoglobinose E se présente donc comme une thalassémie discrète, responsable, à l’état homozygote,
d’une anémie modérée en règle générale bien tolérée. Sa gravité tient surtout au fait que, dans les
mêmes populations, le paludisme a sélectionné et
amplifié diverses formes d’a- et de b-thalassémies.16 Un spectre très important de formes composites et associées a été mis en évidence, dont les
meilleures descriptions ont, pour des raisons logistiques, été faites en Thaïlande, mais que l’on observe dans tous les pays de la région. Beaucoup de
ces formes sont graves ; elles peuvent se présenter
225
avec des phénotypes complexes et de diagnostic
difficile. Elles posent d’énormes problèmes de
santé publique si l’on pense que dans certains pays,
seule une minorité de la population se présente
avec un ensemble de gènes normaux.
D’autres hémoglobines, – Hb Knossos, Hb Malay –
qui sont des variants rares, ont été décrites : on les
classe avec l’HbE, car elles comportent de façon
similaire un épissage alternatif dans un exon, et un
syndrome thalassémique.
Structure du génome
et contrôle de l’expression des gènes
de la globine : bases moléculaires
des thalassémies
L’organisation des familles des gènes a et b-globine
a été présentée dans la Figure 1. Le contrôle de
l’expression des gènes globine s’exerce à plusieurs
niveaux.
• Les gènes globine sont exprimés selon une spécificité tissulaire stricte.
• Leur expression s’effectue au cours du développement dans l’ordre de leur position topographique ; on observe deux commutations successives pour la famille b (embryonnaire → fœtal
puis fœtal → adulte) et une seule (embryonnaire → fœtal/adulte) pour la famille a (Fig. 6).
• Une coordination très précise existe qui aboutit
à une synthèse équivalente des gènes de la
famille a et de la famille b, tout déséquilibre se
traduisant par un syndrome thalassémique. Le
sujet ne peut être traité ici dans sa totalité. On
citera cependant quelques données importantes.18
Figure 6 Expression des gènes globine au cours du développement ontogénique. Au niveau de la famille b, on observe deux
commutations. La première à la fin du stade embryonnaire voit
l’extinction de l’expression du gène e, remplacée par celle des
gènes fœtaux c ; la seconde au stade périnatal pendant laquelle
l’expression des gènes c est remplacée par celle du gène adulte
b. Une seule commutation est observée pour la famille a, qui, à
la fin du stade embryonnaire voit l’extinction de l’expression du
gène f , remplacée par celle des gènes adultes a.
226
Éléments du contrôle de l’expression
des gènes globine
Dans l’environnement immédiat de chaque gène
globine, au niveau des promoteurs, ainsi que dans
les zones régulatrices distales de l’ensemble de
chaque locus, comme le LCR (Locus control region),
des séquences spécifiques ont été retrouvées sur
lesquelles se fixent les facteurs de transcription,
spécifiques ou ubiquistes, qui en modulent l’expression. De ces facteurs ou séquences de fixation,
on ne citera que quelques-uns :
• les facteurs TFIIX font partie de la machinerie
de base de l’initiation de la transcription, auxquels il sera fait allusion plus tard ;
• les séquences GATA sont présentes à la fois sur
les promoteurs et le LCR. Elles sont aussi retrouvées dans tous les gènes d’expression érythroïde
et en sont spécifiques. Le facteur GATA-1 est
nécessaire aux étapes tardives de la maturation
érythroïde, le facteur GATA-2 est impliqué dans
les étapes précoces.19 Ils sont les prototypes
d’une grande famille de protéines à doigts de
zinc, à expression systémique dans d’autres organes. Leur fonction a été finement analysée
dans la lignée érythroïde et dans la lignée mégacaryocytaire ;
• les séquences CACCC et apparentées sont présentes dans les promoteurs des différents gènes
globine. Elles fixent les différents facteurs de la
famille EKLF (famille Krüppel).20 Le facteur
EKLF lui-même se fixe en 5’ du gène b-globine
sur une séquence CCACACCCT et il est impliqué
dans la commutation fœtale → adulte. Au niveau du gène c, par exemple, la séquence CTCCACCCA, légèrement différente, fixe le facteur
Sp1, facteur ubiquiste dont la spécificité varie
au cours du développement.
Au niveau du LCR se trouve une séquence de
fixation du facteur NF-E2 (gènes de la famille AP1), que caractérise un domaine de « fermeture
éclair à leucine » (b-Zip) qui permet sa dimérisation. NFE-2 est de spécificité érythroïde et composé de deux sous-unités, p45 et p18, qui appartiennent chacune à des familles multiprotéiques.21
Enfin, les travaux récents sont focalisés sur le
rôle joué par la structure de la chromatine dans
l’expression des gènes en général et des gènes de
globine en particulier. Les gènes transcrits sont
situés dans des zones dites « ouvertes » de l’euchromatine, accessibles à l’ARN polymérase et aux facteurs de transcription, par opposition à l’hétérochromatine compacte. L’importance majeure de
séquences dites « insulatrices » et des protéines
impliquées dans le remodelage de la chromatine
émerge peu à peu.
D. Labie, J. Elion
La synthèse coordonnée des chaînes de globine
des familles a et b est restée longtemps inexpliquée. Un équilibre stœchiométrique parfait est
nécessaire pour éviter une symptomatologie thalassémique, alors que la chaîne a est physiologiquement synthétisée en léger excès. Un travail récent
a montré que les chaînes a en excès sont d’abord
captées par une protéine chaperon AHSP (␣haemoglobin stabilizing protein) puis libérées progressivement pour fixer la molécule d’hème et
former, de façon équilibrée, le dimère ab, puis le
tétramère d’Hb.22
Thalassémies
Le mot de thalassémie recouvre un ensemble très
hétérogène d’affections dont le caractère commun
est le défaut de synthèse, partiel ou total, d’une ou
plusieurs chaînes de l’hémoglobine.23 Ce déficit a
pour conséquence spécifique un déséquilibre entre
les chaînes, avec excès des chaînes non appariées.
