Trisomie 21 et superoxyde dismutase-1 (IPO-A)

PIERRE-MARIE SINET1, J. COUTURIER 2, B. DUTRILLAUX2, M. POISSONNIER3, ODILE RAOUL 2, MARIE-ODILE RETHORÉ2, D. ALLARD1, J. LEJEUNE 2 et H. JEROME1

Expérimental Cell Research 97 (1976) 47-55


Résumé :

Nous avons étudié l'activité enzymatique de la SOD-1, dans les globules rouges, en cas de monosomie partielle et de trisomie complète et partielle du chromosome 21. Les résultats suivants ont été obtenus :1. L'accroissement de l'activité de la SOD-1 en cas de trisomie 21 complète est confirmé. 2. En cas de monosomie 21pter ? 21q21, l'activité enzymatique est normale. 3. En cas de trisomie 21pter ? 21q21, l'activité enzymatique est également normale. 4. En cas de trisomie 21q22, et plus précisément 21q22.1, l'activité est augmentée. Par conséquent, le locus du gène de la SOD-1, déjà assigné au chromosome 21, se trouve vraisemblablement localisé dans la sousbande 21q22.1. Enfin, les études phénotypiques montrent que la trisomie de cette sous-bande est responsable d'une grande partie des signes cliniques de la trisomie pour tout le 21. Le rôle possible de l'excès d'activité SOD-1 dans la pathogénie de cette affection est discuté.

Sommaire

L'étude de certaines protéines, chez des sujets porteurs de délétion ou de trisomie partielle, a permis de présiser la localisation chromosomique de quelques gènes chez l'homme : par exemple la phosphatase acide du globule rouge (Ac P1) sur la bande 2q23 [1], la lactico déshydrogénase-B (LDH-B) sur le bras court du 12 [2, 3, 4], le facteur Hageman (facteur XII de la coagulation) sur la bande 7q35 [5]. Dans ces observations, la localisation exacte est fondée sur la relation entre la constitution génique et l'activité biologique de la protéine.

Nous avons récemment montré que la superoxyde dismutase (SOD-1) ou indophénoloxydase-A (EC 1.15.1.1.), dont le gène avait déjà été localisé par les tech-niques d'hybridation cellulaire sur le chromosome 21 [6], était significativement augmentée dans les érythrocytes des sujets trisomiques 21 [7]. L'activité enzymatique est proportionnelle au nombre de chromo-somes 21.

Afin de préciser la localisation de ce gène sur le chromosome 21, nous rappor-tons les résultats des dosages de SOD-1 érythrocytaire effectués chez des sujets atteints de trisomie ou de monosomie partielle.

Haut

Méthodes

Le dosage de la SOD érythrocytarie a été effectué selon la méthode décrite par Lavelle et al. [8] avec la modification suivante : avant la précipitation de l'hémoglobine par le mélange éthanol chloroforme, les lysats érythrocytaires sont ajustés à une valeur constante de 8 g pour cent en hémoglobine. Les résultats sont exprimés en ug SOD/g Hb. Les examens ont été réalisé chez :

- 23 sujets de phénotype normal, dont 9 enfants et 15 adultes.

- 14 trisomiques 21, dont 9 enfants et 5 adultes. (Aucun des patients n'est atteint de cardiopathie cyanogène. L'examen du caryotype a révélé, chez tous, une trisomie 21 libre et homogène.)

- 2 enfants trisomiques pour une partie du chromosome 21 (cas nos 1 et 3).

- 3 enfants monosomiques pour une partie du chromosome 21 (cas nos 4, 5 et 6).

Afin de préciser dans chaque cas la nature des remaniements, les analyses chromosomiques ont été effectuées avec les méthodes de marquage en bandes R [9], en bandes Q [10] et en bandes T [11].

Haut

Résultats

Haut

Trisomie 21

Le taux moyen de SOD érythrocytaire chez les trisomiques 21 est de 1684 ug SOD/g Hb± 178 {m ± s). Chez les sujets normaux, il est de 1075 ug SOD/g Hb ± 92 (m ± s) (fig. 1). La différence entre ces valeurs est hautement significative (t = 11, ?9; P<< 0,001). Le rapport moyen des taux de SOD trisomiques 21/sujets normaux est de 1,56, proche du rapport des dosages géniques, et il n'y a pas de chevauchement des valeurs entre ces deux échantillons. Ces résultats concordent avec ceux que nous avions précédemment observés en employant des méthodes de dosage différentes [7, 12].

