Erythropoïèse et globule rouge

I) Généralités

Ce chapitre vise à explorer le processus de fabrication (l'érythropoïèse) et les caractéristiques des globules rouges (érythrocytes).

A) Le globule rouge

Le globule rouge, également appelé érythrocyte ou hématie, est la cellule la plus abondante du sang circulant. Sa production est donc massive et continue.

• Chaque jour, 1/120^ème des globules rouges est renouvelé, soit environ cellules/jour, par le tissu hématopoïétique.

• Le nombre total de globules rouges chez un adulte est de .

• La durée de vie moyenne d'un globule rouge est de 120 jours.

Le globule rouge mature est une cellule anucleée (sans noyau), ce qui signifie qu'il ne peut pas se multiplier. Cependant, il contient des enzymes lui permettant de métaboliser et de survivre pendant 120 jours. Après cette période, ses ressources énergétiques s'épuisent, entraînant sa destruction, un processus appelé hémolyse. L'hémolyse physiologique survient après 120 jours, mais une hémolyse pathologique peut se produire plus tôt. La destruction des globules rouges a lieu principalement dans la rate et le foie.

Le globule rouge présente une forme biconcave, plus aplatie en son centre. Cette particularité morphologique lui confère une grande déformabilité, essentielle pour lui permettre de se plier en deux et de traverser les capillaires les plus étroits afin d'assurer l'échange gazeux (transport de l'oxygène et récupération du dioxyde de carbone). Cette capacité de torsion et de pliage est due à la présence de protéines spécifiques dans la structure de son squelette.

La structure du globule rouge est relativement simple, elle se compose de :

• Une membrane érythrocytaire.

• Des enzymes.

• De l'hémoglobine (20 à 40 millions de molécules par globule rouge).

Chez l'adulte, l'hémoglobine A est prédominante, accompagnée d'une faible quantité d'hémoglobine A2.

Le rôle principal du globule rouge est le transport de l'oxygène vers les tissus et l'élimination du des tissus vers les poumons, processus qui se déroule au niveau des échanges membranaires.

B) Les données de la NFS

Le numération formule sanguine (NFS) est un examen biologique courant fournissant des informations sur les lignées sanguines, y compris les paramètres érythrocytaires.

• Hémoglobine (Hb) : Le taux d'hémoglobine est le paramètre le plus fiable pour évaluer la quantité de globules rouges fonctionnels. Un taux faible indique une anémie, tandis qu'un taux élevé suggère une polyglobulie. Il existe de légères variations entre les hommes et les femmes. L'hémoglobine dont on parle est celle contenue dans les globules rouges, et non l'hémoglobine libre dans le plasma (toxique pour les reins).

• Hématocrite (Ht) : Il représente le volume total occupé par l'ensemble des cellules sanguines, principalement les globules rouges (environ 40% du volume sanguin).

• Volume Globulaire Moyen (VGM) : Mesure le volume moyen des globules rouges. Ce paramètre est crucial pour caractériser les anémies :

  • Microcytose: VGM < 80 fL (globules rouges trop petits).

  • Normocytose: VGM 80-100 fL (globules rouges de taille normale).

  • Macrocytose: VGM > 100 fL (globules rouges trop gros).

• Concentration Corpusculaire Moyenne en Hémoglobine (CCMH) : Indique la concentration moyenne d'hémoglobine dans un globule rouge. Un globule rouge ne peut pas contenir un excès pathologique d'hémoglobine.

  • Hypochromie: CCMH < 32 g/dL (globules rouges pâles, souvent associés à une taille réduite).

  • Normochromie: CCMH 32-36 g/dL.

• Réticulocytes : Ce

sont des globules rouges jeunes, nouvellement libérés de la moelle osseuse (datant de moins de 24-48 heures). Ils contiennent des restes nucléaires qui peuvent être visualisés par coloration spécifique. Le taux de réticulocytes est un excellent indicateur de l'activité de production de globules rouges par la moelle osseuse. Il est exprimé en valeur absolue plutôt qu'en pourcentage.

• Taux normal : 80 000 – 100 000/mm³.