Des conséquences au niveau de l’érythropoïèse et
de la destruction cellulaire s’observent dans toutes
les thalassémies ; elles sont cependant variables
selon qu’il s’agit de b- ou d’a-thalassémies.
La présente description sera réduite aux formes
fréquentes ou à celles, même rares, qui posent un
problème diagnostique. Un déficit de la chaîne d,
par exemple, est sans traduction clinique ni hématologique. Un déficit de la chaîne c est une anomalie néonatale dont les conséquences disparaissent
spontanément en quelques mois, mais dont le
diagnostic devra parfois être évoqué. Les a- et
b-thalassémies, et même les db-thalassémies, en
revanche, sont des maladies fréquentes qui posent
dans certains pays des problèmes de santé publique
sévères. La différence d’expression et d’évolution
doit être référée à la différence de structure des
deux locus. Le gène b est unique, mais une expression vicariante des gènes c peut moduler l’expression clinique de la maladie selon le taux d’hémoglobine fœtale (HbF = a2c2) produite. Les
persistances héréditaires d’HbF (PHHF) peuvent
être envisagées comme des formes limites de
db−thalassémies au cours desquelles la compensation est presque totale. Dans le locus a, en revanche, le gène a est dupliqué, mais il est exprimé dès
la phase fœtale puisqu’il n’existe pas de gènes
fœtaux et qu’il se produit une seule commutation
embryonnaire → fœtale/adulte.
b-thalassémies
Elles seront décrites d’abord parce que plus fréquentes dans nos pays. Observées initialement dans
le bassin méditerranéen où elles sont endémiques,
d’où leur nom, elles sont, en réalité, encore plus
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
fréquentes dans toute l’Asie du Sud ou du Sud-Est
où a sévi le paludisme. La première classification a
été phénotypique : b+ ou b0 selon que l’électrophorèse montrait ou non l’existence d’HbA chez les
homozygotes atteints. Le mécanisme physiopathologique est représenté dans la Figure 7. Les chaînes
a-globine en excès, non associées en tétramères,
précipitent dès le stade des précurseurs érythropoïétiques, entraînant la destruction intramédullaire des cellules et une érythropoïèse inefficace.
Les lésions cellulaires se présentent comme une
conséquence directe de cet excès de chaînes a qui
coprécipitent sur la membrane avec les protéines
du squelette, formant des hémichromes et libérant
des espèces réactives de l’oxygène. L’anémie a
donc plusieurs composantes : une destruction intramédullaire précoce, l’hémolyse intravasculaire des
globules rouges (GR) qui sont parvenus à maturité,
enfin le pouvoir oxyphorique réduit de GR hypochromes et microcytaires.
La persistance de l’expression d’HbF, couramment observée, est en grande partie liée à la survie
sélective des cellules normalement riches en HbF,
ou cellules F, dont la proportion est génétiquement
déterminée. Dans ces cellules, les chaînes c s’associent aux chaînes a, ce qui réduit leur excès et
allonge la durée de vie des GR. Dans certains cas,
s’y ajoute également une augmentation absolue de
la production d’HbF et de cellules F. D’autres mécanismes s’enchaînent. Une sécrétion d’érythropoïétine répond à l’hypoxie tissulaire, avec expansion de la moelle, déformations osseuses, parfois
même érythropoïèse extramédullaire. Autre conséquence de l’anémie, on observe, également des
anomalies du métabolisme du fer, avec augmentation de l’absorption intestinale, que limite le traitement transfusionnel, et accumulation de fer dans
différents organes (surrénales, pancréas, myo-
227
carde, etc.). Une susceptibilité accrue aux infections est classique, mais imparfaitement expliquée.
L’avènement de la biologie moléculaire a permis
de raffiner la classification.24 On sait que la grande
majorité des b-thalassémies est due à des mutations ponctuelles ou à des microdélétions ou insertions de nucléotides. Ces mutations ont été observées sur toute l’étendue du gène b : exons, introns,
sites d’épissage et leurs séquences consensus, promoteurs, autres régions non transcrites ou non traduites en 5’ et en 3’ (Fig. 8). Elles ont par ailleurs
été identifiées à toutes les étapes de la synthèse
protéique : transcription, maturation de l’ARNm,
traduction, et même étape post-traductionnelle.
Les différentes formes moléculaires ont pu être
rattachées à la classification initiale b+/b0.
C’est ainsi que sont toujours b0 :
• les mutations des sites d’épissage GT et AG
eux-mêmes ;
• les mutations non-sens qui entraînent un arrêt
de la traduction et celles qui, par un décalage
de phase de lecture, entraînent l’apparition
d’un codon non-sens en aval ;
• mais aussi les mutations, moins fréquentes, du
codon d’initiation.
À l’opposé, on trouve dans la catégorie des b+thalassémies les mutations de la région promotrice
et en 3’ celles du site de polyadénylation, ainsi que
les mutations des séquences consensus entourant
les sites d’épissage.
Les mutations, exoniques ou introniques, qui
créent des sites d’épissage alternatif sont le plus
souvent b+. Les patients expriment simultanément
l’ARNm mature normal et l’ARNm anormal, seul le
premier étant traduit ; les taux relatifs des ARNm
conditionnent la gravité de la maladie. Plusieurs
centaines de mutations ont maintenant été décri-
Figure 7 Schéma physiopathologique des troubles observés au cours d’une b-thalassémie sévère. C’est l’excès de chaînes a libres non
appariées qui est à la base de la physiopathologie (voir texte).
228
D. Labie, J. Elion
Figure 8 Mutations responsables de b-thalassémies. On a représenté dans la partie supérieure de la figure les grands types de défauts
moléculaires responsables d’une b+ -thalassémie, et dans la partie inférieure ceux qui entraînent une b0-thalassémie (voir texte).
tes et un tableau complet se trouve dans plusieurs
traités spécialisés.
