Glucoso 6 phosphate deshydrogenase

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Déficit en G6PD : pathologie moléculaire
Hématologie. Volume 1, Numéro 5, 385-92, Septembre - Octobre 1995, REVUES ET MINI-REVUES
Résumé
Auteur(s) : Ernest Beutler, Department of molecular and experimental medicine, The Scripps research institute, 10666
North Torrey Pines Road, La Jolla, CA 92037, États-Unis..
Résumé : Le déficit en G6PD est entré depuis peu dans l'ère de la génétique moléculaire. Les déficits ont des gravités
variables qui posent des problèmes bien différents les uns des autres. La situation précédente, si elle était suffisamment
claire sur le plan clinique, était terriblement confuse sur le plan moléculaire, malgré les recommandations de l'ICSH. Les
méthodes de génétique moléculaire permettent maintenant : – une caractérisation génétique rigoureuse qui montre
clairement sa supériorité sur la classification précédente, – l'absence de déficits absolus qui seraient à l'origine de décès
foetaux, – la restriction des mutations faux-sens dans les déficits sévères à deux domaines ; ceci, dans l'attente de la
structure cristallographique de l'enzyme (un dimère dont la constitution et la fonction dépendent de la fixation du NADP),
permet une meilleure compréhension des relations structure/fonction de cet enzyme, – la nature coopérative des couples de
mutations responsables de la forme de déficit la plus commune : la forme A-, – l'intérêt renouvelé des polymorphismes du
gène G6PD dans l'étude de la clonalité des cancers, – la possibilité d'une approche de la génétique de population, en
matière des relations entre génétique humaine et paludisme.
Mots-clés : globule rouge, anémie hémolytique, déficit en G6PD, génétique moléculaire, génétique des populations.
Illustrations
ARTICLE
Le déficit en glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PD) érythrocytaire fut identifié grâce à l'accumulation de travaux
destinés à comprendre le mécanisme de l'anémie induite par l'administration de la 8 aminoquinoléine dans le traitement du
paludisme.
Alors qu'au départ le déficit en G6PD était supposé être occasionné par une anomalie unique, il est bien vite apparu que la
sévérité du déficit enzymatique variait d'un groupe ethnique à l'autre et que les propriétés biochimiques de l'enzyme
manifestaient des différences selon le groupe ethnique où elles étaient étudiées. Depuis 1960, plus de 400 variants de
G6PD, supposés être différents sur des critères biochimiques, ont été décrits. Les clonages respectifs de l'ADNc et du gène
[1] ont permis une vision entièrement nouvelle de ce polymorphisme.
Cette revue résume ce qui a trait aux variations de la G6PD chez l'homme, et se focalise sur les progrès récents des
connaissances acquises par l'étude du gène, en ce qui concerne plus particulièrement les aspects de génétique de
population et du diagnostic des déficits. Des revues récentes, plus détaillées peuvent être consultées à propos des aspects
cliniques ou autres du déficit en G6PD
[2-4].
Le monomère de G6PD est constitué de 515 acides aminés et a une masse moléculaire calculée de 59 256 d. La forme
enzymatique active est un homodimère liant fortement du NADP.
La transformation des monomères inactifs en enzyme dimérique actif ne peut survenir en l'absence de NADP [5]. La liaison
du NADP semble être impliquée à la fois comme élément de structure et comme un des substrats de la réaction catalysée.
La G6PD catalyse la première réaction de la voie des hexoses monophosphate (VHM). Elle oxyde le glucose-6-phosphate
en 6 phosphogluconolactone, par couplage avec la réduction du NADP en NADPH, voir figure.
Le VHM est la seule source de NADP pour les globules rouges et elle fournit aussi le ribose nécessaire à la voie de
recyclage de la synthèse des nucléotides. Le rôle principal de la VHM semble être de participer à la protection des globules
rouges contre les dégradations oxydatives. La glutathion peroxydase (GSH Px) réduit les peroxydes dans les globules
rouges. Le glutathion réduit (GSH) sert de substrat de cette enzyme et, comme le NADPH est le coenzyme nécessaire à la
réduction du glutathion oxydé et des groupements thiols oxydés des protéines, c'est un substrat essentiel des séquences de
réaction qui composent le système de défense des érythrocytes contre les peroxydes.
La catalase a la propriété de se lier très fortement au NADPH [6] et sa forme inactive, le composé II, est réactivée par le
NADPH. On voit que l'activité de la VHM permet l'élimination des peroxydes non seulement par le maintien de l'activité de la
GSH Px, mais aussi en activant la catalase [6].
Le Km de la liaison G6PD-NADP est très bas, de l'ordre de 2 à 4 µM, et l'enzyme est fortement inhibée, de façon compétitive
par le NADPH.
