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Red blood cell antigens: structure and function
Donato Dimonte1, Maria Pepe2
1
UO Medicina Trasfusionale, Azienda Ospedaliera Policlinico Bari, CRCC
Dipartimento di Clinica Medica, Immunologia e Malattie infettive, Facoltà di Medicina e Chirurgia,
Università di Bari, Italia
2
The red blood cell membrane contains over 250
surface antigens, collected together to form 26 blood
group systems. For almost fifty years blood groups
were determined exclusively by serological reactions,
since the structure of the antigens was not then
known. It was only in the 1950s and 1960s that more
in-depth studies determined the carbohydrate
structure and biosynthesis of the antigens of the
ABO blood group system. At the end of the 1970s
the amino acid sequence of glycophorin A, an
important glycoprotein of the MNS system, was
identified. Then, since 1986, recombinant DNA
technology has allowed the structure and function
of most of the erythrocyte antigens to be defined1,2.
With the exception of the P (P1, 003) and RAPH
(MER2, 025) systems, all the other systems include
antigens whose molecular basis and DNA
polymorphisms are now known3-9. Many blood
group systems have a "null" phenotype in which the
antigens are not expressed. These phenotypes are
usually caused by inactivating mutations affecting
the gene that codes for the antigenic protein 10,11.
Some antigens are expressed exclusively by red
blood cells, others are present on various tissues as
well as on erythrocytes. For this reason, these
molecules have other functions besides the role they
play in transfusion medicine. From a structural point
of view, the antigenic determinants on the red cell
membrane can be divided into two groups:
- carbohydrate type epitopes present on
glycoproteins or glycolipids; ABO, H, Lewis and
P antigens belong to this group;
Correspondence:
Dott. Donato Dimonte
I Traversa Leonida Bissolati 1/A
70125 Bari - Italia
E-mail [email protected]
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
La membrana eritrocitaria contiene oltre 250 antigeni di
superficie, riuniti a formare 26 sistemi gruppoematici. Per
quasi cinquanta anni la determinazione dei gruppi
sanguigni si è basata esclusivamente sulle reazioni
sierologiche, non essendo ancora nota la struttura degli
antigeni. Solo negli anni '50 e '60 studi più
approfonditi hanno permesso di definire la struttura
carboidratica e la biosintesi degli antigeni del gruppo
ABO. Alla fine degli anni '70 è stata determinata la
sequenza amminoacidica della Glicoforina A,
importante glicoproteina del sistema MNS.
L'applicazione, dal 1986, della tecnologia del DNA
ricombinante ha permesso di definire la struttura e la
funzione svolta dalla maggior parte degli antigeni
eritrocitari1,2. Con l'eccezione dei sistemi P (P1, 003)
e RAPH (MER2, 025), oggi tutti gli altri sistemi
comprendono antigeni di cui è nota la base
molecolare e il polimorfismo a livello del DNA3-9.
Molti sistemi gruppoematici hanno un fenotipo
"null" in cui gli antigeni non sono espressi. In genere
questi fenotipi sono dovuti a mutazioni inattivanti che
si verificano a livello del gene che codifica la proteina
antigenica 10,11 . Alcuni antigeni sono espressi
esclusivamente dalle cellule eritroidi, altri sono presenti
su diversi tessuti. Pertanto, oltre al ruolo svolto in
medicina trasfusionale, queste molecole svolgono
anche altre funzioni. Dal punto di vista strutturale i
determinanti antigenici presenti sulla membrana
eritrocitaria si possono suddividere in due gruppi:
- epitopi di natura carboidratica presenti su
glicoproteine o glicolipidi; a questo gruppo
appartengono gli antigeni ABO, H, Lewis e P;
- epitopi di natura peptidica presenti su proteine
transmembrana o su proteine legate al
glicosilfosfatidilinositolo (GPI) della membrana
233
D Dimonte, M Pepe
-
peptide type epitopes on transmembrane proteins or
on proteins bound to the glycosylphosphatidylinositol
(GPI) of the plasma membrane; all the other red cell
antigens belong to this group.
From a functional point of view the antigens of the
red cell membrane can be divided into five groups:
membrane transporters and protein channels; receptors
for ligands, viruses, bacteria and parasites; adhesion
molecules; enzymes; and structural proteins12,13.
plasmatica; a questo gruppo appartengono tutti
gli altri antigeni eritrocitari.
Dal punto di vista funzionale gli antigeni della
membrana eritrocitaria possono essere suddivisi in cinque
gruppi: trasportatori di membrana e proteine canale; recettori
per ligandi, virus, batteri e parassiti; molecole di adesione;
enzimi; proteine strutturali12,13.
Trasportatori di membrana o proteine canale
Membrane transporters or protein channels
The membrane of red cells contains numerous transport
systems, some of which are protein or glycoprotein blood
group antigens14. These transport proteins have a typically
polytopic structure, that is, they cross the plasma membrane
several times (from 6 to 13 transmembrane domains each of
about 21 amino acids) and have a cytoplasmic N-terminal
and C-terminal. These transmembrane antigens include
Band 3 (the Diego antigen), AQP1 (AQuaPorin-1, Colton
antigen), Jk (Kidd antigen) and RhAG (Rh-Associated
Glycoprotein) which have well-recognized transport
functions. For protein Kx (the XK antigen), on the other
hand, the transport function has only be hypothesised on
the basis of its polytopic molecular structure.
The antigens of the Diego (010) blood group system
are present on the Band 3 membrane protein, which
exchanges anions of the red blood cells. It exchanges
biocarbonate ions (HCO3-) for chloride ions (Cl-) and plays
an important role in transport of carbon dioxide (CO2) in
the blood. Band 3 is a 90 KDa protein, abundantly present
on red blood cells (106 copies/cell), with two functional
domains: the N-terminal cytoplasmic domain linked to the
cytoskeleton, which anchors the red cell membrane to the
cytoskeleton; and the C-terminal domain, which exchanges
the bicarbonate ions with chloride ions thus allowing the
transport of CO2 from the tissues to the lungs15. Band 3 is
produced by the polymorphic SLC4A1 (SoLute Carrier
family 4) locus. Twenty-one alleles have been identified,
including the two low frequency antigens, Fra and SW1,
recently included in this system1,16.
The antigens of the Colton (015) system correspond
to the glycoprotein called aquaporin 1 (AQP1), belonging
to a family of protein channels (the aquaporins) that allow
molecules of water to cross the plasma membrane17,18.
AQP1 has cytoplasmic N-terminal and C-terminal
domains, crosses the plasma membrane six times and is
glycosylated on the first extracellular loop. There are
about 2x105 molecules of AQP1 in the form of tetramers
234
La membrana dei globuli rossi contiene numerosi
sistemi di trasporto alcuni dei quali sono rappresentati da
antigeni gruppoematici di natura proteica o glicoproteica14.
Queste proteine di trasporto hanno una struttura
tipicamente politopica, ossia attraversano più volte la
membrana plasmatica (da 6 a 13 domini transmembrana di
circa 21 amminoacidi ciascuno) ed hanno le estremità Nterminale e C-terminale citoplasmatiche. A questo gruppo
appartengono la Banda 3 (l'antigene Diego), AQP1
(AQuaPorin-1, l'antigene Colton), Jk (l'antigene Kidd) e
RhAG (Rh-Associated Glycoprotein) che hanno una ben
nota funzione di trasporto. Per la proteina Kx (l'antigene
XK), invece, la funzione di trasporto è stata solo ipotizzata
sulla base della sua struttura molecolare politopica.
