Гемоглобин, генетические варианты и патология

Уральская государственная медицинская академия

Кафедра медицинской биологии и генетики

РЕФЕРАТ

на ТЕМУ:

Гемоглобин, генетические варианты и патология.

Екатеринбург

2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ……………………………………………………………… 1

Гемоглобин, его структура и типы. Глобиновые гены, их

экспрессия ……………………………………………………………. 2

Варианты гемоглобина ………………………………………………. 7

Серповидно-клеточная анемия ……………………………………… 14

Заключение …………………………………………………………… 21

Приложение (схема) …………………………………………………. 22

Список использованной литературы ……………………………….. 23

Введение.

Целью данного реферата является более глубокое ознакомление с гемоглобином, с генетической точки зрения. Реферат состоит из трех глав, последовательно раскрывающих структуру и типы гемоглобина. Так первая глава посвящена соответственно структуре гемоглобина и глобиновым генам. В ней освещается строение гемоглобина, а также его преобразование в ходе онтогенеза, вследствие экспрессии разных глобиновых генов. Целью второй главы является ознакомление с вариантами гемоглобина, возникающими из-за различных мутаций, а также знакомство с понятием гемоглобинопатий. Третья глава посвящена такому заболеванию как серповидно-клеточная анемия. В ней раскрывается генетическая и биохимическая сущность этого заболевания, включая механизм его наследования и географическое распространение.

Дополнительной целью реферата является установление механизма наследования серповидно-клеточной анемии, по данным различной литературы, о чем будет говориться в третьей главе.

В приложении к реферату приводится схема, описывающая плейотропный эффект замены одной аминокислоты, приводящей к развитию серповидно-клеточной анемии (по Ярыгину В.Н.).

Глава 1. Гемоглобин, его структура и типы. Глобиновые гены, их экспрессия.

Гемоглобин – это основной белок эритроцитов, для выделения которого из организма человека не требуется сложных биохимических методик. Поэтому молекулу гемоглобина исследовать значительно легче, чем любой другой белок человека. Все это привело к тому, что именно об этом белке мы знаем больше всего. Исследования по генетике гемоглобина, его аминокислотной последовательности и структуре молекулы продвигались очень быстро. На сегодняшний день мы знаем как гены, кодирующие полипептиды гемоглобина, так и аминокислотную последовательность этих полипептидов. Большинство концепций, разработанных для этой системы, являются общими для других белков.

Молекула гемоглобина представляет собой тетрамер, состоящий из четырех полипептидных цепей, и обозначается формулой α2β2. Эта формула показывает, что данная молекула состоит из двух α- и двух β- глобиновых цепей. Большинство разновидностей гемоглобина имеют идентичные α- цепи и отличаются лишь строением β- глобиновых цепей. К каждой полипептидной цепи глобина в специфическом месте присоединяется небелковая группа – гемогруппа, или гем. Четыре глобиновые цепи, каждая со своим гемом, образуют функциональную молекулу гемоглобина, которая переносит кислород от легких к тканям. Аминокислотная последовательность в полипептиде является его первичной структурой. Пространственное расположение соседних остатков называется вторичной структурой, а трехмерное расположение белковых субъединиц – третичной структурой. Четвертичной структурой является пространственной расположение четырех белковых субъединиц, которые образуют функциональную молекулу.

Основной разновидностью гемоглобина у детей и взрослых является гемоглобин HbA, или гемоглобин взрослых (α2β2). Его отличительная черта – строение β-цепи. Глобиновые α- и β- цепи различны по многим аминокислотным остаткам. У многих взрослых людей есть небольшое количество (2-3%) гемоглобина HbA2 (α2δ2). Его δ-цепь отличается от β-цепи всего лишь десятью аминокислотными остатками. У всех детей после рождения обнаруживается менее 1% фетального гемоглобина HbF (α2γ2). γ -цепь значительно отличается от α- и β-цепей, причем α-цепи HbA, HbA2 и HbF идентичны.