Dans les globules rouges, c'est donc le rapport de concentration [NADPH]/[NADP] qui contrôle l'activité enzymatique G6PD
de façon automatique.
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Les mutations
La caractérisation biochimique avait abouti à la description d'au moins 451 variants, supposés distincts. Deux cent quatrevingt-dix-neuf d'entre eux avaient été analysés selon les méthodes recommandées par un groupe d'experts OMS [7] et
avaient été considérés, au moins par les responsables de leur description, comme différents des autres variants décrits
dans les publications.
En partant de la constatation que la plupart des mutants avaient des propriétés électrophorétiques et/ou cinétiques
anormales, la prédiction pouvait être faite que les mutations géniques seraient observées dans les séquences codantes. Ce
fut en effet le cas.
Répartition et nature des mutations
Au moment d'écrire cette revue, 65 mutations, seules ou combinées, de la G6PD ont été caractérisées (tableau). Toutes,
sauf une, sont associées à un déficit enzymatique. La variété des mutations observées est moins grande que ce qui a pu
être décrit pour d'autres gènes.
Il semble qu'un déficit complet en G6PD est létal. C'est pourquoi la plupart des mutations sont ponctuelles et entraînent une
substitution.
Les délétions, dont trois sont connues, sont des multiples de trois nucléotides, ce qui ne produit pas de décalage de lecture.
Une mutation d'épissage et une mutation produisant un codon d'arrêt sont connues ; la dernière à l'état hétérozygote chez
une femme.
La distribution des mutations dans la séquence de l'ADNc ne se fait pas au hasard. Les mutations ponctuelles qui
aboutissent à la synthèse de variants de classe I, ceux qui ont pour phénotype une anémie hémolytique chronique non
sphérocytaire, sont retrouvées dans deux zones codantes, l'une est située dans la séquence codant pour le domaine putatif
de liaison du NADP et l'autre dans celle de liaison du glucose-6-phosphate.
Les séquences 163 à 257 et 363 à 447 de la protéine sont impliquées dans respectivement 8 et 18 des 29 mutations
ponctuelles qui sont associées à la production d'un variant de classe I (tableau).
Ce qui fait que 87 % de ces mutations sont présentes dans deux domaines qui ne représentent que 28 % du monomère
polypeptidique.
Il est bien peu probable que la concentration des mutations dans ces deux zones qui occasionnent une hémolyse chronique
soit due à une coïncidence. Le site de liaison du glucose-6-phosphate a été localisé à la lysine 205 qui interagit de façon
compétitive avec le pyridoxal phosphate et le glucose-6-phosphate [8].
L'examen des variants qui ont une très faible affinité pour le NADP suggère que les lysine 386 et arginine 387 pourraient
être le site de liaison pour un groupement phosphate du NADP [9]. Les mutants de classe I sont concentrés autour de ces
deux sites.
Fréquence des mutations dans diverses populations
La fréquence du déficit en G6PD varie largement d'une population à l'autre. Chez les Noirs américains, la fréquence
génique en question est de 0,10 à 0,11 [10].
Chez les juifs d'origine kurde [11], le déficit dit méditerranéen (563 T) atteint une fréquence de 0,70, ce qui occasionne
vraisemblablement l'incidence la plus élevée qui puisse être observée dans toutes les populations.
En Grèce, par dépistage néonatal chez près de 1 200 000 individus, une fréquence génique de 0,045 a été observée [12].
Des fréquences élevées ont été également rapportées en Orient [13].
La capacité croissante à transposer les données précédentes en terme de mutations du gène G6PD a permis de mieux
mesurer la complexité de certaines situations et d'en simplifier d'autres.
La forme G6PD A qui était supposée être une mutation singulière, homogène, est en fait le résultat cumulé de plusieurs
+
mutations ponctuelles survenues sur un gène G6PD A (376 G). Dans la plupart des cas la seconde mutation est 202 A
mais peut être aussi 968 C et 680 T (tableau). La mutation 202 A, créée par mutagenèse dirigée, ne peut à elle seule altérer
le phénotype ; pour cela elle requiert la présence de la mutation 376 G, elle-même neutre lorsqu'elle est isolée [14]. Il est
donc possible que les mutations nt 202, 680 et 968, n'auraient procuré aucun avantage sélectif vis-à-vis du paludisme si
elles n'étaient apparues sur un gène G6PD avec la mutation 376 G. Il existe cependant deux mutations, 542 T et 1159 T, qui
induisent un phénotype déficitaire en présence et en l'absence de la mutation 376 G.