Gli antigeni del sistema gruppoematico Diego
(010) sono presenti sulla proteina di membrana Banda
3, scambiatrice di anioni dei globuli rossi. Essa
scambia ioni bicarbonato (HCO3-) con ioni cloro (Cl-)
e gioca un ruolo importante nel trasporto dell'anidride
carbonica (CO2) nel sangue. È una proteina di 90
KDa, abbondantemente presente sui globuli rossi (106
copie/cell), con due domini funzionali: il dominio Nterminale citoplasmatico agganciato al citoscheletro,
che permette di ancorare la membrana eritrocitaria al
citoscheletro; il dominio C-terminale, che scambia gli
ioni bicarbonato con gli ioni cloro permettendo il
trasporto della CO2 dai tessuti ai polmoni15. La Banda
3 è prodotta dal locus SLC4A1 (SoLute Carrier family
4) polimorfico. Sono stati caratterizzati 21 alleli
comprendenti i due antigeni a bassa frequenza, Fra e
SW1, inseriti in questo sistema di recente1,16.
Gli antigeni del sistema Colton (015)
corrispondono alla glicoproteina detta acquaporina
1 (AQP1), appartenente ad una famiglia di proteine
canale (le acquaporine) che permettono il passaggio
delle molecole di acqua attraverso la membrana
plasmatica17,18. La AQP1 ha le estremità N- terminale
e C-terminale citoplasmatiche, attraversa sei volte la
membrana plasmatica ed è glicosilata sul primo loop
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
Erythrocyte antigens: structure and function
on each red blood cell. The AQP1 protein, also called
CHIP-28 (CHannel-like Integral Protein, 28 KDa),
is coded for by the AQP1 gene present on the short
arm of chromosome 7p1419.
The Kidd (009) glycoprotein is a urea transporter
present on red blood cells and cells of the renal vascular
endothelium. It consists of 391 amino acids with 10
transmembrane domains and a glycosylation site on
the third extracellular loop. The Kidd protein is coded
for by SLC14A1 (the SoLute Carrier family 14 gene)
present on chromosome 1820,21. The Rh (004) antigens
are present on two types of non-glycosylated
transmembrane proteins, of 30-32 KDa, coded for
by two homologous genes: the RHD gene which
codes for the D antigen and the RHCE gene which
codes for the CcEe antigens22. The Rh proteins are
generally associated with another glycosylated 45-75
KDa protein called "Rh50 glycoprotein" or, according
to a more recent nomenclature, "Rh associated
glycoprotein" (RhAG)23. Both the Rh proteins and
the RhAG proteins form a complex which is thought
to have a core of a tetramer composed of two Rh
subunits and two RhAG subsets to which other
proteins (CD47, Landsteiner-Wiener, glycophorin B,
Duffy) probably bind non-covalently to form a larger
protein complex24. The RhAG protein has a very
similar structure to that of the Rh proteins, but is
genetically independent and does not have Rh-type
antigenic activity. The functions of these proteins are
unknown. Recently they have been attributed a
function in transporting ammonium ions (NH4+) on
the basis of the strong sequence homology between
these proteins and ammonium transporters present in
other species25,26. The Kx antigen of the XK (019)
system is a non-glycosylated protein formed of 444
amino acids; it seems to cross the membrane 10 times
and has cytoplasmic N-terminal and C-terminal
domains. It is usually bound within the plasma
membrane to the Kell glycoprotein27,28. It is coded for
by an X-linked gene, called XK. The rare cases of
lack of the antigen are associated with McLeod's
syndrome, characterized by the presence of
acanthocytes, neurological and muscular defects and
weak expression of the antigens of the Kell system. It
is thought that the Kx protein has transmembrane
transport functions, given its strong sequence
homology with a Na + -dependent glutamate
transporter belonging to a family of proteins that
co-transports neurotransmitters with Na+ and Clions 29.
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
extracellulare. Su ogni globulo rosso ci sono circa 2x105
molecole di AQP1 sotto forma di tetrameri. La proteina
AQP1, chiamata anche CHIP-28 (CHannel-like Integral
Protein di 28 KDa), è codificata dal gene AQP1 presente
sul braccio corto del cromosoma 7p14 19. La
glicoproteina Kidd (009) è un trasportatore di urea
presente sui globuli rossi e sulle cellule dell'endotelio
vascolare renale. Consiste di 391 amminoacidi con 10
domini transmembrana e un sito di glicosilazione sul
terzo loop extracellulare. La proteina Kidd è codificata
dal gene SLC14A1 (SoLute Carrier family 14) presente
sul cromosoma 1820,21. Gli antigeni Rh (004) sono
presenti su due tipi di proteine transmembrana non
glicosilate, di 30-32 KDa, codificate da due geni
omologhi: il gene RHD che codifica per l'antigene D e il
gene RHCE che codifica per gli antigeni CcEe22. Le
proteine Rh sono generalmente associate ad un'altra
proteina di 45-75 KDa, glicosilata, chiamata
"glicoproteina Rh50" o, con una più recente
denominazione, "glicoproteina associata all'Rh"
(RhAG)23. Sia le proteine Rh che le proteine RhAG
formano un complesso il cui core si pensa sia costituito
da un tetramero composto da due subunità Rh e due
subunità RhAG al quale probabilmente si legano, con
legame non covalente, altre proteine (CD47, LandsteinerWiener, Glicoforina B, Duffy) a formare un complesso
proteico più grande24. La proteina RhAG ha una struttura
molto simile a quella delle proteine Rh ma è geneticamente
indipendente e non ha attività antigenica di tipo Rh. Le
funzioni svolte da queste proteine non sono conosciute.
Recentemente è stata attribuita loro la funzione di
trasporto degli ioni ammonio (NH4+) sulla base della forte
omologia di sequenza tra queste proteine e i trasportatori
di ammonio presenti in altre specie25,26. L'antigene Kx
del sistema XK (019) è una proteina costituita da 444
amminoacidi, non glicosilata, probabilmente attraversa
la membrana 10 volte ed ha le estremità N-terminale e Cterminale citoplasmatiche. Solitamente è legata, nello
spessore della membrana plasmatica, alla glicoproteina
Kell27,28. È codificata da un gene associato al cromosoma
X, detto XK. La rara assenza di questo antigene è
associata alla sindrome di McLeod caratterizzata dalla
presenza di acantociti, difetti neurologici e muscolari, e
una minore espressione degli antigeni del sistema Kell.
Si pensa che la proteina Kx svolga funzioni di trasporto
attraverso la membrana, data la forte omologia di
sequenza con un trasportatore di glutammato Na+dipendente appartenente ad una famiglia di proteine
che co-trasportano neurotrasmettitori insieme con
ioni Na+ e Cl- 29.
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D Dimonte, M Pepe
Table I - Blood group antigens that act as receptors for various
pathogenic micro-organisms
Micro-organism
Receptor
Escherichia coli
Escherichia coli
Helicobacter pylori
Haemophilus influenzae
Plasmodium falciparum
Plasmodium falciparum
Plasmodium falciparum
Plasmodium vivax
Influenza virus Sendai virus
Parvovirus B19
Mycobacterium leprae
P1, Pk
DAF (Cromer Dra)
Le b
CD44 (AnWj)
Glycophorin A (MN)
CR1 (Knops sla)
Band 3 (Diego)
Glycoprotein (Duffy)
Glycophorin A (MN)
Globoside (P)
CR1 (Knops)
Molecules with receptor functions
It is well known that there are surface proteins on
red cells that function as receptors and signal
transducers30. Many of these are blood group antigens
as well as the receptors for viruses, bacteria and
parasites, which suggests that they are involved in the
pathogenesis of infectious diseases31 (Table I).