• Anémie régénérative (origine périphérique) : Taux de réticulocytes > 120 G/L (la moelle osseuse répond correctement à l'anémie en produisant plus de GR).

• Anémie arégénérative (origine centrale) : Taux de réticulocytes < 120 G/L (la moelle osseuse ne produit pas suffisamment de GR).

Pour analyser les réticulocytes, une demande spécifique doit être faite au laboratoire d'hématologie.

II) La membrane des globules rouges

La membrane du globule rouge est une double couche lipidique qui renferme des récepteurs et des molécules essentielles à sa fonction. Elle intègre également des protéines transmembranaires et est associée à un cytosquelette sous-membranaire qui permet la déformation caractéristique du globule rouge.

A) Composition lipidique et déformabilité

La déformabilité du globule rouge est intrinsèquement liée à la composition lipidique de sa membrane:

• Cholestérol: 43 %

• Phospholipides: 54 %

• Glycolipides: 3 %

La double couche lipidique est asymétrique: le feuillet externe est riche en choline-phospholipides, tandis que le feuillet interne contient des amino-phospholipides, notamment la phosphatidylsérine. Cette asymétrie influence directement la fonction des surfaces interne et externe de la membrane.

B) Protéines membranaires

Les protéines membranaires sont ancrées dans la double couche lipidique. Parmi elles, la glycophorine et la bande 3 représentent environ 25 % des protéines membranaires. Elles assurent trois fonctions principales :

1. Portage des groupes sanguins.

2. Fonction de canaux ioniques, régulant les flux d'ions pour maintenir la survie du globule rouge.

3. Contribution à la configuration du squelette membranaire, permettant au globule rouge de se déformer.

Étant donné que le globule rouge n'a pas de noyau, il n'y a pas de synthèse d'ARN ni de renouvellement protéique.

C) Protéines extra-membranaires et cytosquelette

Le cytosquelette sous-membranaire est composé de protéines extra-membranaires cruciales:

• Spectrine ( et ).

• Actine.

• Ankyrine.

• Protéine 4.1.

Ces protéines sont responsables de la forme biconcave du globule rouge et de sa capacité de déformation.

D) Pathologies

Des mutations génétiques affectant ces protéines membranaires peuvent entraîner des anémies chroniques hémolytiques corpusculaires, caractérisées par une altération de la déformabilité des globules rouges.

E) Organisation de la spectrine

La spectrine est une protéine constituée de deux chaînes, une chaîne alpha et une chaîne bêta. Ces chaînes s'associent entre elles, souvent avec des filaments d'actine liés à la protéine 4.1, pour former un réseau fibreux sous la membrane érythrocytaire. L'ankyrine est une protéine clé qui fixe la spectrine à la membrane, assurant ainsi l'élasticité nécessaire au globule rouge.

III) L'hémoglobine

Chaque hématie contient environ 20 millions de molécules d'hémoglobine, une glycoprotéine essentielle. L'hémoglobine est capable de fixer et de libérer l'oxygène en fonction des conditions physico-chimiques. Elle fixe également le (carboxyhémoglobine), contribuant à son élimination, car le est toxique.

L'hémoglobine est composée de deux parties : l'hème et la globine.

• L'hème est une molécule qui incorpore un atome de fer.

• La globine est une protéine dont la synthèse est régulée par des gènes spécifiques.

L'hémoglobine existe sous deux conformations principales :

• Forme R (oxyhémoglobine): haute

affinité pour l'oxygène. L'atome de fer est situé dans le plan de l'hème, permettant la fixation de l'oxygène.

• Forme T (désoxyhémoglobine): faible affinité pour l'oxygène. L'atome de fer est hors du plan de l'hème, facilitant la libération de l'oxygène.

A) Structure de l'hémoglobine

L'hémoglobine est une protéine tétramérique, composée de deux chaînes alpha et deux chaînes bêta. Elle possède une structure tridimensionnelle complexe, dont la découverte par cristallographie a valu le prix Nobel de chimie à Max Perutz.