Haut

Trisomie 21 partielle

Cas n° 1.

(IP n° 10321, observation non publiée). L'enfant, de sexe féminin, possède 47 chromosomes en raison de la présence d'un petit acrocentrique surnuméraire d'une taille inférieure à celle d'un chromosome 21(fig. 2a).

Chez la mère, il existe une translocation équilibrée t (15 ; 21) (q26.2 ; q21) (fig. 2b).

Ayant reçu de sa mère un chromosome 21 normal et, par malségrégation, le chromosome 21 remanié, l'enfant est trisomique pour le segment 21pter ? 21q21 ainsi que pour la sous bande 15 q 26.2.

Le phénotype de cet enfant est pratiquement normal. Il existe un très léger retard mental.

Le dosage de la SOD est normal (1014 ug/g Hb) (fig. 1).


Fig. 1. Ordonnée : SOD ug/g Hb. Résultats des mesures d'activité SOD-1 érythrocytaire chez 23 sujets normaux (Nx), 14 trisomies, 21 complètes (Tri 21) 2 trisomies 21 partielles (n° 1 et 3) et 3 monosomies 21 partielles (n°4, 5 et 6).

Cas n° 2.

(IP n° 8435, observation non publiée). Il s'agit du frère cadet du cas n°1, décédé d'une cardiopathie congénitale à six mois.

Son phénotype correspondait à celui de la trisomie 21.

L'analyse chromosomique a révélé 46 chromosomes : les 2 chromosomes 21 sont normaux, l'un des chromosomes 15 est identique au 15q+ de sa mère. Cet enfant était donc trisomique pour le seul segment 21q22.

En raison de son décès précoce, il n'a pas été possible de doser chez lui la SOD.


Fig. 2. Trisomie 21 pter ? 21q21 et 15qter (cas n° 1). (a) Chromosomes 15 et 21 de l'enfant en marquage R. La formule chromosomique est : 47,XX,+der (21) mat; (b) translocation maternelle en marquage T. La formule chromosomique est 46, XX, t (15 ; 21) (q 26.2 ; q 21).

Cas n° 3. (Observation non publiée).

L'enfant, de sexe masculin, possède 46 chromosomes. L'un des chromosomes 21 est remplacé par un grand acrocentrique.

Seul l'application de plusieurs techniques de marquage permet d'analyser ce chromosome avec précision.

- en bandes R, on voit qu'une partiede la bande 21q22 est présente en position intercalaire (fig. 3a).

- en bandes Q, on voit que la bande 21q21 est présente en deux exemplaires (fig. 3b).

- en bandes T, on voit que la partie de la bande 21q22 en position intercalaire n'est pas une bande T positive (fig. 3c). Sachant que la bande R positive se décompose en deux sous bandes positives 21q22.1 et 21q22.3 [13] et que seul 21q22.3 se marque en bande T [11], nous pouvons conclure que la partie de la bande 21 q 22 excédentaire, en position intercalaire, est la sous bande 21q22.1.

L'enfant est donc trisomique pour le segment 21q21 ? 21q22.1.

L'accident qui a permis la formation de l'élément anormal est, soit une insertion d'un segment de chromosome 21 dans un autre chromosome 21, soit une duplication partielle directe d'un segment de chromosome 21. Dans cette dernière hypothèse, la formule chromosomique serait : 46, XY, dup dir (21) (q21 ? q22.1).

Les parents possèdent un caryotype normal.

Le phénotype de l'enfant est très comparable à celui correspondant à une trisomie 21 complète, et en particulier, le retard mental et le comportement.

Le taux de SOD est de 1883 ug/g Hb, correspondant aux valeurs observées dans la trisomie 21 complète (fig. 1).


Fig. 3. Trisomie 21q21 ? 21q22.1 (cas n° 3). Chromosomes 21 : en marquage (a) R; (b) Q; (c) T. La formule chromosomique est 46, XY, dup dir (21)(q 21 ? q22.1).

Haut

Monosomie 21 partielle

Cas n° 4.