Nous avons déjà mentionné au titre des hémoglobines anormales l’HbE ou d’autres similaires, ainsi
que les hémoglobines Lepore, qui présentent aussi
un phénotype b+ thalassémique. À cette catégorie
b+ appartiennent également les hémoglobines hyperinstables dont l’ARNm est normalement exprimé, mais dont le phénotype d’expression est
thalassémique par suite d’une destruction prématurée de la protéine.
Une catégorie de mutations mérite une mention
particulière. Elles se présentent comme des cas
sporadiques ou familiaux d’anémie hémolytique sévère à transmission dominante (Fig. 9).25 Elles touchent des populations de toutes origines, sans le
caractère ethnique ou géographique habituel. On
constate que les malades sont des hétérozygotes
chez qui la mutation du 3e exon aboutit à la production d’une chaîne tronquée ou allongée qui rend le
tétramère très instable.
Si elles sont plus rares que les mutations ponctuelles, les formes de b-thalassémie dues à des
délétions ne sont cependant pas exceptionnelles.
On en a décrit un certain nombre, de taille variable
entre 0,29 kb et 67 kb (Fig. 10). Un groupe de ces
délétions mérite une mention spéciale. Ce sont
celles qui englobent la région promotrice du gène
b. Leur caractéristique phénotypique est une aug-
mentation atypique de l’Hb A2, jusqu’à 7 ou même
10 %, qui doit attirer l’attention.26
Comme la mutation drépanocytaire, les mutations thalassémiques sont presque toujours associées à un environnement génique précis qui reflète
les migrations de populations.27 L’absence de ce
caractère signerait une mutation itérative. Les études dans différents pays ont montré pratiquement
partout que quelques mutations (4 à 8) y représen-
Figure 9 Conséquences des mutations non-sens (NS) et des
mutations entraînant un décalage du cadre de lecture (DCL). Les
mutations NS ou DCL dans les exons 1 et 2 entraînent des
b0-thalassémies récessives par manque de production de chaîne
b. Les mutations de type DCL au niveau du 3e exon entraînent la
synthèse de chaînes b raccourcies ou allongées qui rendent le
tétramère très instable. Elles se présentent comme des b+ thalassémies intermédiaires à transmission dominante.
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
229
Figure 10 b-thalassémies et de PHHF délétionnelles. Les formes délétionnelles de b-thalassémies sont rares. Seuls des prototypes des
délétions décrites sont représentés ici. Certaines ne touchent que le gène b lui-même ; d’autres sont plus étendues. Deux hypothèses
ont été formulées qui expliqueraient la différence de sévérité de l’expression clinique entre db-thalassémies et de PHHF délétionnelles : 1) la délétion peut, ou non, englober une zone régulatrice située entre les gènes c et d et impliquée dans la commutation
fœtale → adulte, 2) la délétion rapproche des gènes c un enhancer situé en 3′. Elles peuvent être valables dans certains cas, pas dans
d’autres. Quelques formes exceptionnelles correspondent à des délétions du LCR, alors que tous les gènes de structure sont épargnés.
LCR : Locus Control Region.
tent une majorité des cas, elles seront recherchées
en priorité. La fréquence des mutations « rares »
reflète, elle aussi l’importance des mouvements de
populations. Il est classique, dans nos populations
urbaines qui ont été brassées, de trouver en majorité des hétérozygotes composites. Il faut cependant savoir que les homozygotes vrais sont fréquents dans les populations endogames, de 30 à
50 % en Afrique du Nord, jusqu’à 70 % dans le
sous-continent indien.
db-thalassémies et persistances héréditaires
d’hémoglobine fœtale (PHHF)
Ce terme descriptif recouvre un groupe d’affections caractérisées par un défaut d’expression touchant simultanément l’HbA et l’HbA2 (a2d2) associé
à une expression accrue de l’HbF. La classification
initiale se base sur la sévérité clinique et hématologique, faisant parler de thalassémie ou de PHHF
selon que l’expression de l’HbF est ou non suffisante pour compenser le défaut de production
d’HbA. Un certain nombre de grandes délétions ont
été successivement identifiées, englobant les gènes d et b, parfois le gène Ac. Il en résulte une
classification en PHHF GcAc (db)0, thalassémie
G A
c c(db)0 et thalassémie Gc (Acdb)0 (Fig. 10). Le
détail de ces délétions est décrit dans tous les
traités concernant l’hémoglobine.28 On a cherché à
expliquer le taux variable d’HbF et ses conséquences sur la sévérité de la maladie. Deux causes
principales, non exclusives, ont été évoquées :
• la délétion peut ou non englober une zone régulatrice située entre les gènes Ac et d, impliquée
dans la commutation fœtale → adulte ;29
• la délétion a placé à proximité des gènes c des
séquences activatrices de type « enhancer ».30
Cette dernière hypothèse a pu être vérifiée dans
certains cas, elle n’est pas valable dans
d’autres : il s’agit d’un groupe hétérogène et
aucun mécanisme unique n’est l’explication de
toutes les formes moléculaires.
Quoique exceptionnelles, quelques thalassémies
ont été observées à l’état hétérozygote au cours
desquelles aucun des gènes du locus n’était exprimé (eGcAcdb) 0.31,32 Dans certains de ces cas,
cependant, le gène b était présent et intact, mais
non actif. C’est à la suite de la première de ces
descriptions qu’a été faite en 1987 par F. Grosveld
la mise en évidence du LCR en 5’ du locus, ce qui a
ultérieurement orienté la recherche et permis l’observation de délétions de tailles variables, mais
s’étendant toutes sur l’ensemble des sites du LCR.
À côté des formes délétionnelles, des investigations ultérieures ont mis en évidence des PHHF non
délétionnelles au cours desquelles le gène b est
230
D. Labie, J. Elion
Figure 11 Persistances héréditaires d’hémoglobine fœtale (PHHF) non délétionnelles. Les mutations responsables sont situées dans la
région promotrice des gènes c-globine. Il s’agit essentiellement de mutations ponctuelles groupées dans certaines zones. Rarement,
elles correspondent à de petites délétions. Les boîtes colorées représentent les sites de fixation de facteurs de transcription.
