Hemoglobinas, nešantis deguonį visame kūne, yra sudėtingas baltymas, kurio struktūra ir funkcija keičiasi per žmogaus vystymąsi. Nuo embrioninės stadijos iki suaugusio amžiaus, skirtingi hemoglobino tipai pasižymi skirtingu subvienetų sąveikos stiprumu. Šis skirtumas yra esminis suprantant hemoglobino vystymąsi ir jo vaidmenį įvairiose fiziologinėse ir patologinėse būsenose. Šiame straipsnyje gilinsimės į specifinius skirtumus tarp vaisiaus (fetalio) ir suaugusiųjų hemoglobino, ypatingą dėmesį skiriant jų subvienetų sąveikos stiprumui ir jo implikacijoms.
Embrioninio, Fetalio ir Suaugusiųjų Hemoglobinų Struktūriniai Ypatumai
Žmogaus embrioniniai, fetalio ir suaugusiųjų hemoglobinai pasižymi skirtingu subvienetų sąveikos stiprumu. Natūraliai pasitaikantys normalūs žmogaus hemoglobinai skiriasi savo tetramero-dimero subvienetų sąveikos stiprumu (stabilumu) trimis tvarkomis (orders of magnitude) prisijungusio (liganded) (CO arba deguonies) būklėje. Tai reiškia, kad kai kurie junginiai yra žymiai stabilesni nei kiti.
Vienas iš pagrindinių skirtumų yra susijęs su embrioninio zeta (ζ) subvieneto buvimu. Embrioninio zeta-subvieneto buvimas lemia vidutiniškai 20 kartų didesnį tetramero-dimero sąveikos susilpnėjimą, palyginti su atitinkamais hemoglobinais, turinčiais suaugusiųjų alfa (α) subvienetus. Tai rodo, kad ankstyvosiose vystymosi stadijose esantys hemoglobinai yra mažiau stabilūs.
Dimero-monomero sąveikos stiprumas šiuose hemoglobinuose skiriasi mažiausiai 500 kartų. Šios sąveikos yra silpnos, jei jose dalyvauja zeta (ζ) subvienetai, ir greičiau mainosi su pridėtais beta (β) subvienetais beta(4) (HbH) pavidalu, nei tos, kuriose dalyvauja alfa (α) subvienetai. Subvienetų mainai vyksta dimero lygyje, nors tetramero susidarymas abipusiškai veikia dimero, skirto mainams, kiekį.
Įdomu tai, kad tarp subvienetų tipų vyksta konkurencija. Silpnesni embrioniniai hemoglobinai gali keistis subvienetais, formuodami stipresnius fetalio ir suaugusiųjų hemoglobinus. Tai reiškia, kad vystymosi metu vyksta sudėtingas stabilumo ir mainų procesas, vedantis link galutinės, stabilios suaugusiųjų hemoglobino formos.
Hemoglobinų Vystymosi Eiga: Nuo Silpnesnių iki Stipresnių Sąveikų
Dimero stiprumas didėja tokia tvarka: Hb Portland-2 (ζ₂β₂) < Hb Portland-1 (ζ₂γ₂) ≈ Hb Gower-1 (ζ₂ε₂) < Hb Gower-2 (α₂ε₂) < HbF₁ < HbF (α₂γ₂) < HbA₂ (α₂δ₂). Ši seka atspindi vystymąsi nuo embrioninių iki fetalio ir galiausiai suaugusiųjų tipų, parodant brandą nuo silpnesnių iki stipresnių monomero-monomero subvienetų kontaktų.
Ši vystymosi eiga atspindi normalų hemoglobino vystymosi profilį. Duomenys rodo, kad vystymosi eigoje, prasidedant nuo embrioninių formų su zeta (ζ) ir epsilon (ε) grandinėmis, pereinama prie fetalio hemoglobino (HbF), kuriame dominuoja alfa (α) ir gama (γ) grandinės, ir galiausiai prie suaugusiųjų hemoglobino (HbA), kuriame yra alfa (α) ir beta (β) grandinės, bei HbA₂ su alfa (α) ir delta (δ) grandinėmis.