(IP n° 11261, observation non publiée). L'enfant, de sexe féminin, possède 45 chromosomes. Il manque un chromosome 21 et l'un des chromosomes 5 possède un bras court trop long (fig. 4a).

Chez la mère, il existe une translocation t (5 ; 21 (p 15.2 ; q 21) (fig. 4b, c).

Ayant reçu de sa mère le chromosome 5 remanié mais pas le chromosome 21, l'enfant est monosomique pour le segment 21pter ? 21q21, ainsi que pour la sous bande 5p15.3.

Cet enfant est débile mental. Son phènotype est peu dysmorphique.

Le taux de SOD érythrocytaire est de 1153 ug/g Hb, ce qui correspond à une valeur normale (fig. 1).


Fig. 4. Monosomie 21 pter ? 21q21 et 5pter (cas n°4). (a) Chromosomes 5 et 21 de l'enfant en marquage R. La formule chromosomique est 45, XX, -21, +der (5) mat; (6) translocation maternelle en marquage R. La formule chromosomique est 46, XX, t (5 ; 21) (p 15.2 ; q21).

Cas nos 5 et 6 [14].

Les deux germains possèdent 46 chromosomes. L'un de leurs chromosomes 21 est anormal (fig. 5d). L'utilisation de plusieurs techniques de marquage a permis de détecter chez la mère une translocation réciproque équilibrée t (15 ; 21) (q13 ; q22.1) (fig. 5a, b, c).

Ayant reçu de leur mère, le chromosome 15 normal et par malségrégation le 15 remanié, ces enfants sont trisomiques pour le segment 15pter ? 15q13 et monosomiques pour le segment 21pter ? 21q21.

Ces enfants sont très dysmorphiques et leur débilité mentale est profonde.

Le taux de SOD est dans le cas n°5 de 1124 ug/g Hb et dans le cas n°6 de 1152 ug/g Hb, ce qui correspond à des valeurs normales (fig. 1).


Fig. 5. Monosomie 21pter ? 21q21 et trisomie 15pter ? 15q13. (a-c) Translocation maternelle t (15 ; 21) (q 13 ; q 22.1). En marquage (a) R; (b) Q ; (c) T; (d) chromosomes 15 et 21 de l'un des enfants. La formule chromosomique est 46, XY, -21, +der (15) mat.

Haut

Discussion

La figure 6 résume l'ensemble de nos observations dont nous pouvons tirer deux conclusions :

- le patient trisomique 21pter ? 21q21 (cas n°1) ayant un taux de SOD érythrocytaire normal et le trisomique 21pter ? 21q22.1 (cas n°3) ayant un taux augmenté comme les trisomiques 21 complets, le locus de ce gène devrait se trouver soit à la partie tout à fait distale de la bande 21q21, soit dans la sous bande 21q22.1. Cette dernière localisation nous paraît être la plus plausible.

- La trisomie pour la seule bande 21q22.1 suffit à déterminer une grande partie de la symptomologie de la trisomie 21. Ceci confirme et précise les conclusions de Aula et al. [15] qui estiment que le syndrome morbide de la trisomie 21 est lié à la présence en excès de la bande 21q22.

Quant à nos observations de monosomies partielles, on remarquera que les trois patients étudiés sont monosomiques pour le segment 21pter ? 21q21 et que leur taux de SOD est normal. Ceci est en bon accord avec la localisation du gène de la SOD sur la sous bande 21q22.1.

De plus, l'étude des cas de monosomie 21 apparemment complète, rapportés dans la littérature, fait apparaître deux ordres de constatations :

- D'une part, lorsque des techniques de marquage en bandes R ou T sont pratiquées, il est prouvé que la bande 21q22 est transloquée sur un autre autosome [16, 17, 18]. Dans ces cas, la monosomie n'est que partielle 21pter ? 21q21, comme dans les observations que nous décrivons.

- D'autre part, dans les autres observations étudiées par les seules techniques de marquage en bandes G ou Q, les auteurs ne peuvent exclure l'existence d'une translocation de la bande 21q22 sur un autre chromosome [19, 20].

En effet, par ces techniques, la bande 21q22 peu ou pas colorée est très difficile à mettre en évidence si elle se trouve attachée à un autre chromosome.