L’hypothèse d’une modification dans la fixation d’un de ces facteurs a été vérifiée dans certains cas, et semblerait d’application
générale.
exprimé normalement. On a trouvé alors diverses
mutations dans les régions promotrices de l’un ou
l’autre des gènes c (Fig. 11).28 Il y a toujours une
expression majoritaire du gène porteur de la mutation. On a pu, dans certains cas, mettre en évidence le fait que la mutation modifiait le site de
fixation d’un facteur transactivateur. Cette explication, variable selon le facteur, semblerait d’application générale.33
␣-thalassémies
Leur symptomatologie est expliquée par deux données. Le gène a est dupliqué et il est s’exprime dès
la vie fœtale (une seule commutation embryonnaire → fœtale/adulte). L’anémie au cours de
cette étape initiale entraîne la formation de tétramères c4 (Hb Bart), et au stade postnatal de tétramères b4 (HbH). Ces homotétramères sont solubles,
il n’y aura donc ni destruction intramédullaire ni
érythropoïèse inefficace, mais seulement destruc-
tion dans la circulation de cellules à maturité.
Cependant, ils sont inaptes à la transition allostérique et donc à la fonction oxyphorique, ajoutant
donc à l’anémie une proportion d’hémoglobine non
fonctionnelle. La classification nosologique, autrefois très imprécise, est devenue claire à partir de la
notion de duplication (Fig. 12). Pour chaque chromosome, l’expression d’un seul gène est une a+ thalassémie, l’absence d’expression de deux gènes
une a0-thalassémie. L’éventail complet des formes
d’a-thalassémie est typiquement observé en Asie
du Sud-Est. Au total un, deux, trois, ou même
quatre gènes peuvent être non exprimés. La nonexpression de trois gènes a se traduit cliniquement
par une forme thalassémique typique, l’hémoglobinose H, alors que la non-expression des quatre
gènes a est létale avec une anasarque fœtoplacentaire dès la période périnatale, quand s’éteint l’expression des gènes embryonnaires (hydrops fetalis).
Figure 12 Classification des a-thalassémies. La duplication des gènes a-globine et la non-expression d’un ou deux gènes sur chaque
chromosome permet une classification nosologique de toutes les formes de a-thalassémies. On observe un continuum clinique complet
entre le statut normal (4 gènes a fonctionnels) et l’hydrops fetalis, forme majeure incompatible avec la vie, sans aucun gène a
fonctionnel.
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
Toutes les études épidémiologiques ont montré
que, contrairement à ce que l’on voit au niveau du
locus b, les formes délétionnelles sont largement
prédominantes au niveau du locus a, et cela dans
toutes les populations.34 Les plus fréquentes de ces
délétions ne touchent qu’un seul des deux gènes et
s’expliquent par la structure de la région périgénique. Les gènes a font partie d’une zone dupliquée
d’environ 4 kb et où l’on identifie trois segments
identiques, X, Y et Z, conservés au cours de l’évolution (Fig. 13).35 Des recombinaisons, fréquentes
et itératives, se sont produites au niveau des séquences X et Z, dont l’expression est une a+ thalassémie. Grâce aux différences de taille, il a
été possible d’individualiser la recombinaison gauche dans la séquence X, de diffusion universelle –
génotype (-a3,7) – et la diffusion droite dans la
séquence Z, observée surtout en Asie du Sud-Est –
génotype (-a4,2). Ces a-thalassémies ont été sélectionnées par le paludisme en même temps que les
HbS ou E, et dans les mêmes populations, ce qui
explique leur fréquence. L’association d’une
a-thalassémie aux hémoglobinopathies S ou E en
modifie souvent l’expression phénotypique. La fréquence de l’a-thalassémie est en Afrique variable
entre 10 et 50 %, elle atteint dans certains foyers
asiatiques un niveau de quasi-fixation, supérieur à
90 %. L’événement de recombinaison est confirmé
par le fait qu’on trouve, plus rarement mais de
231
façon non négligeable, (jusqu’à 1 %), les triplications aaa correspondantes.36 Toutes les autres formes a+ délétionnelles sont rares et sporadiques.
Des délétions englobant les deux gènes a sont
relativement fréquentes en Asie du Sud-Est, mais
on en observe également quelques foyers en Méditerranée orientale (Fig. 13). On ne retrouve pas,
concernant les grandes délétions a0, un mécanisme
de recombinaison aussi simple que celui qui est à
l’origine des formes a+. Peut-être, cependant, la
fréquence des séquences Alu dans le locus
a-globine a-t-elle facilité certaines cassures et recombinaisons.
On a vu que, dans le locus b-globine, des délétions du LCR entraînent une inactivation de tous les
gènes. De façon similaire, une dizaine de cas de
délétion du site HS-40 ont été décrits, entraînant
l’inactivation des gènes de la famille a.34 Un cas
plus rare vaut aussi d’être signalé, celui d’une
délétion recouvrant a1 et la région en aval. Cette
délétion rapproche le gène LUC7L du gène a2, intact. La transcription de ce gène, d’orientation
opposée à celle du gène a2, se poursuit dans celui-ci
et produit un ARN antisens qui inactive a2.37
Quoique moins fréquentes que les délétions, les
mutations ponctuelles aaT, responsables d’une a+ thalassémie ne sont pas rares, soumises au même
processus de sélection. Les mécanismes identifiés
sont les mêmes que ceux des b-thalassémies : inter-
Figure 13 a-thalassémies délétionnelles. Les plus fréquentes sont des a+ -thalassémies – a3,7 et – a4,2. Elles sont dues à un
crossing-over inégal au niveau des segments d’homologie X et Z (voir texte). Les barres horizontales représentent l’étendue de la
délétion. Les deux grandes délétions les plus fréquentes responsables d’a0-thalassémies sont représentées dans le bas de la figure :
-- SEA (South East Asia) et – MED (Méditerranéenne).
