The genetics of red blood cell density, a biomarker of clinical severity in sickle cell disease

Abstract

L’anémie falciforme est l’une des maladies du sang les plus répandues chez l’homme. Les complications liées à la maladie sont systémiques. Influant virtuellement tous les organes du corps, cette affection provoque des crises de douleurs imprévisibles et aigües dont les complications mènent parfois à la mort. Le processus à travers lequel un globule rouge sain prend la forme d’une faucille est bien décrit dans la littérature; sous désoxygénation, l’eau et les solutés se retirent des globules rouges, la concentration d’hémoglobine S augmente et nous donne des globules rouges denses et déshydratés qui par la suite deviennent falciformes. Les traitements d’aujourd’hui sont pour la plupart expérimentaux et coûteux. De plus, leurs efficacités à long terme varient d’un patient à l’autre. Il est donc impératif de trouver un biomarqueur qui est à la fois abordable et qui améliore la santé des malades de façon systématique. La densité des globules rouges est un biomarqueur largement ignoré par la communauté médicale dans le contexte de la drépanocytose. Aborder l’étude de la sévérité de cette maladie en se concentrant sur la densité des globules rouges nous met en position d’identifier des traitements pour réhydrater les érythrocytes et leur rendre leur forme originale de disque biconcave. Plusieurs études cliniques et physiologiques se sont penchées sur ce biomarqueur sans explorer le volet génétique. Nous avons cherché à éclaircir cet aspect en menant une étude d’association pangénomique et en examinant les séquences exomiques d’individus avec des mesures de densité extrême. Notre étude d’association pangénomique n’a pas conduit à la découverte de nouveau loci, probablement parce que la taille de notre échantillon, et donc notre puissance statistique, était limitée. En revanche, à travers notre approche de priorisation, nous avons découvert un marqueur intronique qui contrôle l’expression d’ATP2B4, la protéine principale de transport de calcium dans les hématies. Notre séquençage exomique a identifié deux mutations rares faux-sens chez un même patient; l’une dans ATP1B2, un transporteur de Na+/K+, et l’autre dans SPTB, le gène du β-spectrin. Ces mutations expliqueraient pourquoi ce patient a le pourcentage de densité le plus élevé parmi tous nos patients séquencés, et pourquoi il vit avec plusieurs complications de la maladie. Finalement, nous avons localisé une mutation faux-sens rare chez deux patients avec un indice élevé de densité de globule rouge, dans PIEZO1, le canal ionique mécano-sensitif. La mutation est prédite délétère par deux algorithmes de prédiction de fonction protéique.

Sickle cell disease is one of most common blood disorder amongst human. The complications associated with the disease are systemic. They damage virtually all the organs of the body, causing severe, unpredictable pain episodes, which repercussions can eventually lead to death. The process through which a biconcave, healthy red blood cell assumes a crescent-shape is well described in the literature; under deoxygenation, as water and solutes leave erythrocytes the concentration of hemoglobin S increases thus giving us dense dehydrated cells and subsequently sickled cells. Today’s current therapies are for the most part experimental, costly, and vary widely in their long-term effectiveness from patient to patient. There is, therefore, a pressing need, to identify a biomarker that is cost-effective and provides positive health outcomes to patients. The density of red blood cell is a biological indicator largely ignored by the medical community in sickle cell disease. Exploring erythrocytes density can facilitate the development of new therapies by targeting channels to rehydrate cells back to their normal shape. Clinical and physiological characterizations of this phenotype exist in many studies, but the genetic characterization is absent. We attempted to elucidate the genetic underpinning of this phenotype, by conducting a genome-wide scan, and examining the whole-exome sequences of individuals with extreme red blood cell density. Our genome-wide association study did not highlight any new loci due to our limited statistical power reflected by the cohort’s small sample size. However, our prioritization approach highlighted an intronic variant that controls the expression of ATP2B4, the main calcium pump in erythrocytes. Our whole-exome sequencing experiment pointed out two rare missense mutations in the same patient; one in ATP1B2, a Na+/K+ transporter, and the other in SPTB, the β-spectrin gene. These variants could explain why he has the highest measured density of red blood cells amongst all of our sequenced patients, and why this person experiences several of the disease-related complications. Another rare missense mutation in two patients with elevated levels of dense cells was discovered in PIEZO1, the mechanosensitive ion channel. The mutation is predicted to be deleterious by both protein function prediction algorithms.