Certaines mutations ont une dispersion géographique large. Par exemple, les G6PD A 202 A/376 G Méditerranéenne 563 T
et Union 1360 T. Il faut alors se poser la question de savoir si elles représentent la survenue de mutations récurrentes à un
site hypermutable du gène, ou s'il s'agit d'un événement mutationnel unique et dont la dispersion témoigne des mouvements
de population. L'outil qui permet de résoudre cette question est l'existence de combinatoires de polymorphismes
(haplotypes) sans traduction clinique.
+
La G6PD A est le prototype de ces polymorphismes, découvert depuis longtemps. On sait maintenant que cette mutation
est A * G nt 376 de l'ADNc et est responsable de la mobilité électrophorétique accrue de l'enzyme. D'autres mutations
silencieuses, car ne modifiant pas la séquence protéique, sont indiquées dans des revues [15, 16]. Ces polymorphismes ont
permis de montrer que la G6PD A 202 A/376 G est probablement issue d'une origine unique, mais à l'opposé, que la G6PD
Méditerranéenne 563 T, par exemple, est apparue de façon multiple et récurrente.
On peut utiliser ces polymorphismes silencieux pour étudier l'origine de groupes de cellules dans les domaines de
l'embryologie ou en oncologie [17]. Comme le polymorphisme très commun nt 1311 est en région codante, il s'est révélé
particulièrement utile à l'étude du lignage tumoral : en effet, l'isolement puis la quantification relative des allèles après RT
PCR des ARN cellulaires de sujets hétérozygotes est un outil précieux dans ce domaine [18].
Le déficit en G6PD en tant que polymorphisme équilibré
L'incidence élevée du déficit en G6PD dans certaines populations suggère que ce déficit érythrocytaire confère un avantage
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sélectif en faveur des individus qui en sont porteurs. Il semble probable que cet avantage s'exerce comme une résistance
accrue aux infestations à Plasmodium falciparum. Les arguments positifs pour cette hypothèse sont explicités dans une
revue récente [19].
Diagnostic
La détection du déficit Mesure de l'activité G6PD érythrocytaire
La méthode de mesure de l'activité G6PD, relativement simple, consiste à quantifier la réduction du NADP en NADPH en
présence de glucose-6-phosphate et de l'hémolysat. Au cours de la réaction, comme dans la cellule, le produit de la
réaction, le 6 phosphogluconolactone, est converti en 6 phosphogluconate qui sert alors de substrat à la réaction catalysée
par la 6 PGD.
En conséquence, deux moles de NADPH sont formées par une mole de glucose-6-phosphate consommée par la réaction et
on voit que cette procédure analytique mesure en bloc les activités G6PD et 6PGD.
Bien que la mesure de l'activité G6PD isolée sans interférence avec un éventuel déficit en 6PGD soit mise au point depuis
des années [20], cette approche n'a qu'un intérêt supplémentaire minime dans la détection du déficit en G6PD, dans la
mesure où l'activité 6PGD n'est que rarement limitante, particulièrement chez les déficients en G6PD.
Chez les sujets masculins hémizygotes, même au cours d'une poussée hémolytique, comme on peut en rencontrer dans les
enquêtes de populations, les méthodes de dépistage semi-quantitative ou qualitative sont parfaitement adaptées. Les tests
basés sur la réduction de colorants telle que la décoloration du bleu de Crésyl brillant ont été utilisés de façon extensive.
Mais ces techniques anciennes ont été quasi totalement remplacées par une étude de la fluorescence d'une tache de sang
dans laquelle la génération de NADPH est détectée visuellement sous illumination UV [21].
La détection du déficit en G6PD chez les patients au cours d'une hémolyse aiguë
Si le diagnostic du déficit chez les sujets masculins en période intercritique peut être fait sans difficulté particulière, on ne
peut écrire la même chose pour les patients examinés en pleine phase hémolytique et atteints d'une forme de déficit modéré
(classe 3). En effet l'hémolyse porte sélectivement sur les hématies les plus âgées ; c'est ce qui se produit chez les patients
qui ont un déficit du type A , et ceci sélectionne les hématies plus jeunes ayant une activité proche de la normale ; ainsi
l'activité peut-elle être voisine de la normale chez les patients concernés.
Plusieurs approches différentes de ce problème peuvent être envisagées pour aboutir au diagnostic, malgré l'hémolyse.
La plus simple consiste à se contenter d'attendre 1 à 2 semaines, ou d'entreprendre l'étude familiale. On peut aussi
appauvrir l'échantillon en réticulocytes après centrifugation. Les hématies les plus denses, bien que n'étant pas forcément
les plus âgées comme cela a pu être cru, sont ainsi efficacement séparées des globules rouges très jeunes. Effectivement,
des observations ont montré que même durant l'hémolyse la fraction dense des hématies a une activité G6PD déficiente
[22].