The carbohydrate structures present on glycolipids
and glycoproteins act as receptors for many microorganisms. Thus, the molecules of sialic acid,
abundantly present on glycophorin A, or the Gal-Gal
sequences with a1-4 bonds (Gala1-4Gal), present in
the glucose part of the P, P k and P1, antigenic
molecules are membrane receptors for some strains
of bacteria and some bacterial toxins which cause
infections of the upper urinary tract (pyelonephritis).
Furthermore, the glycolipid molecule of the P antigen
is responsible for the red blood cell's susceptibility to
infection by Parvovirus B1932.
The Leb antigenic molecules of the Lewis (007)
blood group system, present on epithelial cells of
the gastric mucosa, are the receptors for
Helicobacter pylori, an agent that causes chronic
gastritis, peptic ulcer and gastric carcinoma33.
The merozoites of Plasmodium falciparum, the
aetiological agent of the most severe form of malaria,
bind to the sialic acid of the GPA present on the
membrane of red blood cells. This parasite can
invade red cells using mechanisms that are dependent
or independent of sialic acid. In the sialic aciddependent mechanism, the invasion occurs through
an interaction between the 175 KDa EBA (Erythrocyte
Binding Antigen) protein of the parasite and the
sialic acid of the GPA molecules of the red blood
cells34. Red blood cells infected by P. falciparum
acquire the capacity to adhere to vascular endothelium
236
Molecole con funzione di recettori
È ben nota la presenza sui globuli rossi di proteine di
superficie con funzioni recettoriali e di trasduzione del
segnale30. Molte di esse sono antigeni gruppoematici oltre
che recettori per virus, batteri e parassiti, il che suggerisce
una loro implicazione nella patogenesi delle malattie
infettive31 (Tabella I). Le strutture carboidratiche presenti
su glicolipidi e glicoproteine fungono da recettori per
molti microrganismi. Così, le molecole di acido sialico,
abbondantemente presenti sulla Glicoforina A, o la
sequenza Gal-Gal con legame a1-4 (Gala1-4Gal),
presente nella porzione glucidica delle molecole
antigeniche P, Pk e P1, sono recettori di membrana per
alcuni ceppi batterici e per tossine batteriche che causano
infezioni delle alte vie urinarie (pielonefriti). La molecola
glicolipidica dell'antigene P, inoltre, è responsabile della
suscettibilità dei globuli rossi all'infezione da parte del
Parvovirus B1932. Le molecole antigeniche Leb del
sistema gruppo-ematico Lewis (007), presenti sulle
cellule epiteliali della mucosa gastrica, sono i recettori
per l'Helicobacter pylori, l'agente causa di gastrite
cronica, ulcera peptica e carcinoma gastrico33. All'acido
sialico della GPA presente sulla membrana dei globuli
rossi si legano i merozoiti del Plasmodium falciparum,
l'agente eziologico della forma più grave di malaria.
Questo parassita può invadere i globuli rossi con un
meccanismo dipendente o indipendente dall'acido sialico.
Nel meccanismo dipendente, l'invasione avviene per
interazione tra la proteina EBA (Erythrocyte Binding
Antigen) di 175 KDa del parassita e l'acido sialico delle
molecole di GPA dei globuli rossi34. Gli eritrociti infettati
dal P. falciparum acquisiscono la capacità di aderire
all'endotelio vascolare e ai globuli rossi non infettati,
determinando il fenomeno della formazione delle rosette.
Questo fenomeno è mediato da una proteina presente
sulla membrana dei globuli rossi, il recettore del
complemento tipo 1 (CR1, CD35)35. È stato visto, infatti,
che, tra tutta una serie di varianti eritrocitarie con fenotipo
null testate per la capacità di formare rosette, soltanto
quella con fenotipo Helgenson (in cui le molecole CR1
sono assenti) dava esito negativo. Inoltre gli eritrociti
Sla(-), che hanno un minor numero di molecole CR1
sulla membrana, mostrano una minore capacità nella
formazione delle rosette36. Il CR1 appartiene alla
superfamiglia delle proteine che controllano il
complemento; é una glicoproteina transmembrana con
peso molecolare variabile tra 190-280 KDa che porta su
di sè gli antigeni del sistema Knops (022). Questa
glicoproteina ha una corta regione citoplasmatica, una
regione che attraversa la membrana plasmatica e una
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
Erythrocyte antigens: structure and function
and to uninfected red cells, causing the formation of
rosettes. This phenomenon is mediated by a protein
present on the membrane of red cells, the complement
receptor type 1 (CR1, CD35)35. In fact, a whole series
of red cell variants with a null phenotype were tested
for their ability to form rosettes, but only those with
the Helgenson phenotype (which does not carry CR1
molecules) gave negative results. Furthermore, Sla(-)
erythrocytes, which have a small number of CR1
molecules on their membrane, are less capable of
forming rosettes36. CR1 belongs to the superfamily
of proteins that control complement; it is a
transmembrane glycoprotein with a molecular weight
varying between 190-280 KDa and carries the antigens
of the Knops (022) system. This glycoprotein has a
short cytoplasmic region, a region which crosses the
plasma membrane and a long extracellular region
formed of 30 repeated domains which regulate
complement, called CCP (Complement Control
Protein) domains or SCR s (Short Consensus
Repeats). Each of these domains is formed of 56-70
amino acids and has four cysteine residues and two
disulphide bonds which allow them to take on the
shape of a loop. The number of CR1 molecules on
the red cell membrane differs greatly from person to
person, ranging from a minimum of 20 to a maximum
of 800 copies37. Besides being present on red cells,
CR1 is also found on follicular dendritic cells and on
glomerular podocytes in the kidney 38. The main
function of this glycoprotein is to bind immune
complexes containing C3b and C4b and carry them
to the liver or the spleen, thus enabling them to be
removed from the circulation. The CR1 present on
red cells is also a binding site for IgG which binds to
it without causing lysis or phagocytosis of the cells39.
This explains why antibodies against the Knops
antigen do not greatly reduce the survival of
incompatible transfused red cells and the reason why
the values obtained in phagocytosis tests are always
very low. The Knops system is formed of four high
frequency antigens (Kna, McCa, Sla, Yka) and one low
frequency antigen (Knb)40. Two other polymorphisms,
assigned to the homologous D region within the
SCR24 domain (McCa/b = K1590E) and the SCR25
domain (Sla/Vil = R1601G), have recently been
identified, so that two other antigens have been added:
McCb and Vil41.