A la lumière de ces constatations, il serait donc du plus haut intérêt de savoir si la monosomie pour la bande 21q22 est compatible avec la vie ou du moins avec une vie prolongée et s'accompagne ou non d'une insuffisance de la synthèse de SOD-1.

Cette enzyme catalyse la dismutation des radicaux superoxydes, provenant de la réduction monoélectronique de l'oxygène, selon la réaction :

2H+ +O2- +O2- ? H2O2 + O2

Le rôle catalytique de cette métallo-protéine à cuivre, décrite en 1959 sous le nom d'érythrocupréine [21], ne fut mis en évidence qu'en 1969 par McCord & Fridovich [22]. Depuis d'autres superoxydes dismutases à manganèse [23] et à fer [24] ont été découvertes.

Chez l'homme, c'est Brewer [25] qui, le premier, rapporta la présence de cette enzyme sous le nom d'indophénol oxydase (IPO), en distinguant deux protéines ayant des propriétés électrophorétiques différentes qui sont :

- la SOD-1 ou IPO-A, dimère, cytoplasmique, retrouvée dans toutes les cellules [26 , 27], et qui fait l'objet de notre étude.

- la SOD-2 ou IPO-B, tétramère, mitochondriale, retrouvée dans toutes les cellules sauf le globule rouge [26] et dont le gène est localisé sur le chromosome 6 [28].

Ce type d'enzyme, présent dans toutes les cellules aerobies, a un rôle physiologique essentiel en contrôlant la concentration des ions superoxydes au niveau cellulaire.

Ces ions, produits par de nombreux systèmes biochimiques d'oxydation, comme par exemple les enzymes flaviniques [29 , 30] ou au cours de l'autoxidation de l'oxyhémoglobine en méthémoglobine [31] sont hautement réactifs et toxiques [32-34]. Il est donc possible qu'un déficit intracellulaire important en SOD, comme ce pourrait être le cas dans les monosomies 21q22, puisse compromettre gravement la vie de l'organisme, par augmentation de la concentration en radicaux superoxydes.

Cependant, il apparaît que ces radicaux O2- peuvent être impliqués dans des processus biologiques importants : hydroxylation des noyaux aromatiques [35], participation au mécanisme réactionnel de certaines enzymes telles que la 2-3 tryptophane dioxygènase [36], la dopamine Phydroxylase [37], le cytochrome P 450 [38]. De plus, les O2-, produits en grande quantité au cours de la phagocytose ont une action bactéricide [39]. Une baisse de la concentration intracellulaire des radicaux superoxydes consécutive à l'augmentation de la concentration de SOD pourrait avoir de multiples conséquences sur le métabolisme et déterminer ainsi certains des symptômes de la trisomie 21. Des études préliminaires réalisées dans notre laboratoire indiquent que le surdosage de la SOD-1 est retrouvé dans d'autres cellules que le globule rouge.

En conclusion, les mesures d'activité SOD-1 érythrocytaire, chez des sujets affectés de monosomie ou de trisomie partielle pour le chromosome 21, conduisent à une localisation probable du gène de cette enzyme sur la bande 21q22.1. En outre, la trisomie pour cette sous bande détermine, à elle seule, la plupart des symptômes caractéristiques de la trisomie 21 complète. Cela pourrait être dû, au moins partiellement, à un dérèglement du contrôle de la concentration cellulaire des radicaux superoxydes.


Fig. 6. Représentation schématique des cas observés. (Dessus) Monosomies ; (dessous) trisomies. Les zones limitées par les flèches représentent les segments chromosomiques en un exemplaire dans les monosomies partielles et en trois exemplaires dans les trisomies partielles. Z, localisation probable du gène de la SOD-1; Ph.Nl., phénotype normal ; Ph. An., phénotype anormal; PhTRI 21, phénotype de la trisomie 21. L'activité SOD-1 est égale à 1 chez les sujets normaux et à 1,5 dans les trisomies 21 complètes.