Alternativement, on peut comparer l'activité G6PD à celle d'une autre enzyme érythrocytaire sensible à l'âge cellulaire
comme l'hexokinase ou l'ASAT. De cette façon on a pu, par exemple, détecter les déficits A chez les patients
drépanocytaires qui ont une population érythrocytaire dont l'âge moyen est très diminué.
La détection des hétérozygotes
La détection des hétérozygotes pour le déficit en G6PD pose des problèmes particuliers. L'inactivation du X fait que les
hétérozygotes ont une double population érythrocytaire [23]. L'une des deux est faite de globules normaux, alors que l'autre
est déficiente, autant que celle des sujets masculins hémizygotes pour le même type de déficit. Le plus souvent les
populations des hématies normales et déficientes sont proches de 50 %. Mais chez certaines femmes hétérozygotes la
plupart des hématies sont déficientes ou au contraire normales.
La mesure de l'activité rapportée par gramme d'hémoglobine donne un résultat qui reflète l'importance relative des
populations d'hématies saines et déficientes chez le sujet étudié ; ce qui fait que pour certaines femmes hétérozygotes le
résultat de la mesure d'activité serait normal et pour d'autres déficitaire. On voit que la mesure de l'activité enzymatique
érythrocytaire ne permet pas une détection fiable de tous les hétérozygotes.
Une autre procédure, plus adaptée, consiste à déterminer l'activité enzymatique cellule par cellule comme cela est décrit
dans la référence [24]. La sensibilité de cette méthode, qui permet d'identifier les hétérozygotes ayant seulement 5 à 10 %
d'hématies normales ou pathologiques, n'est cependant pas assez bonne pour détecter ceux des hétérozygotes ayant
encore moins de cellules, voire aucune, soit normales soit déficientes, en circulation.
Caractérisation de l'hétérozygotie par l'étude de l'ADN
La méthode la plus performante pour le diagnostic du déficit en G6PD chez les patients vus en période hémolytique ou
après transfusion et chez les hétérozygotes consiste à détecter la mutation au niveau de l'ADN génomique, habituellement
extrait des leucocytes circulants. Malgré les différences de méthylation qui accompagnent l'inactivation du chromosome X et
contribuent à réduire la transcription du gène inactivé, la détection de la différence de séquence nucléotidique reste possible
à condition de connaître la nature de la mutation recherchée.
Identification des variants de G6PD
En 1967, le comité des experts OMS formula la standardisation des méthodes de purification et de caractérisation
biochimique des variants de G6PD [7], si bien que beaucoup d'investigateurs se lancèrent dans ce travail d'étude de
différents variants. Au moment d'écrire cette revue, 451 variants réputés différents étaient portés à ma connaissance, alors
que la notion de limitation des procédures biochimiques standard dans leurs capacités à bien différencier les variants était
établie depuis longtemps ; en particulier les G6PD Cornell et Chicago avaient été montrées comme affectant deux membres
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d'une même grande famille [25].
Le développement des analyses fondées sur la PCR pour la détection de mutations connues de la G6PD a rendu possible
et relativement aisé le diagnostic de déficit et celui de la mutation spécifique en cause. Des avantages secondaires de ces
méthodes sont que l'échantillon d'ADN est plus stable que ne l'est la protéine enzymatique dans le sang, et que de plus
petits volumes peuvent être suffisants pour l'analyse. On peut étudier les sites de restriction naturels [26] ou ceux créés par
la technique utilisant des oligonucléotides modifiés [27, 28] mais aussi l'hybridation par des oligonucléotides spécifiques
d'allèle [29]. Ces méthodes conviennent tout à fait à des applications telles que les enquêtes de population ou le traitement
des prélèvements minimes de diagnostic prénatal [30]. La faiblesse de l'approche biochimique pour la caractérisation des
déficits n'en est devenue que plus évidente.
Le tableau montre bien que de nombreux variants supposés distincts sur les bases de la biochimie se sont révélés
identiques génétiquement.
Développements futurs
Depuis bientôt quarante ans que le déficit en G6PD a été identifié comme la cause de la réaction à la primaquine, des
milliers d'articles portant sur les conséquences cliniques, la génétique de populations, les caractéristiques biochimiques et la
génétique moléculaire ont été publiés. Quelles questions en rapport avec la pathologie moléculaire du déficit en G6PD
doit-on encore résoudre ? Le raffinement de notre compréhension des relations entre la structure et la fonction de l'enzyme
viendra de la confrontation de l'identification des multiples mutations naturelles et de leurs conséquences biochimiques.
Pour aboutir dans ce domaine, il faudra obtenir la structure tridimensionnelle de l'enzyme ; plusieurs laboratoires se sont
engagés dans ce projet.
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