The antigens of the Cromer (021) system are
found on the DAF (Decay-Accelerating Factor,
CD55) glycoprotein belonging to the family of
complement activation regulators, a group of proteins
that regulate the complement cascade, since they have
an extracellular region formed of a variable number (from
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
lunga regione extracellulare costituita da 30 domini
ripetuti che regolano il complemento, chiamati domini
CCP (Complement Control Protein) o SCRs (Short
Consensus Repeats). Ciascuno di questi domini è
costituito da 56-70 amminoacidi ed ha quattro residui
cisteinici e due legami disolfuro che gli permettono di
assumere la forma di un loop. Il numero delle molecole
di CR1 sulla membrana eritrocitaria varia molto da
persona a persona, andando da un minimo di 20 ad
un massimo di 800 copie37. Oltre che sui globuli rossi,
il CR1 si trova anche sulle cellule dendritiche follicolari
e sui podociti glomerulari del rene38. La principale
funzione svolta da queste glicoproteine è quella di
legare gli immunocomplessi contenenti il C3b e il C4b
e di trasportarli nel fegato o nella milza, rimuovendoli
dal circolo. Il CR1 presente sugli eritrociti è anche un
sito di legame per le IgG che si legano senza causare
la lisi o la fagocitosi di queste cellule 39. Questo
spiegherebbe il motivo per cui gli anticorpi contro gli
antigeni Knops non riducono di molto la sopravvivenza
degli eritrociti incompatibili trasfusi e il motivo per
cui nei test di fagocitosi i valori ottenuti sono sempre
molto bassi. Il sistema Knops è costituito da quattro
antigeni ad alta frequenza (Kna, McCa, Sla, Yka) e un
antigene a bassa frequenza (Knb)40. Recentemente sono
stati individuati altri due polimorfismi assegnati alla
regione omologa D all'interno del dominio SCR24
(McCa/b = K1590E) e del dominio SCR25 (Sla/Vil =
R1601G), per cui sono stati aggiunti altri due antigeni:
McCb e Vil41. Gli antigeni del sistema Cromer (021)
si trovano sulla glicoproteina DAF (DecayAccelerating Factor, CD55) appartenente alla famiglia
dei regolatori dell'attivazione del complemento, un
gruppo di proteine che regolano la cascata
complementare, aventi la regione extracellulare
costituita da un numero variabile di domini CCP (da
2 a 30). In particolare, il DAF è costituito da una
regione extracellulare con quattro domini CCP ed è
agganciato alla membrana plasmatica mediante un
legame con il GPI di membrana. È presente sulla
superficie di tutte le cellule che sono in contatto con il
siero, quindi cellule del sangue e dell'endotelio
vascolare, e sulle cellule dell'epitelio gastrico e
genitourinario. Esiste anche una forma solubile di
questa proteina42. Il DAF protegge le cellule dai danni
mediati dal complemento inibendo l'attivazione
complementare, ossia inibendo l'assemblaggio e
accelerando la dissociazione del C4b2a e del C3bBb,
le C3 convertasi rispettivamente della via classica e
alternativa. La glicoproteina DAF è anche un recettore
per diversi microrganismi come gli Enterovirus
(Ecovirus e Coxackie) e ceppi di Escherichia coli
uropatogeni31.
237
D Dimonte, M Pepe
2 to 30) of CCP domains. In detail, the DAF is formed
of an extracellular region with four CCP domains and is
linked to the plasma membrane through a bond with the
membrane GPI. It is present on the surface of all cells
which are in contact with serum, thus it can be found on
blood cells, vascular endothelial cells and cells of the
gastric and genitourinary epithelium. There is also a
soluble form of this protein42. The DAF protects cells
from complement-mediated damage by inhibiting
complement activation, that is by inhibiting the assembly
and accelerating the dissociation of C4b2a and C3bBb,
the C3 convertases of, respectively, the classical and
alternative pathways. The DAF glycoprotein is also a
receptor for various micro-organisms such as the
Enteroviruses (Ecovirus and Coxackie virus) and
uropathogenic strains of Escherichia coli31.
The antigens of the Duffy (008) system are present
on a glycoprotein called DARC (Duffy Antigen/
Receptor for Chemokines) which acts as a receptor
for both chemokines and for Plasmodium vivax and
Plasmodium knowlesi43. The Duffy glycoprotein has
a molecular weight of 36 KDa and is organized in
seven transmembrane domains, with an
intracytoplasmic C-terminal and a glycosylated
extracellular N-terminal. This structure is typical of
the superfamily of G-protein coupled receptors. In
particular, the structure of the Duffy glycoprotein is
similar to that of the G-protein coupled receptors
specific for chemokines44. In fact, DARC is a receptor
for a variety of chemokines, including IL-8 and
RANTES. Its presence on red blood cells facilitates
the clearance of mediators of inflammation, removing
excess chemokines from the circulation. It is also
present on endothelial cells of post-capillary venules,
suggesting that it might have a role in modulating the
inflammatory cascade45. All individuals of Asiatic or
European descent have Duffy glycoprotein on their
red cells. The two alleles Fya and Fyb code for two
antigens, Fya and Fyb, and for three phenotypes:
Fy(a+b-), Fy(a+b+), Fy(a-b+). There is, however,
another phenotype among people of African origin,
in whom the Duffy protein is present on endothelial
cells but not on the surface of the erythrocytes. This
occurs because of the existence, in Africans, of
another allele, Fy, which produces neither Fya nor Fyb.
Homozygosity for this allele defines the fourth
phenotype, Fy(a-b-), which is very common in Africa.
The Fy allele is very similar to the Fyb allele, differing
only by a punctiform mutation in the promoter region
of the DARC gene, within the sequence which binds
the erythroid-specific GATA-1 transcription factor.
In this way, the mutation prevents expression of the
gene only in erythroid tissues, whereas the protein is
238
Gli antigeni del sistema Duffy (008) sono presenti
su una glicoproteina detta DARC (Duffy Antigen/
Receptor for Chemokines) che funge da recettore sia
per le chemochine che per il Plasmodium vivax e per il
Plasmodium knowlesi43. La glicoproteina Duffy ha un
peso molecolare di 36 KDa, è organizzata in sette domini
transmembrana, con l'estremità C-terminale
citoplasmatica e l'estremità N-terminale glicosilata
extracellulare. Questa struttura è tipica della
superfamiglia dei recettori accoppiati a proteine G. In
particolare, la struttura della glicoproteina Duffy è simile
a quella dei recettori accoppiati a proteine G, specifici
per le chemochine44. Infatti, DARC è un recettore per
una varietà di chemochine tra cui l'IL-8 e RANTES.
Sui globuli rossi favorisce la clearance dei mediatori
dell'infiammazione, rimuovendo dal circolo le
chemochine in eccesso. È presente anche sulle cellule
endoteliali delle venule postcapillari, suggerendo un
possibile ruolo nella modulazione della cascata
infiammatoria45. Tutti gli individui di origine asiatica o
europea hanno sui loro globuli rossi la glicoproteina
Duffy. I due alleli Fya e Fyb codificano per i due antigeni,
Fya e Fyb, e per i tre fenotipi: Fy(a+b-), Fy(a+b+), Fy(ab+). Nelle persone di origine africana, invece, è presente
un altro fenotipo in cui la proteina Duffy è presente
sulle cellule endoteliali ma non sugli eritrociti. Questo
avviene per la presenza, nella razza africana, di un altro
allele, Fy, che non produce né Fya né Fyb. L'omozogosi
per questo allele definisce un quarto fenotipo, Fy(a-b-),
molto comune in Africa. L'allele Fy è simile all'allele
Fyb tranne che per una mutazione puntiforme nella
regione del promoter del gene DARC, all'interno della
sequenza che lega il fattore di trascrizione GATA-1
eritroide-specifico. In questo modo, la mutazione
impedisce l'espressione del gene solo nel tessuto
eritroide46. La glicoproteina Duffy è anche il recettore
eritrocitario per il Plasmodium vivax che causa una
forma di malaria meno severa di quella causata dal P.
falciparum, ma molto frequente in Africa47. Questo
vuol dire che i globuli rossi Fy(a-b-) sono resistenti
all'invasione da parte dei merozoiti del P. vivax e che,
quindi, la parte di popolazione africana portatrice
dell'allele Fy é protetta contro questa forma di malaria.