Существует несколько типов гемоглобина, характерных для эмбрионального и фетального развития. Для эмбрионов характерны три типа гемоглобина: Gower I, Gower II и Portland I, имеющие в составе ζ-, ε-, γ- и α-цепи (cм. Табл. 1). ζ-цепи напоминают по аминокислотному составу α-цепи, а ε-цепи похожи на β-цепи. ζ-цепи, вероятно, появляются раньше других в эмбриональном развитии. ζ- и α-цепи исчезают через 8 -10 недель внутриутробного развития. Затем преобладающим становится гемоглобин HbF (α2γ2), который отличается от других присутствием γ –цепи. Известно два типа γ –цепей: с аланином (Aγ) или с глицином (Gγ) в 136-м положении. Существует также и третий тип γ –цепи, являющийся вариантом Aγ-цепи, с треонином вместо изолейцина в 75-м положении. Он встречается у 10-15% эмбрионов и, судя по всему, не связан с какой либо патологией. Гемоглобин α2β2 обнаруживается уже на 6-8 неделе развития плода.

Синтез γ –цепей у эмбриона происходит в основном в печени и селезенке, но могут они синтезироваться и кроветворными клетками костного мозга. Наоборот, β-цепи в детстве и в более позднем возрасте синтезируются главным образом в костном мозге, однако синтез вне костного мозга также возможен. Различные типы гемоглобина представлены в таблице 1.

Таблица 1. (из Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека)

Стадия Гемоглобин Структура

Эмбрион Gower I ζ 2 ε2

Gower II α2 ε2

Portland I ζ 2 γ2

Плод F α2 Aγ2

α2 Gγ2

Взрослый человек A α2β2

A2 α2δ2

Все нормальные гемоглобины человека, которые были исследованы, имеют идентичную трехмерную структуру, существенную для переноса кислорода.

Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется собственным уникальным геном, также как и синтез небелковой гемогруппы. У нормального человека в гаплоидном наборе хромосом обязательно присутствует хотя бы по одному гену α, β, γ, δ, ε, ζ. В большинстве популяций человека ген α-глобиновой цепи находится в дуплицированном состоянии. Отличий между этими генами не обнаружено, но экспрессируясь в одно и тоже время, ген второй α-глобиновой цепи транскрибируется более интенсивно и присутствует в организме в большем количестве, нежели ген первой α-глобиновой цепи. Существует также три варианта γ-глобиновых генов, о различиях их полипептидных цепей говорилось выше.

На сегодняшний день хорошо изучена нуклеотидная последовательность всех глобиновых генов. Гены глобинов человека образуют мультигенные семейства и расположены на двух хромосомах в составе двух кластеров (кластеры – группа генов, расположенных в определенных хромосомах, объединенных общими функциями). α-кластер глобиновых генов (семейство ζ- и α-генов) занимает 25000 пар оснований (25 т.п.н.) и находится в коротком плече 16-ой хромосомы. Семейство ε- γ- β- δ-генов (β-кластер) распологается на коротком плече 11-ой хромосомы на участке в 60 т.п.н. Гены в α-кластере расположены в следующем порядке от 5' к 3': ген эмбриональной ζ-цепи, псевдоген ζ-цепи, псевдоген α-цепи и два идентичных гена α-цепи. Расположение генов в β-кластере следующее: ген эмбриональной ε-цепи, два гена фетальных γ-цепей, псевдоген β-цепи, ген δ-цепи и ген β-цепи. Порядок расположения этих генов совпадает с порядком их экспрессии в ходе онтогенеза. Последовательности нуклеотидов мало отличаются от таковых последовательностей у своих функциональных гомологов. В результате мутаций в псевдогенах стала невозможной их транскрипция и, следовательно, экспрессия. Имеется предположение о том, что псевдогены возникли в результате дупликаций, после чего их экспрессия перестала быть необходимой для нормального функционирования организма. Ген δ-глобина, продукт которого составляет всего 2-3% всего гемоглобина, можно считать переходным состоянием к псевдогену. Все глобиновые гены имеют сходную функциональную организацию. Каждый из них имеет три кодирующие последовательности, т.е. три экзона. Между данными экзонами находятся две уникальные вставочные последовательности, или интроны (IVS-1, IVS-2). Как известно интроны транскрибируются вместе с экзонами и вырезаются в ходе процессинга для образования функциональной мРНК.

Все глобиновые цепи различных гемоглобинов имеют общее эволюционное происхождение и возникли в результате последовательных дупликаций генов. Вероятно, около 1100 млн. лет назад произошла дупликация