Molecular Genetic Studies of the Blood Group ABO Locus in Man

Abstract

The ABO blood group system is undoubtedly the most important genetic and phenotypic marker in clinical transfusion medicine. The A and B determinants are immunodominant, terminally located carbohydrate residues of glycoconjugates on erythrocytes and other cell surfaces. The enzymes responsible for assembly of these structures are glycosyltransferases encoded by the ABO genes on chromosome nine.



The aim of this study has been the molecular characterisation of alleles at the blood group ABO locus. Several previously unrecognised allelic forms have been described. During the study we have developed and validated clinically applicable DNA methods for the prediction of common and variant ABO phenotypes. The frequent occurrence of a variant O gene constituting an important polymorphic marker among blood group O individuals has been established.



A molecular genetic basis for the Ael phenotype has been elucidated. The description of a DNA-based technique for detection of the Ael allele was the first reported for the molecular characterisation of an ABO subgroup. Phenotype-genotype correlations in A subgroups have been made and a suggested division into A1- and A2-allele-related weak subgroups of A has been put forward.



Population studies of anthropological interest concerning the different ethnic groups in Brazil including the native Amazonian Indians exclusively expressing blood group O have been presented. The elusive complexity of human genome polymorphism has been exemplified by the unexpected finding of recombinational gene products in common ABO groups and also as a cause of the rare Ax subgroup. A relationship between the origin of these hybrid alleles and the occurrence of Chi-sequences, hotspots for bacterial recombination, in the ABO gene is proposed.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Blodgruppering med genteknik - studier av ABO-systemets arvsanlag



Populärvetenskaplig sammanfattning på svenska



Blodtransfusioner som utfördes före sekelskiftet slutade ofta med svåra komplikationer och i många fall patientens död. Scenariot förändrades dramatiskt till det bättre i och med den österrikiske läkaren Karl Landsteiners upptäckt av blodgruppssystemet ABO (utläses A-B-noll) år 1901. Vid transfusion och organtransplantation i modern vård finns det fortfarande ingen faktor med större klinisk betydelse för utgången än ABO-förenlighet.



Orsaken till detta är immunförsvarets förmåga att skilja mellan egna celler och främmande organismer som t.ex. bakterier, virus eller celler från en annan individ. I stort sett alla människor har färdigbildade försvarsmolekyler, s.k. antikroppar, riktade mot ABO-markörer de själva saknar. Därför förstörs tillförda röda blodkroppar eller transplanterade organ ögonblickligen om inte hänsyn tagits till ABO-systemet.



ABO-blodgruppsmolekylerna utgörs av kolhydrat men förekommer trots namnet inte bara på blodkroppar utan på de flesta av kroppens celler. För att tillverka kolhydratstrukturer på rätt sätt krävs en grupp speciella äggviteämnen, s.k. glykosyltransferaser. Det är enzymer som på ett specifikt sätt bygger upp kedjor av kolhydrater på cellytan. ABO-glykosyltransferas är således det enzym, som tillsätter de för individens blodgrupp avgörande kolhydratdelarna.



I den aktuella avhandlingen har vi studerat hur arvsanlagen för ABO-glykosyltransferas ser ut vid olika blodgrupper. Med ledning av våra fynd har vi bl. a. kunnat utveckla molekylärbiologiska metoder för att fastställa både vanliga (A, B, AB och O) och ovanliga (s. k. svaga undergrupper, t. ex. Ax och Ael) ABO-blodgrupper.



Människan har 23 kromosom-par och genen för ABO-egenskapen finns på kromosom nummer nio. En amerikansk forskargrupp presenterade 1990 genens finstruktur (DNA-sekvensen) och fann också genförändringar associerade med de vanliga blodgrupperna. Med denna kunskap som grund började vi och andra forskargrupper att i detalj undersöka sambandet mellan ABO-genen och blodgrupps-egenskapen på röda blodkroppar.



Genom att mångfaldiga viktiga delar av ABO-genen med den s. k. PCR-tekniken (Nobelpriset 1993) och behandla genfragmenten med DNA-nedbrytande enzymer från bakterier kunde vi visa att alla vid den tidpunkten kända, vanliga gen-kombinationer gick att urskilja med en ny metod för ABO-genotypning. Därvid kunde en förutsägelse göras angående individens blodgrupp. I alla fall utom ett av 150 blodgivarprover var resultaten överensstämmande. Detta enda fall visade sig senare bero på att en A-gen hade förändrats (muterats) till en helt ny typ av O-gen.



I ett annat arbete undersökte vi individer med vanliga ABO-blodgrupper för att kartlägga förekomsten av en mutation, som rapporterats vara specifik för en ovanlig ABO-undergrupp, Ax. En stor andel av alla prov hade mutationen i fråga. Det visade sig vara en typ av O-gen, som dels bär Ax-mutationen och dessutom nio andra specifika mutationer. Denna variant av den tidigare kända, vanliga O-genen utgör 40% av alla O-gener i den svenska befolkningen och har av två japanska forskargrupper rapporterats utgöra 50–55% av O-generna i Japan. I ett samarbete med en forskargrupp i Ribeirão Preto undersöktes DNA från Amazonasindianer i Brasilien. Den enda blodgruppen i denna folkgrupp är O. Efter undersökning med våra metoder stod det klart att deras ABO-gener till mer än 90% utgörs av den muterade varianten av O-genen, vilket bl. a. antyder att denna genvariant med all sannolikhet existerade redan innan människan befolkade den amerikanska kontinenten.