Molecole di adesione
Le molecole di adesione mediano l'adesione
intercellulare e l'interazione con le proteine della
matrice extracellulare. Alcune di esse sono anche
antigeni gruppoematici. Il CD44 rappresenta una
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
Erythrocyte antigens: structure and function
expressed in other tissues46. The Duffy glycoprotein
is also a red cell receptor for Plasmodium vivax which
causes a form of malaria that is less severe than that
caused by P. falciparum, but that is very frequent in
Africa47. This means that Fy(a-b-) red blood cells are
resistant to invasion by the merozoites of P. vivax
and, therefore, that those members of the African
population carrying the Fy allele are protected against
this form of malaria.
Adhesion molecules
Adhesion molecules mediate intercellular adhesion and
interactions with proteins of the extracellular matrix. Some
of them are also blood group antigens.
CD44 represents a family of strongly glycosylated
adhesion molecules, coded for by a single gene present on
chromosome 11 (50 Kb, 20 exons). This protein carries the
Ina and Inb antigens of the Indian (023) system and the
high frequency AnWj (901009) antigen. It is a
ubiquitous protein and exists in various isoforms48,49.
CD44H is the standard form of the molecule and is the
isoform present on red blood cells and leucocytes. It is
formed of cytoplasmic C-terminal tail of 72 amino acids, a
transmembrane domain and an extracellular domain of 248
amino acids, which folds on itself taking on a globular shape.
CD44 has been attributed many functions, such as adhesion
of leucocytes to endothelial cells, to stromal cells and to
the extracellular matrix. The bond between CD44 and
hyaluronate, a high molecular weight glycoaminoglycan
present in both the extracellular matrix and on the surface
of the cells, is at the basis of this function. CD44 also binds
to other components of the extracellular matrix, such as
collagen, fibronectin and laminin50.
The immunoglobulin superfamily (IgSF) is formed of
glycoproteins abundantly present on white blood cells and,
to a lesser extent, on other cell types. These glycoproteins
are formed of a variable number of extracellular domains,
each of about 100 amino acids, which show marked
sequence homology with the variable (V) and
constant (C1 or C2) domains of immunoglobulins.
Each domain is formed of two b sheets, stabilised by
a disulphide bond. Three IgSF glycoproteins are
blood group antigens: the Lutheran glycoproteins, the
LW (Landsteiner-Wiener) glycoprotein and CD147
(Ok glycoprotein).
The antigens of the Lutheran (005) system are
present on a glycoprotein which has 5 extracellular
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
famiglia di molecole di adesione fortemente
glicosilate, codificate da un singolo gene presente
sul cromosoma 11 (50 Kb, 20 esoni). Questa proteina
porta su di sé gli antigeni Ina e Inb del sistema Indian
(023) e l'antigene ad alta frequenza AnWj (901009).
È una proteina ubiquitaria e ne esistono diverse
isoforme48,49. Il CD44H è la forma standard della
molecola e rappresenta l'isoforma presente sui globuli
rossi e sui leucociti. Essa è costituita da una coda
C-terminale citoplasmatica di 72 amminoacidi, un
dominio transmembrana e un dominio extracellulare
di 248 amminoacidi, che si ripiega assumendo una
forma globulare. Molte funzioni sono state attribuite
al CD44, come l'adesione dei leucociti alle cellule
endoteliali, alle cellule stromali e alla matrice
extracellulare. Alla base di questa funzione c'è il
legame del CD44 con lo ialuronato, un
glicoamminoglicano ad alto peso molecolare, presente sia
nella matrice extracellulare che sulla superficie delle cellule. Il
CD44 si lega anche ad altri componenti della matrice
extracellulare, quali il collageno, la fibronectina e la laminina50.
La superfamiglia delle immunoglobuline (IgSF) è
costituita da glicoproteine presenti abbondantemente sui
leucociti e, in quantità inferiore, su altri tipi cellulari. Queste
glicoproteine sono costituite da un numero variabile di
domini extracellulari, di circa 100 amminoacidi ciascuno,
che mostrano una elevata omologia di sequenza con i
domini variabile (V) e costante (C1 o C2) delle
immunoglobuline. Ogni dominio è costituito da due foglietti
b
, stabilizzati da un legame disolfuro. Tre glicoproteine IgSF
sono antigeni gruppoematici: le glicoproteine Lutheran, la
glicoproteina LW (Landsteiner-Wiener) e il CD147 (la
glicoproteina Ok).
Gli antigeni del sistema Lutheran (005) sono presenti
su una glicoproteina che presenta 5 domini extracellulari,
un dominio transmembrana e una coda citoplasmatica51.
Questa glicoproteina è in grado di legare la laminina, il
maggior componente della membrana basale endoteliale52.
Nonostante sia stata accertata l'interazione tra la laminina e
la glicoproteina Lutheran, la funzione biologica svolta
da questo antigene resta sconosciuta.
Gli antigeni del sistema Landsteiner-Wiener
(016) sono glicoproteine di 42 KDa, presenti sulla
membrana eritrocitaria, codificate da un gene allocato
sul cromosoma 1953. Esse sono associate, a livello
fenotipico, con gli antigeni del sistema RH (004).
Infatti, gli antigeni LW sono maggiormente espressi
nelle cellule RhD-positive piuttosto che in quelle
negative. Le cellule Rhnull (che non hanno gli antigeni
239
D Dimonte, M Pepe
domains, a transmembrane domain and a cytoplasmic tail51.
This glycoprotein can bind to the laminin, the predominant
component of the endothelial basal membrane52. Although
the interaction between laminin and the Lutheran
glycoprotein has been discovered, the biological role of
this antigen remains unknown.
The antigens of the Landsteiner-Wiener (016) system
are 42 KDa glycoproteins present on the red cell membrane
and coded for by a gene located on chromosome 1953.
Phenotypically, these glycoproteins are associated with the
antigens of the Rh system (004). In fact, the LW antigens
are expressed more abundantly in RhD-positive cells than
in negative ones. Rhnull cells (which do not have Rh antigens)
lack the LW protein. Recently the LW glycoprotein was
renamed ICAM-4, both because of its strong sequence
homology with the family of ICAM (InterCellular
Adhesion Molecules), and because it was found to bind b2
integrin LFA-1 (Lymphocyte Function-related Antigen-1,
CD11a/CD18) and Mac-1 (CD11b/CD18)54. However,
unlike the other proteins of the ICAM family (ICAM-1,
ICAM-2 and ICAM-3), ICAM-4 is only present on red
blood cells. Its function is unknown and it is difficult to
imagine the reason why the surfaces of red cells should
carry adhesion molecules that bind to integrins present on
white blood cells and cells of vascular endothelium. The
fact that LW glycoprotein is expressed by erythoid cells at
very early stages of their development has lead to the
suggestion that they are involved in the formation of the
erythroblastic islands in bone marrow and in the interaction
between erythroblasts and macrophages during
erythropoiesis55.