La fonction de l'hémoglobine est liée à la présence d'une poche interne où se fixe l'oxygène. Des interactions importantes existent entre les acides aminés des chaînes alpha et bêta. Des mutations dans ces régions peuvent entraîner des hémoglobinopathies (anomalies héréditaires de l'hémoglobine), comme la drépanocytose ou les thalassémies, qui altèrent la fonction de l'hémoglobine. Ces mutations peuvent affecter les points de contact entre les chaînes ( ou ) ou la cavité centrale.

La cavité centrale est le site de fixation du 2,3-DPG (2,3-diphosphoglycérate), une molécule essentielle pour la régulation de l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène.

La capacité de transport de l'oxygène de l'hémoglobine varie selon les étapes du développement (embryon, fœtus, nouveau-né, adulte) en raison de l'expression différentielle des gènes de globine. Chez l'embryon et le fœtus, l'échange d'oxygène s'effectue via le placenta. L'hémoglobine fœtale (HbF) a une affinité plus élevée pour l'oxygène que l'hémoglobine adulte (HbA), ce qui est crucial pour le transfert d'oxygène du sang maternel au fœtus.

B) Formules moléculaires des hémoglobines humaines

La composition de l'hémoglobine varie en fonction des stades de développement :

• Chez l'adulte :

  • Hémoglobine A (HbA) : (97% de l'hémoglobine totale).

  • Hémoglobine A2 (HbA2) : (2 à 3%).

• Chez le nouveau-né :

  • Hémoglobine F (HbF) : (majoritaire, hémoglobine fœtale).

  • Hémoglobine A : 15 à 30 %.

• Chez l'embryon : On trouve trois types d'hémoglobines embryonnaires :

  • Hémoglobine Gower 1 : .

  • Hémoglobine Gower 2 : .

  • Hémoglobine Portland : .

Deux familles de chaînes de globine existent :

• Famille des chaînes alpha : comprend les sous-types alpha () et zêta ().

• Famille des chaînes bêta : comprend les sous-types bêta (), epsilon (), et gamma ().

C) Évolution ontogénique de la synthèse des diverses chaînes de globine

La synthèse des chaînes de globine subit des "switches" (commutations) au cours du développement :

• Les chaînes embryonnaires (zêta, epsilon) sont produites au début de la gestation.

• Un premier switch conduit à la production des chaînes alpha, qui deviennent majoritaires dès 12 semaines de gestation et se maintiennent tout au long de la vie.

• Pour la famille des chaînes bêta, il y a deux switchs entre les stades embryon-fœtus-adulte :

  • Initialement, les chaînes gamma sont produites durant la période fœtale (formant l'HbF, ).

  • À la naissance, un second switch progressive s'opère : la production des chaînes gamma diminue au profit de la production des chaînes bêta, qui deviennent majoritaires chez l'adulte (formant l'HbA, ).

L'intérêt de ces commutations est d'adapter l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène aux besoins physiologiques spécifiques de chaque stade de vie.

D) Organisation des gènes de globine sur les chromosomes 11 et 16

• Chromosome 16 : Contient les gènes de la famille des chaînes alpha ( et ). Deux gènes alpha ( et ) sont hérités de chaque parent, soit quatre gènes fonctionnels au total.

• Chromosome

11 : Contient les gènes de la famille des chaînes bêta (, , , ). L'organisation des gènes suit l'ordre chronologique de leur expression : gènes embryonnaires (epsilon), puis fœtaux (gamma), et enfin adultes (delta et bêta). La petite quantité d'ARNm dérivée du gène delta explique la présence d'HbA2 chez l'adulte.

E) Structure du génome et contrôle de l'expression des gènes de la globine

Le contrôle de l'expression des gènes de globine est strict et assure :

• Une expression tissu-spécifique (uniquement dans le tissu érythroïde).

• Une expression variable au cours du développement, respectant l'ordre topographique des gènes (les gènes exprimés précocement sont situés en 5').

• Deux commutations successives pour la famille bêta (embryon/fœtus ; fœtus/adulte) et une seule pour la famille alpha (embryon-fœtus/adulte).

Une coordination de la synthèse entre les chaînes alpha et bêta est primordiale pour maintenir un équilibre. Un déséquilibre, comme dans les syndromes thalassémiques, peut entraîner de graves pathologies.

