Séquence 7: Génétique humaine (Serie D seulement)

Différence structurale entre l'HbS et l'HbA

Comme il a été précisé précédemment, l'hémoglobine est une supra-molécule composée de quatre hèmes portés par une protéine. La formule d'une protéine, c'est à dire la séquence d'acides aminés dont elle est composée, est fixée par une séquence ADN précise de l'organisme auquel elle appartient. La moindre mutation, entraînant un faible écart dans la composition de cette protéine, peut provoquer, par l'intermédiaire de nouvelles interactions ou d'une structure tertiaire différente de la protéine, des pathologies plus ou moins visibles dans l'organisme. C'est le cas de l'hémoglobine, qui est la protéine de structure connue qui présente le plus de variantes naturelles parfaitement caractérisées. En effet, les biologistes ont déjà recensé plus de 500 variétés d'hémoglobine, dont 95% résultent de la substitution d'un seul acide aminé. L'HbS est un de ces mutants. Elle est issue de la substitution d'un glutamate (Glu) par une valine (Val) et est à la cause de l'anémie falciforme

Etant donné la structure 3D complexe d'une protéine, deux cas doivent être considérés lors de l'étude de la substitution d'un acide aminé :

       Le changement a lieu à l'intérieur de la molécule : la seule conséquence est alors très souvent une déstabilisation de cette chaîne.

       Le changement a lieu à la surface de la molécule : de nombreux acides aminés étant similaires ou n'offrant pas d'interactions fortes, cela n'a généralement pas de conséquences notables. Par contre, dans des cas assez rares, si le nouvel acide aminé offre un site pouvant présenter un rôle fonctionnel, les interactions entre molécules de l'environnement sont changées, ainsi que leur comportement. L'hémoglobine HbS fait partie de cette exception. Le remplacement de l'acide glutamique par la valine induit la formation de polymères de HbS, qui se regroupent en fibres. Ce sont ces fibres qui provoquent la déformation des hématies.

 

 

Structure du polymère

Formation de fibres de HbS

Les fibres de polymères de HbS ont été observées par micrographie électronique. Celles-ci ont une structure bien particulière en forme de bâtonnets :

Les fibres sont formées de double-brins de HbS en interactions(une couleur représente un polymère dans le schéma précédent). Cela s'observe bien sur une "coupe" :

Les interactions entre deux polymères de HbS sont faibles mais ici, elles sont rendues importantes par leur grand nombre. Ce sont les interactions internes aux double-brins qui sont réellement intéressantes et qui traduisent l'importance de la présence de la valine hydrophobe à la surface de la protéine.

Formation d'un polymère de HbS

L'HbS résulte donc de la substitution en surface d'un glutamate, très hydrophile, par une valine, nettement plus hydrophobe :

Dans l'environnement aqueux de l'organisme l'HbS aura tendance à minimiser les interactions avec le milieu. Ainsi, des contacts intermoléculaires entre molécules HbS mettant en jeu les valines de surface, tendront à stabiliser ces molécules hydrophobes en milieu aqueux. En effet, sur la déoxyHbS, il existe un site complémentaire de la chaîne organique propre à la valine :

De plus, les positions relatives de ces deux sites complémentaires sur une même protéine permettent aisément la formation de dimère de déoxyHbS. La structure de ces dimères a été analysé par cristallographie. La localisation de ces interactions stabilisantes entraîne même la polymérisation des déoxyHbS sous forme de double-brins. L'analyse par spectroscopie UV- Raman a récemment complété les résultats obtenus par cristallographie dans ce domaine. Les schémas suivants montrent comment cette polymérisation a lieu.

L'observation a été faite que l'hémoglobine déoxyHbA (possédant bien un glutamate et non une valine) ne se polymérisait pas, même à très haute concentration. Cela met bien en évidence l'importance de la présence l'acide aminé hydrophobe à cet endroit précis de la surface de la protéine.

Le site complémentaire de la chaîne alkyl de la valine disparaît dans la forme oxyHbS. C'est un phénomène secondaire lié à la régulation par allostérie de l'Hb.

 

 

Mécanisme de polymérisation [SOK] [YOH]

Des études cinétiques ont été menées sur cette réaction de polymérisation, afin de connaître son mécanisme et afin d'en déduire des solutions éventuelles pour l'éviter. Il se révèle que c'est un processus inhabituel et très complexe. En effet, que ce soit en solution ou à l'intérieur des globules rouges, cette polymérisation de HbS est provoquée par trois conditions :

       Une basse pression en dioxygène favorise une prédominance de déoxyHbS, la seule forme de HbS présentant le site complémentaire à la chaîne hydrophobe de la valine, et donc favorise le phénomène de polymérisation.

       Une forte concentration en HbS favorise bien évidemment les contacts entre molécules ainsi que leurs interactions.

       Une température élevée, témoignant d'une forte agitation thermique, favorisera également la polymérisation.

Mais, en plus de ces conditions, il existe un délai de polymérisation. C'est le temps au bout duquel la polymérisation commencera et donc pendant lequel on ne peut détecter de polymère de HbS. Ce temps, noté t_d, dépend par contre des trois conditions énumérées précédemment selon la formule empirique suivante :

où c_t est la concentration totale en HbS avant précipitation, c_s la solubilité de HbS mesurée une fois la précipitation achevée et où k et n sont des constantes. Expérimentalement, k vaut environ 10^-7 et n varie entre 30 et 50, ce qui fait que ce processus de polymérisation est un de ceux qui dépendent le plus de la concentration en HbS. Les thérapies contre l'anémie falciforme s'appuient notamment sur cette caractéristique.

Le processus général de polymérisation de HbS consiste en deux mécanismes:

       La germination homogène : si la concentration en HbS est suffisamment élevée, les molécules s'agrègent petit à petit pour former enfin un germe composé de m molécules :

Ces agrégats ne sont vraiment stables que lorsque le germe s'est enfin formé. Ce germe croît ensuite pour former une fibre de polymère de HbS.

       La germination hétérogène : Dès qu'une fibre est formée, elle peut faciliter la germination d'autre molécules de HbS, jusqu'à la formation d'une autre fibre. Ce processus de polymérisation est donc autocatalytique.

Ainsi, les conditions de début de polymérisation sont assez dures mais, une fois lancé, ce processus est extrêmement rapide.

Cet aspect de la cinétique de cette réaction peut expliquer pourquoi l'anémie falciforme se caractérise par des crises épisodiques, causées par des troubles de la circulation sanguine, dus aux blocages de certains vaisseaux sanguins par les amas de fibres de HbS. Cependant, ces fibres se dissolvent automatiquement par oxygénation, ce qui explique leur absence dans les artères. De plus, une légère augmentation de la concentration c_t ou une légère baisse de la solubilité c_s (qui peuvent être dues à une déshydratation, à un manque d'oxygène ou à la fièvre) peuvent aboutir à une baisse significative du temps de précipitation t_d et ainsi causer une crise d'anémie, qui ne fait qu'empirer la situation en réduisant le débit sanguin de même que le taux d'oxygène du sang.

Mais les hypothèses de précipitations de HbS permettent surtout d'envisager des traitements adaptés pour l'anémie falciforme. En effet, les hétérozygotes, possédant en moyenne seulement 40% de HbS et 60% de HbA, ne présentent aucun symptôme de cette maladie parce que, dans leur cas, t_d est près de 10⁶ fois plus important. Les méthodes de traitement de l'anémie falciforme (qui ne font cependant qu'éviter les crises) s'appuient donc entre autre sur la baisse significative de t_d.