CD147 carries the Oka antigen of the OK (024) blood
group system. It is a transmembrane glycoprotein with
twoextracellulardomainsstructurallysimilartoCD22cytoadhesin,
to the glycoprotein associated with myelin and to the
interleukin (IL)-1 receptor, suggesting its potential role as
an adhesion molecule or as a receptor for growth factors. It
is known that CD147 is present on red blood cells, white
cells, leukaemic cell lines and on many human tissues, but it
is not actually known what role it plays56. It is also called
EMMPRIN (Extracellular Matrix-derived Metallo
Proteases INducer) because it induces the production of
collagenases and other metalloproteases by tumour cells,
thus increasing the degradation of components of the
extracellular matrix. This has led to the hypothesis that CD147
may be involved in tumour invasion and the metastatic
process57. In healthy tissues it is perhaps involved in
embryonic development and scar formation through
increased production of the metalloproteases that facilitate
tissue remodelling58. The Xga and CD99 antigens are
products of the XG and MIC2 genes present on the X and
240
Rh) mancano della proteina LW. Recentemente, la
glicoproteina LW è stata rinominata ICAM-4 sia per
la forte omologia di sequenza con la famiglia delle
ICAM (InterCellular Adhesion Molecules), molecole
di adesione intercellulare, sia perché è stato visto che
lega la b2 integrina LFA-1 (Lymphocyte Functionrelated Antigen-1, CD11a/CD18) e il Mac-1 (CD11b/
CD18)54. A differenza, quindi, delle altre proteine della
famiglia delle ICAM (ICAM-1, ICAM-2 e ICAM-3),
la ICAM-4 è presente solo sui globuli rossi. La sua
funzione non è conosciuta ed è difficile immaginare il
motivo per cui gli eritrociti debbano portare sulla loro
superficie delle molecole di adesione che leghino le
integrine presenti sui leucociti e sulle cellule
dell'endotelio vascolare. Il fatto che la glicoproteina
LW è espressa dalle cellule eritroidi molto
precocemente (durante il loro sviluppo) ha fatto
ipotizzare una sua implicazione nella formazione delle
isole eritroblastiche del midollo osseo e nell'interazione
tra eritroblasti e macrofagi durante l'eritropoiesi55.
Il CD147 porta l'antigene Oka del sistema OK
(024) dei gruppi sanguigni. È una glicoproteina
transmembrana con due domini extracellulari
strutturalmente simili alla citoadesina CD22, alla
glicoproteina associata alla mielina e al recettore
dell'interleuchina (IL)-1, suggerendo un suo
potenziale ruolo come molecola di adesione o come
recettore per i fattori di crescita. È noto che il CD147
è presente sui globuli rossi, sui leucociti, su linee
cellulari leucemiche e su molti tessuti umani, ma non
si sa quale funzione effettivamente svolga 56. È
chiamato anche EMMPRIN (Extracellular Matrixderived Metallo PRoteases INducer) perché sulle
cellule tumorali induce la produzione di collagenasi
e di altre metalloproteasi che aumentano la
degradazione dei componenti della matrice
extracellulare. Questo ha fatto pensare a un suo ruolo
nell'invasione tumorale e nel processo metastatico57.
Nei tessuti sani forse è implicato nello sviluppo
embrionale e nella cicatrizzazione delle ferite, mediante
un incremento della produzione delle metalloproteasi
che facilitano il rimodellamento tissutale58.
Gli antigeni Xga e CD99 sono i prodotti dei geni
XG e MIC2 presenti sugli eterocromosomi X e Y,
che definiscono il sistema gruppo ematico XG
(012)59. MIC2 è presente sia sul cromosoma X che
sul cromosoma Y, mentre XG è presente solo sul
cromosoma X. Nessuno dei due geni è soggetto
all'inattivazione che agisce su una delle due X nelle
femmine60. Entrambi gli antigeni del sistema XG sono
glicoproteine transmembrana. Il CD99 è presente su
globuli rossi, leucociti e su molti tessuti umani, mentre
Xg a ha una distribuzione più limitata, essendo
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
Erythrocyte antigens: structure and function
Y heterochromosomes, which define the XG (012) blood
group system59. MIC2 is present on both chromosome X and
chromosome Y, while XG is present only on chromosome X.
Neither of the two genes is subject to the inactivation that occurs
in one of the two X chromosomes in females60. Both the antigens
of the XG system are transmembrane glycoproteins. CD99 is
present on red blood cells, leucocytes and many human tissues,
whereas Xga has a more limited distribution, being present only
on cells of the erythroid lineage and on fibroblasts in culture.
CD99 is implicated in the adhesion of T cells and in apoptosis of
thymocytes61. The sequence homology between the CD99 and
Xga proteins (about 37%) has raised the suspicion that Xga is
also involved in adhesion processes62. The function of these
antigens on red blood cells is not known. The CD108 protein
carries the JMH antigens (John Milton Hagen)63 of the same
named blood group system (026). This protein is anchored to
the plasma membrane though a bond with membrane GPI. It has
a large extracellular region with 5 potential glycosylation sites
and 19 cysteines, which suggests folding of the polypeptide
chain. There is also a potential binding site for the integrins (ArgGly-Asp), raising the possibility that it plays a role in cell adhesion
processes64. However, neither the ligand nor the real biological
role of CD108 is known. The CD108 protein is also called
semaphorin K1, SEMA7A, and belongs to the family of
semaphorins, a group of multifunctional proteins65. This protein
does, in fact, have an extracellular domain of 500 amino acids and
carries out various functions, such as axonal guidance during
embryonicdevelopment,lymphocyteactivationandcelladhesion
and migration66. CD108 is present on red blood cells, leukaemic
cell lines and on circulating lymphocytes67.
presente solo sulle cellule della linea eritroide e sui
fibroblasti in coltura. Il CD99 è implicato nel
processo di adesione delle cellule T e nell'apoptosi
dei timociti61. L'omologia di sequenza esistente tra le
proteine CD99 e Xga (circa il 37%) ha fatto supporre
che anche Xga sia implicata nei processi di adesione62.
Non è nota quale sia la funzione svolta da questi
antigeni sui globuli rossi. La proteina CD108 porta
gli antigeni JMH (John Milton Hagen)63 dell'omonimo
sistema gruppoematico (026). È una proteina ancorata
alla membrana plasmatica mediante un legame con il
GPI della membrana. Ha un'ampia regione
extracellulare con 5 potenziali siti di glicosilazione e
19 cisteine, che suggeriscono un ripiegamento della
catena polipeptidica. È presente anche un potenziale
sito di legame per le integrine (Arg-Gly-Asp), che fa
supporre un ruolo nel processo di adesione cellulare64.
Tuttavia, non si conosce né il ligando per questo sito
di legame né l'effettivo ruolo biologico svolto dal
CD108. La proteina CD108 è chiamata anche
semaforina K1, SEMA7A, e appartiene alla famiglia
delle semaforine, un gruppo di proteine
multifunzionali65. Questa proteina, infatti, è costituita
da un dominio extracellulare di 500 amminoacidi e
svolge diverse funzioni come, ad esempio, la funzione
di guida assonale durante lo sviluppo embrionale, di
attivazione linfocitaria, di migrazione e adesione
cellulare66. Il CD108 è presente sui globuli rossi, su
linee cellulari leucemiche e sui linfociti circolanti67.