Normalūs embrioniniai hemoglobinai apima Gower-1 (ζ₂ε₂), Gower-2 (α₂ε₂) ir Portland-1 (ζ₂γ₂). Hb Portland-2 (ζ₂β₂) paprastai nerandamas. Įvairių hemoglobino tipų izoelektrinio fokusavimo gelio analizė leidžia vizualizuoti šiuos skirtumus. Standartiniai hemoglobinai, tokie kaip A, F, S ir C, skiriasi savo izoelektriniais taškais, o tai atsispindi gelio juostose. Hb Portland-1, Portland-2, Gower-1 ir Gower-2 taip pat turi savo unikalias vietas.
Tyrimai, nagrinėjantys tetramero-dimero disociacijos profilį, pvz., Hb Gower-1, Hb Gower-2 ir Hb Portland-1, pateikia kiekybinius duomenis apie šių junginių stabilumą. Hb Portland-2 disociacijos profiliai rodo tiek tetramero-dimero, tiek dimero-monomero disociaciją, atskleidžiant jo sudėtingesnę sąveikos dinamiką.
Far-UV cirkuliarinio dichroizmo (CD) spektrų palyginimas tarp Hb Portland-2 ir suaugusiųjų HbA gali suteikti informacijos apie jų antrinę struktūrą ir jos stabilumą. Nors CD spektras daugiausia atspindi antrinę struktūrą, skirtumai gali netiesiogiai koreliuoti su bendru baltymo stabilumu.
Hemoglobinas
Lyginamoji Hb Portland-2 ir suaugusiųjų HbA disociacija pH 6.3 terpėje Superose-12 chromatografijos būdu leidžia detaliai analizuoti dimero-monomero disociaciją ir jos priklausomybę nuo koncentracijos. Šie duomenys yra kritiniai suprantant subvienetų mainų mechanizmus.
Molekuliniai Mechanizmai ir Subvienetų Mainai
Masių spektrometrijos (MS) analizė yra galinga technika, leidžianti identifikuoti hemoglobino subvienetus ir jų modifikacijas. ESI/MS analizė, kaip parodyta su embrioniniu hemoglobinu Portland-2 (ζ₂β₂), leidžia identifikuoti ζ ir β grandines. Transformuotas masės spektras po jonų apvalkalų dekonvoliucijos (m/z diapazone 950-1750) patvirtina eksperimentiškai nustatytas vertes, kurios sutampa su tikėtina acetilintos ζ grandinės ir neapdorotos β grandinės vidutine mase. MALDI-QqTOF/MS spektras, gautas po ribonukleazės P digestijos, leidžia identifikuoti specifinius ζ ir β grandinių peptidų fragmentus, patvirtinant jų seką ir padengimą.
Hillio grafiko analizė, naudojant K<0xE1><0xB5><0x83> reikšmes skirtingiems žmogaus hemoglobinams, leidžia kiekybiškai įvertinti deguonies prisijungimo kinetiką ir kooperatyvumą, kurie yra tiesiogiai susiję su subvienetų sąveikos stiprumu.
Embrioninių hemoglobinų išnykimas β-subvienetų buvime, stebimas inkubuojant tam tikrą Hb koncentraciją tam tikroje terpėje, yra tiesioginis įrodymas apie subvienetų mainų procesą. Tai rodo, kad silpnesni embrioniniai hemoglobinai yra linkę skilti ir keistis subvienetais su stabilesniais suaugusiųjų komponentais.