Ytterligare ett intressant fynd med ursprung i ovan nämnda samarbete, gjordes vid undersökning av svarta med afrikanskt ursprung. 30% av alla O-gener hos dessa individer var aldrig tidigare beskrivna i litteraturen. Dessutom kunde vi påvisa att vissa av de nya O-generna hade uppkommit genom rekombination, d.v.s. genom att två gener kombinerats. Exempelvis hittades sex gener där den ovan beskrivna varianten av O-genen hade kombinerats med genen för blodgrupp B. Det är uppenbart att den här typen av kombinationsgener kan vålla problem vid försök till blodgruppering med gentekniska metoder.



Vi har också karaktäriserat några av de gener som ger upphov till ärftligt försvagat uttryck av blodgruppskolhydrat. Sådana tillstånd är relativt ovanliga men har betydelse inom transfusionsmedicinen, eftersom risken för felgruppering till blodgrupp O är stor. I 14 obesläktade familjer med den svaga A-undergruppen Ael fann vi i samtliga fall en punkt-insertion mitt i A-genen. Insertion är en typ av mutation, som förstör genens organisation och gör all DNA-information därefter meningslös för cellen. Med PCR-teknik kunde vi därmed också utveckla den först beskrivna metoden för genbaserad upptäckt av en undergrupp inom ABO-systemet.



En rad andra A-undergrupper undersöktes och befanns vara besläktade med endera av de två vanliga A-generna, A1 eller A2. Ett undantag från denna regel var den intressanta undergruppen Ax. Vid analys av sex obesläktade Ax-familjer visade sig två av dessa ha A1-lika gener med den s.k. Ax-mutationen, beskriven i ett Ax-fall från USA. Två familjer uppvisade hybridgener (A resp. B kombinerad med en variant av O-genen) och noggrann DNA-analys kunde fastställa var i genen rekombinationen hade skett. Intressant nog är två korta DNA-sekvenser (Chi), förenade med ökad frekvens av rekombination hos bakterier, belägna i närheten av dessa brottpunkter. Svaga A-undergrupper med denna genetiska bakgrund har ej tidigare beskrivits. De två sista familjerna hade A2-identiska gener. Varför till synes helt normala A-gener kan ge ett svagt uttryck av A-kolhydrat på röda blodkroppar är fortfarande ett olöst mysterium.



Även om de uppställda målen för avhandlingen har uppnåtts, måste det erkännas att fler frågor än svar uppkommit under resans gång. Det känns dock tillfredsställande att konstatera att molekylärbiologiska tekniker idag kan komplettera de traditionella metoderna vid fastställande av ABO-blodgrupp i klinisk praxis. Främst rör det situationer när tveksamhet uppstår efter analys med vanliga rutinmetoder. Det kan gälla utredning av ärftliga eller förvärvade tillstånd då ABO-blodgruppsegenskaperna förändras. Vid leukemi kan t.ex. ses försvagning av A- eller B-egenskaperna. Vid vissa cancertyper eller svåra bakterieinfektioner kan s.k. förvärvat B-antigen uppstå med risk för att patienten felgrupperas till blodgrupp AB i stället för A. Livshotande transfusions-komplikationer kan bli följden. Det kan också gälla situationer då adekvat provmaterial (färskt blod) ej finns att tillgå av olika skäl. Ett exempel är att via fostervattensprov bestämma blodgruppen på foster.



Studier av ABO-generna kan leda fram till viktig basal kunskap med allmänbiologisk relevans angående glykosyltransferaserna och deras gener. Dessutom, vilket har varit det primära syftet med dessa studier, kan fördjupad kunskap nås om den genetiska bakgrunden till det kliniskt mest betydelsefulla av våra blodgruppssystem.

• author: Olsson, Martin L
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Watkins, Winifred M, F.R.S., Royal Postgraduate Medical School, London, U.K.
• organization: Transfusion Medicine (research group); Division of Hematology and Transfusion Medicine
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Hematology
• keywords: chi sequence, recombination, population studies, blood group serology, erythrocyte, blood transfusion, sequencing, DNA, PCR, genomic, Blood group ABO, allele, Immunology, serology, transplantation, Immunologi, serologi, Clinical genetics, Klinisk genetik
• pages: 144 pages
• defense location: Lecture room F3, Lund University Hospital
• defense date: 1997-09-19 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/METM--0001--SE
• ISBN: 91-628-2642-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 6a1dc8e2-6f08-4239-a1ba-52d358682008 (old id 29462)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:36:06
• date last changed: 2022-01-25 12:49:32