Molecole con funzione enzimatica
Molecules with enzyme functions
The antigens of the ABO (001), Hh (018) and
Lewis (007) systems are carbohydrates carried by
glycoproteins or glycolipids, and are present on
various tissues68-70. Most of the ABO and H antigens
are on band 3 protein. The transmembrane domain
of this protein forms 14 loops: the fourth loop carries
an oligosaccharide molecule formed of different
acetyllactosamine residues to which the H, A, B, I
and i antigenic epitopes are bound. The antigens of
the ABO, H and Lewis systems are the products of
glycosyltransferase enzymatic reactions coded for
by the genes that govern these systems (ABO, FUT1,
FUT3). The enzymes are present in both the
membrane of the Golgi apparatus of red blood cells68,
where they catalyse the formation of the carbohydrate
antigens, and in soluble form in body fluids, in
particular in the plasma. The glycosyltransferase
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
Gli antigeni dei sistemi ABO (001), Hh (018) e
Lewis (007) sono molecole di natura carboidratica portate
da glicoproteine o glicolipidi, presenti su diversi tessuti6870
. La maggior parte degli antigeni ABO e H è presente sulla
proteina Banda 3. Il dominio transmembrana di questa
proteina forma 14 loops. Il quarto loop porta una molecola
oligosaccaridica costituita da diversi residui di
acetillactosammina cui sono legati gli epitopi antigenici
H, A, B, I e i. Gli antigeni dei sistemi ABO, H e
Lewis sono il prodotto dell'azione enzimatica di
glicosiltransferasi codificate dai geni che governano
questi sistemi (ABO, FUT1, FUT3). Gli enzimi sono
presenti sia nella membrana dell'apparato di Golgi
dei globuli rossi68, dove catalizzano la formazione
degli antigeni carboidratici, sia in forma solubile nei
fluidi corporei, in particolare nel plasma.
Recentemente è stata identificata la glicosiltransferasi
responsabile della sintesi dell'antigene glicolipidico
241
D Dimonte, M Pepe
responsible for the synthesis of the glycolipid PK antigen
has recently been identified71,72. The PK and P1 antigens
are synthesised by two different glycosyltransferases73.
The antigen of the Kell (006) system is present on a 93
KDa protein coded for by a gene on chromosome 7. The
protein has a glycosylated extracellular C-terminal domain,
a transmembrane domain and an N-terminal cytoplasmic
domain. In the red cell membrane, this glycoprotein is
normally linked to the Kx protein through a disulphide
bond74,75. Individuals whose red cells do not carry Kx
antigens also have reduced expression of the Kell antigen
and often develop muscular and neurological defects, typical
of McLeod's syndrome. The Kell protein is a well-known red
blood cell antigen, but recent studies have suggested that
the glycoprotein is also present on non-erythroid cells76,77.
The Kell protein has a zinc-binding site resembling the
catalytic site of the metalloproteases of the NECK family78.
These enzymes hydrolyse bioactive peptides or hormones
involved in various processes such as pain, blood pressure
and the inflammatory response. Recent studies have shown
that the Kell protein has proteolytic activity, being able to
cleave big endothelins, in particular big endothelin-3, into
biologically active peptides, which have vasoconstrictor
activity and are involved in the processes of mitogenesis
and development79. It remains to be determined whether the
Kell protein acts on other substrates, besides the endothelins,
and how the enzymatic activity of this protein can be related
to its physiological function on erythroid and non-erythroid
cells. The antigens of the Dombrock (014) system are
present on a protein anchored to the plasma membrane GPI.
It is a 50 KDa protein, coded for by a gene on chromosome
1280. A particular amino acid sequence in the peptide chain
raises the suspicion that this protein could be involved in
ADP-ribosyltransferase activity81. The Yta and Ytb antigens
of the Yt (011) system originate from a single amino acid
substitution in the acetylcholine esterase enzyme (AchE)82.
AchE, released by neurones, is important in the process of
neurotransmission because it hydrolyses the acetylcholine
released by the pre-synaptic nerve endings. AchE on the
red cell membrane is bound to GPI and is catalytically active,
but its function is unknown83.
Structural proteins
Among the molecules carrying blood group antigens,
those involved in maintaining the structure of the red
blood cell are band 3 and the Rh proteins, already
described in the groups of membrane carriers and
glycophorins. Band 3 protein, abundantly present on
red cells (106copies/cell), has an N-terminal domain (43
KDa) attached to the cytoskeleton through a bond with
ankyrin, protein 4.1 and protein 4.2. Its importance in
242
PK 71,72. Gli antigeni PK e P1 sono sintetizzati da due
diverse glicosiltransferasi73. L'antigene del sistema Kell
(006) risiede su una proteina di 93 KDa codificata da un
gene posto sul cromosoma 7. La proteina ha il dominio
C-terminale extracellulare glicosilato, un dominio
transmembrana, e il dominio N-terminale citoplasmatico.
Nella membrana dei globuli rossi questa glicoproteina è
normalmente associata alla proteina Kx, mediante un
legame disolfuro74,75. Individui con eritrociti senza antigeni
Kx hanno una ridotta espressione anche dell'antigene
Kell sviluppando, spesso, difetti muscolari e neurologici
tipici della sindrome di McLeod. La proteina Kell è
presente notoriamente sui globuli rossi. Recenti studi
hanno supposto la presenza della glicoproteina anche
su cellule non eritroidi76,77. La proteina Kell ha un sito
legante lo zinco simile al sito catalitico delle metalloproteasi
della famiglia NECK78. Questi enzimi idrolizzano ormoni
o peptidi bioattivi implicati in diversi processi fisiologici
come il dolore, la pressione sanguigna, la risposta
infiammatoria. È stato evidenziato che la proteina Kell
ha attività proteolitica, essendo in grado di clivare le grandi
endoteline, in particolare la grande endotelina-3, in peptidi
biologicamente attivi che hanno azione vasocostrittrice
e sono implicati nei processi di mitogenesi e di sviluppo79.
Resta da definire se, oltre alle endoteline, ci siano altri
substrati su cui agisce la proteina Kell e come questa
sua attività enzimatica possa essere messa in relazione
con la sua funzione fisiologica sulle cellule eritroidi e
non eritroidi. Gli antigeni del sistema Dombrock (014)
sono presenti su una proteina ancorata al GPI della
membrana plasmatica. È una proteina di 50 KDa,
codificata da un gene allocato sul cromosoma 1280. La
presenza di una particolare sequenza amminoacidica della
catena peptidica ha fatto pensare che questa proteina
potesse svolgere un'attività ADP-ribosiltransferasica81.
Gli antigeni Yta e Ytb del sistema Yt (011) si originano
da una singola sostituzione amminoacidica a carico
dell'enzima acetilcolinesterasi (AchE)82. L'AchE, rilasciata
dalle cellule neuronali, è importante nel processo della
neurotrasmissione perché idrolizza l'acetilcolina rilasciata
dalla terminazione pre-sinaptica. Sulla membrana dei
globuli rossi l'AchE è legata al GPI, è cataliticamente
attiva, ma non si sa quale funzione svolga83.
Proteine strutturali
Tra le molecole che portano gli antigeni
gruppoematici, quelle implicate nel mantenimento della
struttura della membrana eritrocitaria sono la Banda 3
e le proteine Rh, già incluse nel gruppo dei trasportatori
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
Erythrocyte antigens: structure and function
maintaining cell morphology is indicated by the association
between changes in this protein and some inherited diseases.