Mainai tarp embrioninių, fetalio ir suaugusiųjų hemoglobinų su β-subvienetais yra kertinis supratimo elementas. Grafikas, rodantis α₂β₂ (HbA) susidarymą laikui bėgant, kai Hb Portland-2 (P-2) ir Hb Gower-2 (G-2) yra maišomi, iliustruoja šią dinamiką. Izoelektrinio fokusavimo gelio analizė patvirtina HbA susidarymą po 24, 48 ir 72 valandų inkubacijos.
Panašiai, HbF susidarymas maišant Hb Portland-1 (P-1) ir Hb Gower-2 (G-2) taip pat yra stebimas ir dokumentuojamas izoelektrinio fokusavimo geliais. Tai rodo, kad silpnesni embrioniniai ir fetalio tipo hemoglobinai gali būti transformuojami į stabilesnius junginius.
Konkurencija tarp β- ir γ-subvienetų, siekiant riboto α-subvienetų kiekio, yra sudėtingas procesas. Analizuojant mišinį, kuriame yra Hb Portland-1 (ζ₂γ₂), Portland-2 (ζ₂β₂) ir Gower-2 (α₂ε₂), laiko eigoje, matome, kaip skirtingi subvienetai konkuruoja ir sudaro naujus tetramerus. Tai leidžia suprasti, kodėl vystymosi metu tam tikri hemoglobinai dominuoja.
Ribonukleazės P diagramos, lyginančios α-subvieneto (mėlyna) ir ζ-subvieneto (raudona) struktūras, vizualizuoja galimus skirtumus tarp suaugusiųjų ir embrioninių subvienetų, kurie gali lemti sąveikos stiprumo skirtumus. Nors abi struktūros panašios, subtilūs skirtumai gali turėti didelę įtaką baltymų sąveikai.
Mainų greičiai, apskaičiuoti iš tam tikro Hb išnykimo arba HbA atsiradimo β₄ buvime, suteikia kiekybinę informaciją apie šių procesų dinamiką. Greitesni mainai rodo silpnesnes sąveikas. Pavyzdžiui, Hb Gower-2 mainų greitis, tiek stebint Hb mažėjimą, tiek HbA atsiradimą, yra panašus, kas patvirtina matavimų patikimumą.
Klinikinė Reikšmė ir Hemoglobino Vystymosi Kontrolė
Fetalio-suaugusiųjų hemoglobino perjungimas ir fetalio hemoglobino (HbF) slopinimas yra ilgalaikio susidomėjimo sritis hematologijoje. Taip yra todėl, kad klinikinė HbF gamybos indukcija žada didelę naudą, siekiant palengvinti sergančiųjų pjautuvine anemija (SCD) ir β-talasemija simptomus. Nors šis straipsnis daugiausia dėmesio skiria molekuliniams skirtumams, svarbu paminėti klinikinę šių žinių reikšmę.
Istoriniai bandymai stimuliuoti HbF gamybą davė terapinių metodų, skirtų SCD ir β-talasemijai gydyti. Tačiau naujesni molekuliniai tyrimai, identifikuojant tokius reguliatorius kaip BCL11A, MYB ir KLF1, atveria dideles perspektyvas kuriant tikslingesnius ir efektyvesnius HbF indukcijos metodus.
Normalus fetalio-suaugusiųjų hemoglobino perjungimas žmogui apima specifinį laiko grafiką. Viršutiniame skydelyje parodytos įvairių β-panašių globinų molekulių vietos ir kiekiai, atitinkantys spalvas, naudojamas žemiau esančiame žmogaus β-globinų lokuso modelyje (embrioninis - mėlynas, fetalio - žalias, suaugusiųjų - raudonas).
Modelis, paaiškinantis γ-globinų slopinimo reguliavimą žmogaus β-globinų lokuse, rodo svarbų ∼3-kb regioną, esantį prieš δ-globinų geną. Šis regionas yra svarbus, nes jame yra delecijos, susijusios su įvairiomis paveldimomis fetalio hemoglobino persistavimo (HPFH) formomis ir δβ-talasemija. BCL11A, kartu su savo partneriais GATA1 ir HDAC1, prisijungia prie šio regiono chromatinos ir slopina fetalio hemoglobino ekspresiją. Tačiau HPFH asociacijos mutacijos paveikia šį prisijungimo vietos konsensusą, de-represuodamos fetalio hemoglobino ekspresiją suaugusiems.