232
férence avec l’épissage, mutation du signal de polyadénylation, mutation non-sens, décalage du cadre de lecture, mutation du codon d’initiation de la
traduction, hémoglobine hyperinstable, etc. Il est
probable que certaines mutations passent inaperçues si trois des quatre gènes a sont exprimés
normalement. Ces formes (aaT) s’avèrent souvent
plus sévères que les formes délétionnelles (-a).
L’explication avancée est une fixation accrue des
facteurs de transcription sur le promoteur du seul
gène a présent dans la forme (-a), alors que dans les
formes (aaT), une partie de ces facteurs est déviée
de façon inefficace vers le promoteur du gène
inactif aT aux dépens du promoteur du gène a
fonctionnel.
␣-thalassémies acquises
Un certain nombre de cas d’hémoglobinose H avec
déséquilibre de synthèse a/b ont été observés, en
général chez des hommes âgés, accompagnant un
syndrome myélodysplasique (syndrome ATMDS).
Ces formes seraient dues à une anomalie clonale
acquise.
Rôle des vaisseaux dans
la physiopathologie des maladies
de l’hémoglobine
Des données récentes ont mis en évidence une
implication majeure des vaisseaux et tout particulièrement de l’endothélium vasculaire dans la physiopathologie de la crise vaso-occlusive drépanocytaire. À un moindre degré, le vaisseau participe
aussi à la physiopathologie des thalassémies.
Rôle des vaisseaux dans la drépanocytose
Satisfaisant pour l’esprit, le schéma physiopathologique primaire décrit précédemment s’avère insuffisant pour comprendre la maladie drépanocytaire,
car il n’a pas pris en compte la notion du delay
time, le temps de latence nécessaire pour la polymérisation de la désoxy-HbS. Dans les conditions
basales, celui-ci est supérieur au temps de passage
dans la microcirculation. On s’est donc normalement orienté, ces dernières années, vers la recherche d’évènements induisant un ralentissement circulatoire. Deux ont été identifiés :
• une adhérence accrue des globules rouges drépanocytaires à l’endothélium ;
• une anomalie du tonus vasculaire favorisant la
vasoconstriction.
Adhérence cellulaire dans la drépanocytose
Les processus d’adhérence avaient été évoqués dès
les années 80, et c’est RP. Hebbel et son équipe
D. Labie, J. Elion
qui, depuis 10 ans, ont montré au mieux que, si la
drépanocytose est une maladie moléculaire, elle
est aussi une maladie rhéologique.38 Des données se
sont progressivement accumulées, montrant une
adhérence accrue de l’érythrocyte drépanocytaire
à l’endothélium. Pratiquées dans des systèmes expérimentaux différents, à l’état statique ou en
flux, sur des systèmes cellulaires ou sur des protéines purifiées, sur le mésocæcum de rat ou chez la
souris transgénique, les expériences sont restées
longtemps d’interprétation difficile car non comparables entre elles. Il est maintenant clair que l’adhérence cellulaire à l’endothélium est le fait de
mécanismes multiples, coopératifs, et souvent redondants, dont l’un ou l’autre peut être impliqué
dans le déclenchement d’une crise vaso-occlusive.
L’hypothèse actuelle est celle d’un mécanisme
en deux étapes. La première ferait intervenir des
globules rouges jeunes, réticulocytes prématurément sortis de la moelle qu’on a pu assimiler à des
« réticulocytes de stress ». Les globules rouges
falciformés et les drépanocytes irréversibles ne
sont entrappés que secondairement. Les réticulocytes drépanocytaires expriment des protéines utilisées normalement pour leur fixation intramédullaire : une intégrine, VLA-4 (ou a4b1) qui se lie
directement à la protéine VCAM-1 de l’endothélium, et CD36 qui interagit avec une autre molécule
CD36 exprimée sur l’endothélium par l’intermédiaire d’une molécule de thrombospondine.39 Ces
partenaires protéiques, les premiers identifiés,
sont vraisemblablement les plus importants, mais
ne sont de loin pas les seuls. On sait, entre autres,
que l’antigène BCAM/Lu interagit avec la laminine
sous-endothéliale et que le facteur von Willebrand
intervient au niveau des gros vaisseaux (Fig. 14).40
Le groupe de RP. Hebbel a mis en évidence chez
les drépanocytaires une activation des cellules endothéliales qui s’exagère au moment des crises
vaso-occlusives, avec libération de cellules endothéliales activées dans la circulation.41 Ces cellules
expriment en excès des molécules adhésives,
VCAM-1, ICAM-1, sélectine, etc. Sans doute faut-il
aussi penser qu’interviennent des interactions de
faible affinité facilitées par un ralentissement circulatoire et un phénomène de ballottement (« rolling ») ; interviennent aussi les autres éléments
figurés du sang, plaquettes et surtout globules
blancs, ainsi que d’autres protéines plasmatiques.
On sait qu’une hyperleucocytose est presque constante chez le drépanocytaire, et les granulocytes,
par leur volume et leurs propriétés adhésives, sont
un facteur important de ralentissement de la circulation. La liste suggérée ici n’est sûrement pas
exhaustive. Les processus adhésifs, les troubles
rhéologiques complexes restent un phénomène ma-
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
233
Figure 14 Adhérence des globules rouges à l’endothélium dans la drépanocytose. La maladie drépanocytaire est une maladie
rhéologique. La figure schématise les différents systèmes impliqués. Ils sont multiples, encore incomplètement connus. Deux
systèmes semblent jouer un rôle prépondérant : l’interaction a4b1/VCAM1, et celle de deux molécules CD36 par l’intermédiaire de la
thrombospondine (voir texte).
jeur de la drépanocytose en général et de presque
toutes ses complications aiguës. Quelques essais
thérapeutiques ont été suggérés, ciblés sur l’un ou
l’autre des mécanismes connus. Aucun n’a encore
semblé décisif, sans doute en raison du caractère
redondant et supplétif de ces mécanismes. Un fait
intéressant, néanmoins, est la description récente
que l’hydroxyurée (HU) : seul médicament actif
dans la drépanocytose, initialement administrée
dans le but d’augmenter le taux d’HbF, elle modifie
l’expression des protéines d’adhérence aussi bien
sur l’endothélium42 que sur les érythrocytes.40
Anomalies du tonus vasculaire
dans la drépanocytose
Un développement plus récent est la mise en évidence du rôle du monoxyde d’azote (NO) et de
l’endothéline-1 (ET-1) dans la pathologie vasculaire
en général, et plus spécifiquement celle de la drépanocytose. Les propriétés vasodilatatrices du NO
sont connues depuis longtemps, utilisées en anesthésie, ainsi que les dangers de sa libération excessive (au cours d’un choc septique, ou dans les essais
de transfusion d’Hb libre). ET-1 est un puissant
vasoconstricteur.