F) Fonction de l'hémoglobine

La fonction majeure de l'hémoglobine est de fixer l'oxygène, de le délivrer aux tissus, puis de récupérer le et les protons.

L'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène est caractérisée par la P₅₀, qui représente la pression partielle d'oxygène nécessaire pour saturer à 50% l'hémoglobine. Cette affinité varie en fonction de l'environnement :

• Dans les poumons, l'hémoglobine adopte la forme R (oxyhémoglobine), favorisant la fixation de l'oxygène et la libération du .

• Dans les tissus, la présence d'ions H⁺ (pH acide) favorise la forme T (désoxyhémoglobine), entraînant une torsion de l'hémoglobine, ce qui permet la libération de l'oxygène et la fixation du .

Ces phénomènes sont décrits par les effets Bohr et Haldane.

IV) Métabolisme du fer

Le fer est un composant essentiel de l'hème de l'hémoglobine, de la myoglobine et de nombreuses enzymes. La carence martiale (manque de fer) est la première cause d'anémie mondiale.

Le fer est lié à une porphyrine au sein de l'hème. Après absorption, il est transporté par la transferrine et stocké dans le foie sous forme de ferritine (mobilisation rapide) et d'hémosidérine (mobilisation lente).

A) Absorption digestive du fer

L'apport alimentaire en fer est d'environ 10 à 15 mg/jour pour un adulte. Cependant, seulement 10 à 20% de ce fer est absorbé (1 à 3 mg/jour), le reste étant éliminé par les selles. L'absorption intestinale du fer se fait principalement sous forme de Fe²⁺ (fer ferreux) au niveau du duodénum.

Plusieurs facteurs régulent l'absorption du fer :

• Le type d'aliment : le fer héminique (présent dans la viande rouge) est mieux absorbé que le fer non héminique (présent dans les légumes, céréales).

• La dose administrée.

• L'

action des sucs gastriques (un pH acide est favorable à l'absorption).

• Le besoin physiologique en fer : l'absorption augmente en cas de carence et diminue en cas de surcharge.

B) Transport

Une fois absorbé, le fer est transporté dans le sang par la transferrine, une protéine qui migre avec les -globulines à l'électrophorèse. La transferrine est caractérisée par :

• Une capacité de transport limitée (environ 2 molécules de fer par molécule de transferrine).

• Un taux de saturation normal d'environ 30%. Une saturation inférieure à 30% est indicative d'une carence en fer.

• Son rôle crucial dans l'apport du fer à la moelle osseuse pour l'érythropoïèse.

• Le recyclage du fer des globules rouges sénescents via le système réticulo-endothélial (SRE).

• La régulation de l'absorption du fer.

C) Stockage

• Ferritine : C'est la principale protéine de stockage du fer, rapidement mobilisable (15 à 30% du fer total de réserve). La ferritinémie (taux de ferritine plasmatique) est un indicateur fidèle et précoce des réserves en fer de l'organisme.

  • Une hypoferritinémie est le signe le plus précoce d'une carence martiale.

  • Une hyperferritinémie peut être observée en cas de syndrome inflammatoire.

  • Valeurs normales : homme 30-350 ng/mL ; femme 30-120 ng/mL.

  • Chaque molécule de ferritine peut stocker 4 000 à 5 000 atomes de fer.

• Hémosidérine : Protéine de stockage insoluble, présente principalement dans les macrophages. Elle représente une réserve de fer à mobilisation lente, et n'est pas mesurable dans le sang circulant.

D) Utilisation par l'érythroblaste

Les érythroblastes (précurseurs érythroïdes) captent le fer sous forme de transferrine di-ferrique. Ce complexe est internalisé par endocytose via le récepteur de la transferrine (R-Tf). Dans le milieu acide des endosomes, le fer est libéré, puis transporté vers les mitochondries où il est intégré à l'hème, étape clé de la synthèse de l'hémoglobine.

E) Utilisation du fer dans l'érythropoïèse

La synthèse de l'hémoglobine nécessite deux processus synchronisés :

1. Synthèse de la globine (chaînes alpha et bêta) dans le noyau.

2. Synthèse de l'hème dans les mitochondries, où le fer est inséré dans les porphyrines.

Quatre molécules d'hème s'associent au tétramère de globine () pour former une molécule d'hémoglobine.

