Erythrocyte concentrates (ECs) are the major labile blood product being transfused worldwide, aiming at curing anemia of diverse origins. In Switzerland, ECs are stored at 4 °C up to 42 days in saline-adenine-glucose-mannitol (SAGM). Such storage induces cellular lesions, altering red blood cells (RBCs) metabolism, protein content and rheological properties. A hot debate exists regarding the impact of the storage lesions, thus the age of ECs on transfusion-related clinical adverse outcomes. Several studies tend to show that poorer outcomes occur in patients receiving older blood products. However, no clear association was demonstrated up to date. While metabolism and early rheological changes are reversible through transfusion of the blood units, oxidized proteins cannot be repaired, and it is likely such irreversible damages would affect the quality of the blood product and the efficiency of the transfusion. In vivo, RBCs are constantly exposed to oxygen fluxes, and are thus well equipped to deal with oxidative challenges. Moreover, functional 20S proteasome complexes allow for recognition and proteolysis of fairly oxidized protein, and some proteins can be eliminated from RBCs by the release of microvesicles.
The present PhD thesis is involved in a global research project which goal is to characterize the effect of processing and storage on the quality of ECs. Assessing protein oxidative damages during RBC storage is of major importance to understand the mechanisms of aging of stored RBCs. To this purpose, redox proteomic-based investigations were conducted here. In a first part, cysteine oxidation and protein carbonylation were addressed via 2D-DIGE and derivatization-driven immunodetection approaches, respectively. Then, the oxidized sub- proteomes were characterized through LC-MS/MS identification of proteins in spots of interest (cysteine oxidation) or affinity-purified carbonylated proteins. Gene ontology annotation allowed classifying targets of oxidation according to their molecular functions. In a third part, the P20S activity was evaluated throughout the storage period of ECs, and its susceptibility to highly oxidized environment was investigated. The potential defensive role of microvesiculation was also addressed through the quantification of eliminated carbonylated proteins.
We highlighted distinct protein groups differentially affected by cysteine oxidation, either reversibly or irreversibly. In addition, soluble extracts showed a decrease in carbonylation at the beginning of the storage and membrane extracts revealed increasing carbonylation after 4 weeks of storage. Engaged molecular functions revealed that antioxidant (AO) are rather reversibly oxidized at their cysteine residue(s), but are irreversibly oxidized through carbonylation. In the meantime, the 20S proteasome activity is decreased by around 40 % at the end of the storage period. Incubation of fresh RBCs extracts with exogenous oxidized proteins showed a dose-dependent and protein-dependent inhibitory effect. Finally, we proved that the release of microvesicles allows the elimination of increasing quantities of carbonylated proteins.
Taken together, these results revealed an oxidative pathway model of RBCs storage, on which further investigation towards improved storage conditions will be based.
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Les concentrés érythrocytaires (CE) sont le produit sanguin le plus délivré au monde, permettant de traiter différentes formes d'anémies. En Suisse, les CE sont stocké à 4 °C pendant 42 jours dans une solution saline d'adénine, glucose et mannitol (SAGM). Une telle conservation induit des lésions de stockage qui altèrent le métabolisme, les protéines et les propriétés rhéologique du globule rouge (GR). Un débat important concerne l'impact du temps de stockage des CE sur les risques de réaction transfusionnelles, certaines études tentant de démontrer que des transfusions de sang vieux réduiraient l'espérance de vie des patients. Cependant, aucune association concrète n'a été prouvée à ce jour. Alors que les modifications du métabolisme et changement précoces des propriétés rhéologiques sont réversibles suite à la transfusion du CE, les protéines oxydées ne peuvent être réparées, et il est probable que de telles lésions affectent la qualité et l'efficacité des produits sanguins. In vivo, les GR sont constamment exposés à l'oxygène, et sont donc bien équipés pour résister aux lésions oxydatives. De plus, les complexes fonctionnels de proteasome 20S reconnaissent et dégradent les protéines modérément oxydées, et certaines protéines peuvent être éliminées par les microparticules.
Cette thèse de doctorat est imbriquée dans un projet de recherche global ayant pour objectif la caractérisation des effets de la préparation et du stockage sur la qualité des GR. Evaluer les dommages oxydatifs du GR pendant le stockage est primordial pour comprendre les mécanismes de vieillissement des produits sanguin. Dans ce but, des recherches orientées redoxomique ont été conduites. Dans une première partie, l'oxydation des cystéines et la carbonylation des protéines sont évaluées par électrophorèse bidimensionnelle différentielle et par immunodétection de protéines dérivatisées. Ensuite, les protéines d'intérêt ainsi que les protéines carbonylées, purifiées par affinité, sont identifiées par spectrométrie de masse en tandem. Les protéines cibles de l'oxydation sont classées selon leur fonction moléculaire. Dans une troisième partie, l'activité protéolytique du protéasome 20S est suivie durant la période de stockage. L'impact du stress oxydant sur cette activité a été évalué en utilisant des protéines exogènes oxydées in vitro. Le potentiel rôle défensif de la microvesiculation a également été
étudié par la quantification des protéines carbonylées éliminées.
Dans ce travail, nous avons observé que différents groupes de protéines sont affectés par l'oxydation réversible ou irréversible de leurs cystéines. De plus, une diminution de la carbonylation en début de stockage dans les extraits solubles et une augmentation de la carbonylation après 4 semaines dans les extraits membranaires ont été montrées. Les fonctions moléculaires engagées par les protéines altérées montrent que les défenses antioxydantes sont oxydées de façon réversible sur leurs résidus cystéines, mais sont également irréversiblement carbonylées. Pendant ce temps, l'activité protéolytique du protéasome 20S décroit de 40 % en fin de stockage. L'incubation d'extraits de GR en début de stockage avec des protéines oxydées exogènes montre un effet inhibiteur « dose-dépendant » et « protéine-dépendant ». Enfin, les microvésicules s'avèrent éliminer des quantités croissantes de protéines carbonylées.
La synthèse de ces résultats permet de modéliser une voie oxydative du stockage des GRs, à partir de laquelle de futures recherches seront menées avec pour but l'amélioration des conditions de stockage.