On sait que le NO est produit par la NO-synthase
endothéliale (eNOS). L’hypothèse a été faite que le
NO réagirait avec la Cys b93 pour former une hémoglobine nitrosylée (Hb + NO ↔ SNOHb). Il y aurait
fixation au groupe hème de la désoxyhémoglobine,
puis transfert vers la Cys b93 (par oxydation d’un
électron). C’est SNOHb qui contrôlerait le flux sanguin. Cette régulation endocrine n’a, cependant,
jamais été prouvée.
Une autre hypothèse est possible, celle d’un
vasorégulateur paracrine : (NO + OxyHb → nitrate + MetHb). La réaction étant stœchiométrique, le taux élevé d’Hb circulante risquerait de
capter la totalité du NO, et donc d’inhiber son
action vasodilatatrice. La membrane du globule
rouge, en compartimentalisant l’Hb, réduit environ
1000 fois l’interaction NO-Hb.43 Le NO produit localement, extracellulaire, est alors suffisant pour un
effet paracrine vasodilatateur. Il s’agit d’un équilibre finement contrôlé entre captation et production de NO. Cet équilibre est détruit dans la drépanocytose par l’effet de l’hémolyse intravasculaire
qui est d’environ 10 % par 24 heures. La décompartimentalisation de l’Hb vers le plasma entraîne une
insuffisance de la disponibilité en NO et la perte de
la régulation vasodilatatrice. L’ET-1, dont le taux
est augmenté chez les sujets drépanocytaires,
prend alors le dessus et la tendance est à la vasonconstriction. Il est intéressant de noter que l’HU
diminue la production d’ET-1 par des cellules endothéliales en culture42 et que le taux d’ET-1 circulante est abaissé chez les drépanocytaires traités
par l’HU.44
On a rattaché au NO le mécanisme moléculaire
d’action de l’HU. Dans cette hypothèse, l’HU induit
la production d’HbF par activation de la guanylatecyclase soluble (sGC), qui est elle-même dépen-
234
dante de NO.45 Selon une hypothèse antérieure,
c’était la ribonucléotide réductase qui était considérée comme la cible de HU, mais ce mécanisme
n’a, en fait, pas été réellement identifié. On a pu
démontrer que des donneurs de NO (CysNO) et l’HU
produisent les mêmes effets sur la lignée
érythroïde K562 et sur les progéniteurs érythroïdes.
On observe au cours de ces expériences une expression de Gc qui est fonction de la dose et du temps,
ainsi qu’une augmentation de la sGC. Enfin, les
inhibiteurs de la sGC inhibent la production de
globine Gc.
NO est un produit volatil et très instable. On a pu
montrer que ce sont les nitrites qui produisent NO
et induisent une vasodilatation. Un gradient artérioveineux de NO est observé après infusion de
nitrites, même à des concentrations physiologiques
(ce qui n’est pas vrai pour les réactions enzymatiques de transformation). C’est la désoxyhémoglobine qui a une activité réductrice des nitrites.46 Il y
a donc association entre l’hypoxie tissulaire, l’allostérie de l’Hb et la bioactivation des nitrites.
L’hémoglobine a ainsi, outre son rôle de transporteur d’oxygène, un rôle physiologique, contribuant
à la vasodilatation.
D. Labie, J. Elion
Hémoglobinopathies
dues à des anomalies situées
en dehors du génome globine
Syndrome b-thalassémique par déficit
d’un facteur de transcription
Dans quelques cas de syndrome thalassémique,
malgré une exploration rigoureuse de tout le locus
des gènes b, la cause moléculaire n’a pas pu être
identifiée. L’hypothèse est alors celle d’une anomalie d’un facteur transactivateur. Un mécanisme
de ce type a été identifié pour la première fois par
l’équipe de DR Higgs au cours de l’étude d’un sujet
atteint de trichothiodystrophie (TTD), qui était en
même temps b-thalassémique.48 La TTD est due à
un déficit de la transcription basale par mutation
du gène XPD, l’une des neuf sous-unités du facteur
de transcription TFIIH. Un déficit transcriptionnel
pourrait être un facteur limitant dans les cellules
en fin de différenciation, comme les kératinocytes,
etc. L’érythropoïèse est également un exemple de
différenciation terminale et le même défaut de
synthèse de b-globine a été retrouvé dans tous les
cas d’une série de 11 patients présentant un syndrome de TTD avec mutation du gène XPD.
Implication des vaisseaux
dans les thalassémies
Syndromes d’␣-thalassémie avec retard
mental (ATR-16 et ATR-X)
Si les troubles vasculaires sont un élément clef au
cours de la drépanocytose, peut-on leur attribuer
un rôle dans l’évolution à long terme des thalassémies ? Des lésions membranaires ont été mises en
évidence sur les globules rouges. Les hémichromes
liés à la membrane coprécipitent avec la protéine
bande 3. Il y a peroxydation des lipides par le fer
libre et exposition de phospholipides cationiques,
l’ensemble résultant dans l’expression d’une activité prothrombinase qui contribue à un état d’hypercoagulabilité. On observe par ailleurs une activation de l’endothélium, la présence de cellules
endothéliales circulantes et des concentrations
plasmatiques élevées de protéines d’adhérence
d’origine endothéliale telles que ICAM-1, VCAM-1,
E-sélectine, thrombomoduline, etc. Il a été montré
que des chélateurs du fer, dipyridile ou déferoxamine, inhibent ces derniers phénomènes, qui se
présentent comme couplés à la voie de sensibilité
redox.47 Quoique secondaires dans la physiopathologie des thalassémies, ces processus pourraient
être la cible d’abords thérapeutiques ; on sait
l’importance des complications cardiovasculaires
chez les thalassémiques adultes avec surcharge en
fer.