F) Généralités sur les mouvements du fer

Pour la production quotidienne de globules rouges, environ 20 à 40 mg de fer sont nécessaires. L'absorption digestive (1 à 3 mg/jour) ne couvre pas la totalité de ce besoin. La majeure partie du fer provient d'une source endogène, le recyclage de l'hémoglobine par les macrophages (environ 20 mg/jour). Le fer absorbé par l'alimentation compense les pertes physiologiques (sueur, urines pour les hommes ; menstruations pour les femmes). Les femmes ont des besoins en fer plus importants en raison des pertes menstruelles et de la grossesse.

II. Les principales étapes de l'érythropoïèse

A. Génération de globules rouges dans la moelle à partir de cellules souches hématopoïétiques

1. Engagement des cellules souches

L'érythropoïèse débute à partir de cellules souches hématopoïétiques (CSH) qui s'engagent dans la différenciation érythroïde, une voie de la lignée myéloïde. Cette différenciation passe par plusieurs stades de progéniteurs et de précurseurs.

2. Maturation du progéniteur érythroblastique

Les premiers stades (progéniteurs) ne sont pas reconnaissables au microscope. Seuls les précurseurs plus avancés, les proérythroblastes, peuvent être identifiés. Dans une moelle osseuse normale, les hématies et les réticulocytes représentent 10 à 20% des cellules.

C. Les progéniteurs

1) BFU-E (Burst-Forming Unit-Erythroid)

• C

'est le progéniteur érythroïde le plus précoce.

• Il forme de grandes colonies (bursts) de plus de 100 érythroblastes in vitro.

• Sa sensibilité à l'érythropoïétine (Epo) est initialement faible (précoce) puis augmente (tardif).

• Il est sensible aux facteurs de croissance précoces comme le SCF (Stem Cell Factor), l'IL-3 et le GM-CSF.

2) CFU-E (Colony-Forming Unit-Erythroid)

• C'est un progéniteur érythroïde tardif.

• Il génère de petites colonies (8 à 50 érythroblastes) en 7 jours in vitro.

• Il est hautement dépendant de l'Epo pour sa différenciation et sa survie. Sans Epo, ces précurseurs meurent par apoptose.

D. Évolution morphologique des érythroblastes

La maturation des érythroblastes est une cascade de divisions cellulaires et de différenciation. Du CFU-E au proérythroblaste, il y a de nombreuses divisions (environ 50). Par la suite, un proérythroblaste donne deux érythroblastes basophiles, qui donnent deux érythroblastes basophiles de type deux, etc.

Au cours de cette évolution, les précurseurs deviennent de plus en plus petits à chaque mitose, et s'enrichissent progressivement en hémoglobine.

E. Évolution phénotypique des érythroblastes

Outre les changements morphologiques, les érythroblastes expriment des récepteurs spécifiques qui varient au cours de leur maturation. Par exemple, le récepteur de l'Epo apparaît au stade tardif de BFU-E et persiste jusqu'à l'érythroblaste acidophile. Ces marqueurs peuvent être identifiés par des techniques comme la cytométrie en flux, à l'aide d'anticorps monoclonaux spécifiques.

Le passage d'un proérythroblaste à un réticulocyte prend environ 7 jours de division cellulaire et de maturation.

F. Synchronisation mitose/synthèse hémoglobine

Pour un proérythroblaste, il y a environ 4 mitoses pour atteindre le stade d'érythroblaste acidophile. À partir de ce stade, il n'y a plus de mitoses car le noyau est expulsé. Le réticulocyte est une hématie jeune qui a une durée de vie de 24 à 48 heures.

La production de globules rouges est stimulée par des signaux externes :

• Hormones : Les androgènes (hormones mâles) augmentent légèrement la production d'érythroïdes, expliquant le taux d'hémoglobine plus élevé chez les hommes.