About 20-25% of the cases of hereditary spherocytosis are due
to quantitative changes (a lack of 20-40%) of band 3; the
remaining cases are due to deficiencies in spectrin, ankyrin or
protein 4.284. There is experimental evidence suggesting that
the Rh and RhAG proteins are bound to the cytoskeleton,
thus contributing to the morphology and stability of the red
blood cells85-87. Glycophorins are plasma membrane
glycoproteins which have a highly glycosylated
extracellular N-terminal region, a transmembrane region
and a C-terminal region within the cytoplasm. Two pairs
of glycophorins are known: glycophorin A (GPA) and
glycophorin B (GPB) which carry, respectively, the MN
and Ss antigens of the MNS (002) blood group system;
and glycophorin C (GPC) and glycophorin D (GPD),
which constitute the antigens of the Gerbich (020)
system. These two pairs of glycophorins are genetically
distinct. In fact, GPA and GPB are coded for by two
closely linked genes, GYPA and GYPB, on chromosome
4, while GPC and GPD are isoforms coded for by a
single gene, GYPC, on chromosome 288. GPA, together
with band 3, is the most abundant protein on the cell
membrane. The glycophorins contain many molecules
of sialic acid which contribute to negative charge of red
blood cells. The presence of negative charges minimises
cell interactions thus preventing aggregation of red cells.
Furthermore, all four glycophorins share the common
characteristic of marked glycosylation of the extracellular
region. The presence of the glycocalyx protects the cells
both from mechanical damage and from bacterial and
viral attacks. The phenotypes in which red cells
completely lack GPA and GPB (Mk) or GPC and GPD
(Leach) are rare but are not associated with any
pathology. In the Mk phenotype, the lack of sialic acid is
compensated for by greater glycosylation of the band 3
glycoprotein89. Recent studies indicating a bond between
GPA and band 3 suggest that the glycophorin
facilitates movement of band 3 from the cytoplasm
to the plasma membrane90. Furthermore, it has been
seen that antibody- or lectin-binding to the GPA activates a signal
which leads to the red cells being less able to deform. The signal
transduction causing less deformability of the red cell membrane
is probably mediated by the cytoskeleton and band 3 to which
the GPA binds after interacting with the ligand89-91. Besides have
a structural function, GPA is also thought to be a recepter for
some strains of Plasmodium falciparum, the malarial parasite.
Indeed,redcellswithoutGPAaremoreresistantthannormalcells
to invasion by Plasmodium merozoites92. GPC and its isoform,
GPD, are important determinants of the elastic and mechanical
properties of the red cell membrane. In fact, it is known that the
Blood Transfus 2004; 2: 233-46
di membrana e delle glicoforine. La proteina Banda 3,
molto abbondante sui globuli rossi (106copie/cell), ha
il dominio N-terminale (43 KDa) agganciato al
citoscheletro mediante un legame con l'anchirina, la
proteina 4.1 e la proteina 4.2. La sua importanza nel
mantenimento della morfologia cellulare è sottolineata
dall'associazione tra alterazioni di questa proteina e
alcune malattie ereditarie. Nella sferocitosi ereditaria,
circa il 20-25% dei casi sono dovuti ad alterazioni
quantitative (una carenza del 20-40%) della Banda 3; i
rimanenti casi sono dovuti a carenze in spectrina,
anchirina e proteina 4.284.
Evidenze sperimentali indicano che le proteine Rh
e RhAG sono legate al citoscheletro, contribuendo
così alla morfologia e alla stabilità dei globuli rossi85-87.
Le glicoforine sono glicoproteine della membrana
plasmatica che presentano la regione N-terminale
extracellulare altamente glicosilata, una regione che
attraversa la membrana, e la regione C-terminale
citoplasmatica. Si conoscono due coppie di glicoforine:
la Glicoforina A (GPA) e la Glicoforina B (GPB) che
portano rispettivamente gli antigeni MN e Ss del sistema
gruppoematico MNS (002); la Glicoforina C (GPC) e
la Glicoforina D (GPD) che costituiscono gli antigeni
del sistema Gerbich (020). Queste due coppie di
glicoforine sono tra loro geneticamente distinte. Infatti,
le GPA e GPB sono codificate da due geni, GYPA e
GYPB, strettamente associati sul cromosoma 4, mentre
le GPC e GPD sono isoforme codificate da un unico
gene, GYPC, allocato sul cromosoma 288. La GPA è,
insieme alla Banda 3, la proteina più abbondante della
membrana cellulare. Le glicoforine portano molte
molecole di acido sialico, che contribuiscono a formare
la carica negativa sugli eritrociti. La presenza di cariche
negative minimizza le interazioni cellulari, prevenendo
l'aggregazione dei globuli rossi. Inoltre, la caratteristica
che accomuna tutte e quattro le glicoforine è l'elevata
glicosilazione della regione extracellulare. La presenza
del glicocalice protegge le cellule sia da eventuali danni
meccanici che da attacchi di batteri e virus. I fenotipi,
in cui i globuli rossi sono totalmente carenti in GPA e
GPB (Mk) o in GPC e GPD (Leach), sono rari e non
associati a patologie. Nel fenotipo Mk la carenza di
acido sialico è compensata da una maggiore
glicosilazione della glicoproteina Banda 389. Studi recenti
indicano un legame tra GPA e Banda 3, ipotizzando
che la glicoforina faciliti la traslocazione della Banda 3
dal citoplasma alla membrana plasmatica90. È stato visto,
inoltre, che il legame di anticorpi o lectine alla GPA
attiva un segnale che determina una minore capacità
dei globuli rossi a deformarsi. La trasduzione del
segnale, che porta alla minore deformabilità della membrana
eritrocitaria, è probabilmente mediata dal citoscheletro e
dalla Banda 3 ai quali la GPA si lega dopo l'interazione
con il ligando89-91. Oltre a svolgere una funzione strutturale,
243
D Dimonte, M Pepe
cytoplasmic domain of GPC is bound to proteins of the
cytoskeleton. Indeed, GPC, protein 4.1 and phosphoprotein p55
formaternarycomplexwhichbindstothespectrin/actincomplex,
inthiswayattachingtheplasmamembranetothecytoskeleton93,94.
AreducedamountofGPCandGPDonredbloodcellscausesthe
Leach phenotype, characterized by a mild form of elliptocytosis.
la GPA è stata indicata anche come recettore per alcuni
ceppi del Plasmodium falciparum, il parassita della
malaria. I globuli rossi senza GPA, infatti, sono più resistenti
all'invasione da parte dei merozoiti del Plasmodium rispetto
a cellule normali92. La GPC e la sua isoforma GPD sono
importanti per la determinazione delle caratteristiche
elastiche e meccaniche della membrana eritrocitaria. È
noto, infatti, che il dominio citoplasmatico della GPC è
legato alle proteine del citoscheletro. In particolare, la GPC,
la proteina 4.1 e la fosfoproteina p55 formano un
complesso ternario che si lega al complesso spectrina/
actina agganciando, così, la membrana plasmatica al
citoscheletro93,94. Una minore quantità di GPC e GPD sui
globuli rossi determina il fenotipo Leach caratterizzato da
una lieve forma di ellissocitosi.
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