Pavyzdžiui, Hb J-Sardegna, hemoglobino variantas, būdingas Sardinijos salos gyventojams, parodo skirtingas deguonies afinitetines savybes. Suaugusiųjų Hb J-Sardegna deguonies afinitetumas yra didesnis tik esant 2,3-difosfogliceratui (2,3-DPG). Priešingai, fetalio Hb J-Sardegna deguonies afinitetumas yra identiškas normaliam fetalio hemoglobinui, tiek su 2,3-DPG, tiek be jo, esant 20°C. Tačiau, pakėlus temperatūrą iki 37°C, pastebimas žymus skirtumas, o fetalio Hb J-Sardegna deguonies afinitetumas tampa didesnis. Tai rodo, kad amino rūgšties pakeitimas α₁-β₁ sąsajoje turi įtakos deguonies surišimo termodinamikai.
Fetalio hemoglobino (HbF) sintezė suaugusiems paprastai sumažinama iki labai mažų lygių (mažiau nei 0,6% viso hemoglobino). HbF randamas nedidelėje eritrocitų populiacijoje, vadinamoje "F-ląstelėmis". 85% normalios suaugusiųjų populiacijos turi 0,3% iki 4,4% F-ląstelių. HbF lygis ir F-ląstelių skaičius gali skirtis daugiau nei 10 kartų tarp normalių suaugusiųjų. Šie lygiai yra genetiškai kontroliuojami, tačiau genų skaičius ir pobūdis vis dar nėra visiškai suprantami.
HbF lygis suaugusiems gali būti padidėjęs įvairiose paveldimose ir įgytose ligose, kartu su F-ląstelių skaičiaus ir HbF kiekio F-ląstelėje padidėjimu. Šių būklių su padidėjusiu HbF klinikinis reikšmingumas susijęs su jų sąveika tokiose ligose kaip pjautuvinė anemija ir beta talasemija, kur padidėjęs HbF kiekis gali žymiai sumažinti ligos sunkumą.
"Natūralių" mutantų, daugiausia susijusių su padidėjusiu HbF, tyrimai suteikė daug įžvalgų suprantant globinų genų reguliavimo ir hemoglobino perjungimo kontrolę. Fetalio-suaugusiųjų hemoglobino perjungimas priklauso nuo prieš tai esančio γ-globinų geno represijos arba slopinimo. Tačiau transkripcijos represorių, kurie prisijungia prie vietų, kur randami įvairūs natūraliai pasitaikantys variantai, susiję su HPFH, identifikavimas buvo sunkus.
Tyrimai rodo, kad BCL11A ir ZBTB7A prisijungia prie γ-globinų promotoriaus dviejose vietose, kuriose yra HPFH mutacijų sankaupos, ir slopina ekspresiją. Tačiau asmenims su HPFH susijusiomis mutacijomis yra pakitęs BCL11A ir/arba ZBTB7A prisijungimo konsensusas, todėl suaugusiems fetalio hemoglobino ekspresija yra de-represuojama.
Apibendrinant, skirtumai tarp vaisiaus ir suaugusiųjų hemoglobino, ypač jų subvienetų sąveikos stiprumo, yra ne tik molekulinis fenomenas, bet ir turi gilias fiziologines bei klinikines pasekmes. Nuo ankstyvųjų embrioninių formų iki brandaus suaugusiųjų hemoglobino, šie pokyčiai užtikrina efektyvų deguonies transportavimą skirtingais gyvenimo etapais ir yra svarbūs suprantant bei gydant tam tikras kraujo ligas.
tags: #differenza #emoglobina #fetale #e #adulta #pubmed