• Érythropoïétine (Epo) : C'est l'hormone clé et la plus essentielle. C'est une glycoprotéine produite à 90% par les reins et à 10% par le foie. L'Epo a deux actions majeures : elle favorise la prolifération des érythroblastes et inhibe leur apoptose. Sa production est stimulée par l'hypoxie (manque d'oxygène). Les insuffisants rénaux terminaux sont souvent anémiques en raison d'un déficit de synthèse d'Epo. L'Epo recombinante est utilisée comme médicament pour traiter ces anémies.

• Facteurs nutritionnels :

  • Fer : indispensable à la synthèse de l'hème.

  • Vitamine B6 : nécessaire à la synthèse de l'hémoglobine.

  • Vitamines B9 et B12 : essentielles à la synthèse de l'ADN. Une carence affecte en premier lieu le système érythroïde, qui est le tissu le plus consommateur de synthèse d'ADN.

G. Conséquences des carences sur la production d'érythrocytes

Les carences en éléments essentiels entraînent une dysérythropoïèse (production anormale de globules rouges) :

• Carence en vitamine B12 et/ou B9 : Entraîne un ralentissement de l'activité mitotique et une altération de la synthèse de l'ADN. Les mitoses sont arrêtées prématurément, mais l'hémoglobine continue d'être synthétisée. Les globules rouges produits sont plus gros que la normale, d'où une anémie macrocytaire.

• Carence en fer : La synthèse d'ADN est normale et les mitoses se poursuivent, mais la production d'hémoglobine est insuffisante (hypochromie). Cela conduit à des divisions cellulaires supplémentaires, produisant des globules rouges plus petits que la normale, d'où une anémie microcytaire.

H. Régulation de l'érythropoïèse

L'érythropoïèse est finement régulée pour maintenir un équilibre. L'anémie et l'hypoxie stimulent fortement la production de globules rouges, qui peut être augmentée jusqu'à 10 fois par jour. Cependant, une production excessive (polyglobulie) peut entraîner une hyperviscosité sanguine et des complications.

1) Facteurs régulant positivement l'érythropoïèse

• Cytokines précoces : GM-CSF, IL-6, IL-3.

• Cytokines tardives : EPO, SCF.

L'érythropoïétine (Epo) est le principal facteur positif, par son action de prolifération et d'anti-apoptose sur les érythroblastes, en réponse à l'hypoxie.

2) Facteurs régulant négativement l'érythropoïèse

• Apoptose des précurseurs érythroïdes : Le système FAS (CD95) est un récepteur à la surface des cellules érythroïdes. La liaison du FAS-ligand induit l'apoptose, limitant ainsi la production excessive de globules rouges.

• TGF- : Cette cytokine inflammatoire inhibe l'érythropoïèse normale. Dans les situations inflammatoires chroniques (cancers, tuberculose), l'activation de cette voie entraîne une anémie inflammatoire (par insuffisance médullaire). De nouveaux médicaments inhibant cette voie sont en développement.

Dans la moelle osseuse, les îlots érythroïdes, centrés par un macrophage, constituent des niches spécialisées où le fer est délivré et la maturation érythroïde se déroule, avec une régulation stricte de l'apoptose.

J. Conclusion et Informations complémentaires sur la NFS

La NFS est l'examen biologique le plus prescrit. Bien que la première partie soit automatisée, l'œil humain reste irremplaçable pour l'analyse des anomalies. Un frottis sanguin (observation microscopique d'une goutte de sang colorée) est essentiel pour confirmer les anomalies détectées par les automates.

Pour explorer le tissu médullaire, deux examens sont complémentaires :

• Myélogramme : Prélèvement par ponction et aspiration de la moelle osseuse (sternum ou crête iliaque). C'est un examen cytologique qui quantifie les cellules médullaires et évalue la richesse médullaire. Réalisé par le laboratoire d'hématologie.

• Biopsie ostéo-médullaire (BOM) : Prélèvement d'une carotte osseuse (crête iliaque postérieure). C'est un examen histologique qui étudie l'architecture de la moelle osseuse. Réalisé par le service d'anatomopathologie.

L'étude de l'hémoglobine se fait principalement par électrophorèse, une technique qui sépare les différentes formes d'hémoglobine en fonction de leur charge.