La première mise en évidence de syndromes associant a-thalassémie et anomalies du développement, en particulier retard mental (RM), remonte à
1981.49 Dans tous les cas le syndrome a-thalassémique se présentait comme apparu de novo,
aucune anomalie n’étant observée chez les parents. Deux syndromes ont pu être individualisés.
Dans quelques cas, des études de cytogénétique
ont mis en évidence des réarrangements chromosomiques variés et étendus (1 à 2 Mb), englobant
plusieurs gènes de la région télomérique p16. Dans
ce syndrome, appelé ATR-16, le RM est souvent
discret.
Un autre syndrome est plus fréquent et n’a été
observé que chez des garçons.50 Le RM est profond,
accompagné d’une dysmorphie faciale typique et
d’anomalies urogénitales fréquentes. L’a-thalassémie est souvent modérée, uniquement révélée par
des inclusions d’HbH, et aucune anomalie de
structure n’a été trouvée au niveau des gènes a.
L’anomalie est en trans et a été localisée en
Xq13.1-q21.1 ; elle porte sur le gène ATR-X (ou XNP
␣-thalassémie/mental
retardation
syndrome
X-linked). Ce gène, d’environ 300 kb, comporte
36 exons et donne lieu à deux transcrits, traduits en
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
deux protéines ATRX, de 265 et 280 kD, qui sont des
protéines nucléaires, composantes de l’hétérochromatine péricentrique. On leur distingue trois
régions. L’extrémité N-terminale est riche en cystéines et comporte des doigts de zinc, sans doute
impliqués dans les interactions protéine-protéine.
La région centrale, particulièrement conservée,
comporte des motifs de type hélicase et pourrait
être impliquée à différentes étapes de l’expression
génique et dans le remodelage chromatinien. L’extrémité C-terminale aurait aussi un rôle dans la
régulation de la transcription.
Plus de 70 mutations de différents types ont été
identifiées par l’exploration d’au moins 150 familles. Elles sont groupées en majorité dans deux
régions de la protéine ATRX : les doigts de zinc
(60 %) et les motifs hélicase (20 %). Il n’y a pas de
corrélation nette entre mutation et expression phénotypique. Cependant, il semble que les anomalies
urogénitales soient liées à une perte du segment
C-terminal de la protéine. Le rapport avec l’athalassémie est mal établi ; on n’observe pas de
relation entre la gravité du syndrome et le taux
d’HbH. D’autres facteurs génétiques, non encore
identifiés, interviennent certainement pour expliquer que l’effet s’exerce sur l’expression de l’aglobine et pas sur celle de la b-globine. Il en est de
même pour la variabilité du RM et le développement du système nerveux central. Un rôle dans la
méthylation du génome a été invoqué.
Une avancée plus récente peut être signalée. On
avait des raisons de penser que la protéine ATRX
était impliquée dans un remodelage chromatinien
ATP-dépendant. Il a de fait été montré qu’elle
constitue un complexe équimoléculaire avec la protéine Daxx, protéine exclusivement nucléaire qui,
en interagissant avec Fas au cours de l’apoptose,
est active dans les processus de répression transcriptionnelle.51 Le taux de ce complexe ATRX-Daxx
est fortement diminué dans les lignées cellulaires
des sujets présentant le syndrome ATRX. Le remodelage chromatinien et la répression de la transcription s’exerceraient par l’intermédiaire de
Daxx, qui agit comme une sous-unité de ciblage sur
des promoteurs spécifiques. Les mutations du gène
ATRX entraîneraient dès lors un contrôle défectueux de cette régulation.
Gènes modulateurs de l’expression
des maladies de l’hémoglobine
L’identification des mutations responsables des
maladies de l’hémoglobine n’a pas vraiment résolu
la question que pose une remarquable diversité
235
d’expression clinique en dépit d’une base moléculaire identifiée et de mécanismes primaires apparemment bien compris.
Effets modulateurs liés aux locus globine
La mutation responsable d’une maladie de l’hémoglobine en est évidemment le déterminant primaire. Les mutations responsables de thalassémie
sont multiples et de types très variés. Un nombre
très limité de mutations « bénignes » ont une
diffusion importante : l’HbE en Asie, une mutation
A→G du promoteur en –29 dans les populations
africaines, une mutation G→A à la 6e position du 2e
intron dans des populations méditerranéennes. Audelà, cependant, comme déjà souligné, la corrélation entre la nature de la mutation et la sévérité
clinique est très pauvre. Aucune corrélation systématique, par exemple, n’est observée par rapport
au caractère b0 ou b+ de la mutation. Pourquoi la
drépanocytose, maladie due à une mutation unique, se présente-t-elle sous des phénotypes éminemment variables ? L’explication est donc insuffisante pour justifier un spectre de gravité allant
d’une maladie rapidement létale à des formes quasiment silencieuses.
Ce problème a été particulièrement étudié par
DJ. Weatherall à propos des thalassémies.52 Si la
gravité d’une thalassémie résulte de l’intensité du
déséquilibre a/b, alors est posée la question du rôle
de déterminants « secondaires », susceptibles de
modifier ce rapport. Certains sont bien connus : la
coexistence d’une a-thalassémie et la persistance
d’un taux élevé d’HbF. Ces deux déterminants sont
aussi actifs dans la drépanocytose : l’association à
une a-thalassémie diminue la concentration intraérythrocytaire d’Hb et donc la polymérisation de la
désoxy-HbS ; de même, l’HbF forme des molécules
hybrides a2bSc qui interrompent la formation du
polymère.
Les gènes c étant proches du gène b, la question
s’est posée de savoir si la variabilité de l’environnement génique de la mutation en cause pourrait
participer à la variabilité d’expression de l’HbF.