Haut

Bibliographie

1. Ferguson-Smith. M A, Newman, B F, Ellis, P M, Thomson. D M G & Riley,I D, Nature 243 (1973) 271.

2. Mayeda, K, Weiss, L, Lindahl, R & Dully, M, Am j hum genet 26 (1974) 59.

3. Malpuech, G, Kaplan, J C, Réthoré, M O, Junien, C & Geneix, A, Lyon med 233 (1975) 275.

4. Réthoré, M O, Kaplan, J C, Junien, C, Cruveiller, S, Lafourcade, J & Lejeune, J, Ann génét 18 (1975) 81.

5. De Grouchy, J, Turleau, C, Josso, F, Gazengel, C & Nedelec, J, Humangenetik 24 (1974)197.

6. Tan, Y H, Tischfield, J & Ruddle, F H, J exp med 137 (1973) 317.

7. Sinet, P M, Allard, D, Lejeune, J & Jérome, H, Compt rend acad sci Paris 278 (1974) 3267.

8. Lavelle, F, Puget, K & Michelson, M A, Compt rend acad sci Paris 278 (1974) 2695.

9. Dutrillaux, B & Lejeune, J, Compt rend acad sci Paris 272 (1971) 2638.

10. Caspersson, T, Zech, L & Johansson, C, Exp cell res 62 (1970) 490.

11. Dutrillaux, B, Chromosoma 41 (1973) 395.

12. Sichitiu, S, Sinet, P M, Lejeune, J & Frezal, J, Humangenetik 23 (1974) 65.

13. Prieur, M, Dutrillaux, B & Lejeune, J, Ann génét 16 (1973) 39.

14. Réthoré, M O, Dutrillaux, B & Lejeune, J. Ann génét 16 (1973) 271.

15. Aula, P, Leisti, J & Von Koskull, H, Clin genet 4 (1973) 241.

16. Réthoré, M O, Dutrillaux, B, Baheux, G, Gerveaux, J & Lejeune, J, Exp cell res 70 (1972) 455.

17. Dutrillaux, B, Jonasson, J, Laurén, K, Lejeune, J, Lindsten, J, Petersen, G B & Saldana-Garcia. P, Ann génét 16 (1973) 11.

18. Holbek, S, Friedrich, U, Brostrøm, K & Petersen, G B, Humangenetik 24 (1974) 191.

19. Gripenberg, U, Elfving, J & Gripenberg, L, J med genet 9 (1973) 241.

20. Halloran, K H, Roy Breg, N & Mahoney, M J, J med genet 11(1974) 386.

21. Markowitz, H, Cartwright, G E & Wintrobe, M M, J biol chem 234 (1959) 46.

22. McCord, J M & Fridovich, I, J biol chem 244 (1969) 6049.

23. Keele Jr, B B, McCord, J M & Fridovich,I, J biol chem 245 (1970) 6176.

24. Puget, K & Michelson, M A, Biochimie 56 (1974) 1255.

25. Brewer, G J, Am j hum genet 9 (1967) 674.

26. Beckman, G, Lundgren, E & Tarnvik, A, Human hered 23 (1973) 338.

27. Salin, M L & McCord, J M . J clin invest 54 (1974) 1005.

28. Creagan, R, Tischfield, J, Ricciuti, F & Ruddle, F H, Humangenetik 20 (1973) 203.

29. Fridovich, I & Hancher, P, J biol chem 236 (1961) 1836.

30. Rotilio, G, Calabresse, L, Finazzi Agro, A & Mondovi, B, Biochim biophys acta 198 (1970) 618.

31. Misra, H P & Fridovich,I. J biol chem 247 (1972) 6960.

32. Gregory, E M & Fridovich. I, J bacteriol 114 (1973) 1193.

33. Lavelle, F, Michelson, A M & Dimitrijevic, L, Biochem biophys res commun 55 (1973) 350.

34. Michelson, A M & Buckingham, M E. Biochem biophys res commun 58 (1974) 1079.

35. Kumar, R P, Ravindranath, S D, Vaidyanathan, C S & Rao, N A, Biochem biophys res commun 49 (1972) 1422.

36. Brady, F O, Forman, J H & Feigelson, P, J biol chem 246 (1971) 7119.

37. Liu, T Z, Shen, J T & Ganong, W F, Proc soc exp biol med 146 (1974) 37.

38. Strobel, H W & Coon, M J, J biol chem 246 (1971) 7826.

39. Curnutte, J T, Whitten, D M & Babior, B M, New Eng j med 290 (1974) 593.