Une avancée fondamentale a été, en 1978, la découverte par Kan et Dozy d’un polymorphisme de
restriction (restriction fragment length polymorphism ou RFLP) affectant un site de l’enzyme HpaI
en aval de la mutation bS.53 Il s’agissait de la
première description d’un polymorphisme de l’ADN
humain, qui indiquait également que la mutation bS
avait pu apparaître dans des contextes génétiques
différents. L’identification d’autres RFLP dans le
locus b-globine a ensuite permis de définir des
haplotypes de restriction, souvent spécifiques
d’une population, et d’établir l’origine pluricentri-
236
D. Labie, J. Elion
Figure 15 Haplotypes du locus b-globine. Les polymorphismes de restriction (RFLP) sont représentés par le signe + ou – indiquant la
présence ou l’absence d’un site de clivage pour l’enzyme concernée du locus b-globine. Le polymorphisme des séquences
microsatellites concerne le plus souvent le nombre de répétitions de (AT) ou de (TG). Ensemble, RFPL et microsatellites forment les
haplotypes étendus qui constituent l’environnement génique du gène muté. Sont représentés ici les 4 haplotypes majeurs liés à la
mutation bS.
que de la mutation54 (Fig. 15). L’association, au
moins statistique, entre un haplotype donné et la
gravité de l’expression phénotypique est un fait
d’observation. Beaucoup de travail a été consacré
aux polymorphismes susceptibles de moduler l’expression de l’HbF. Une certaine corrélation a été
trouvée, concernant en particulier la présence d’un
site XmnI et une expression élevée du gène Gc.55,56
Cependant, il est clair que les autres RFLP ne sont
que des marqueurs d’un environnement génétique,
utiles en génétique des populations. Plus récemment, une autre série de polymorphismes a été
mise en évidence : les microsatellites qui sont des
répétitions en nombre variable de courts motifs, le
plus souvent dinucléotidiques. Certaines de ces séquences pourraient être le site de fixation de facteurs transactivateurs et intervenir dans la structure chromatinienne du locus.57 Plusieurs de ces
polymorphismes ont été identifiés dans la région
promotrice du gène b, dans le deuxième intron des
gènes c, et enfin au niveau du site HS2 du LCR.
L’« haplotype étendu » regroupant RFLP et microsatellites se présente dans chacun des groupes ethniques comme spécifique du chromosome porteur
de la mutation bS, et pourrait intervenir dans l’expression phénotypique de la maladie.58 L’haplotype
“Sénégal” s’accompagne d’un taux élevé d’HbF, de
même que l’haplotype “indien” auquel est associé,
en outre, un taux abaissé de production de la
chaîne bS.59 Cependant, il a été montré que les
haplotypes ne participent que très partiellement à
la variabilité d’expression de l’HbF60 et qu’en
aucun cas ils ne permettent un pronostic individuel.
Effets modulateurs dus à d’autres gènes
Si le taux d’HbF reste un élément majeur de la
gravité de la drépanocytose – comme aussi de celle
des thalassémies – le contrôle n’en est pas seulement moléculaire, lié à l’activation du gène c. Il
existe aussi une régulation cellulaire multigénique
qui contrôle la proportion de cellules F. Les résultats sont encore partiels, mais des études épidémiologiques ont montré l’implication de locus situés sur le chromosome X,61 et sur les chromosomes
6 et 8.62,63
Cependant, au-delà de l’HbF, d’autres facteurs
de modulation sont probablement en cause et Weatherall évoque le rôle de modificateurs « tertiaires »,52 des gènes dont l’expression n’a a priori rien
à voir avec celle de l’Hb, mais qui modifient l’expression phénotypique de certaines complications
et qui peuvent être polymorphes (Fig. 16). L’UDPglucuronosyltransférase (UGT1) intervient dans la
glucuronidation de la bilirubine ; le polymorphisme
d’un microsatellite [TA] n dans le promoteur du
gène est lié à la production d’UGT1, au taux de
bilirubine non conjuguée et à la survenue des lithiases biliaires, aussi bien dans les thalassémies que
dans la drépanocytose.64,65 Le métabolisme du fer
est sensible aux mutations du gène HFE, qui est à
l’origine de la majorité des hémochromatoses. Quel
rôle jouent les formes hétérozygotes de ces mutations dans la surcharge martiale des thalassémiques ?66,67 L’ostéoporose progressive, classiquement observée dans l’évolution d’une thalassémie,
met en cause différents gènes, potentiellement
Bases moléculaires et physiopathologiques des maladies de l’hémoglobine
237
Figure 16 Gènes modulateurs dans les b-thalassémies.
polymorphes ; récepteur de la vitamine D, collagène, récepteur des œstrogènes, etc.
En même temps que sur les hémoglobinopathies,
la sélection par le paludisme, dans les régions tropicales d’Afrique ou d’Asie, s’est exercée sur de
nombreux autres gènes, dont la liste s’allonge sans
cesse. On peut citer des gènes du système immunitaire : gènes HLA du complexe majeur d’histocompatibilité, cytokines comme le TNF, gènes des molécules d’adhérence, comme ICAM-1, etc. Dans
tous ces gènes, des polymorphismes sont progressivement mis en évidence qui en modifient l’expression et modifient ainsi les défenses de l’organisme.
Les enfants atteints d’hémoglobinopathie ont dès
lors, vis-à-vis de l’infection, des réactions variées
susceptibles de modifier l’évolution de leur maladie. Les facteurs environnementaux, enfin, ajoutent à la complexité de l’évolution de ces maladies
« monogéniques », sûrement parmi les mieux étudiées et les mieux comprises ! Les hémoglobinopathies, relativement faciles à explorer, peuventelles représenter un modèle pour mieux
comprendre la régulation multifactorielle d’autres
maladies dites monogéniques ? Elles sont sûrement
l’exemple de la collaboration nécessaire et de l’in-
trication permanente entre recherche fondamentale et observation clinique.
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Pour en savoir plus
La liste des variants de structure, comme celle des mutants
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