Высокое содержание фетального гемоглобина

Гемоглобин плода — Fetal hemoglobin

Гемоглобин плода или гемоглобин плода (также гемоглобин F , HbF или α2γ2) является основным кислородомбелком-переносчиком у плода человека. Гемоглобин F содержится в эритроцитах плода и участвует в транспортировке кислорода из организма. это кровоток к органам и тканям плода. Он вырабатывается примерно на 6 неделе беременности, и его уровень остается высоким после рождения, пока ребенку не исполнится примерно 2-4 месяца. Гемоглобин F имеет состав, отличный от взрослых форм гемоглобина , что позволяет ему сильнее связывать (или присоединяться) кислород. Таким образом, развивающийся плод может извлекать кислород из кровотока матери, который проходит через плаценту , обнаруженную в матке .

матери. У новорожденного уровень гемоглобина F постепенно снижается и достигает уровни у взрослых (менее 1% от общего гемоглобина) обычно в течение первого года, когда начинают продуцироваться взрослые формы гемоглобина. Такие заболевания, как бета-талассемии , которые влияют на компоненты взрослого гемоглобина , могут замедлить этот процесс и привести к тому, что уровень гемоглобина F будет выше нормы. При серповидноклеточной анемии в качестве лечения для облегчения некоторых симптомов использовалось увеличение выработки гемоглобина F.

Структура и генетика

Гемоглобин F, как гемоглобин взрослых (гемоглобин A и гемоглобин А2 ), имеет четыре субъединицы или цепи. Каждая субъединица содержит группу гема с элементом железа, который играет ключевую роль в обеспечении связывания и освобождения кислорода. По существу, гемоглобин F может принимать два состояния: оксигемоглобин (связанный с кислородом) и дезоксигемоглобин (без кислорода). Поскольку гемоглобин F имеет 4 гемовые группы, он может связываться с четырьмя молекулами кислорода. Он состоит из двух субъединиц α (альфа) и двух субъединиц γ (гамма) , тогда как гемоглобин А (97% от общего гемоглобина у взрослых) состоит из двух α и двух β (бета) субъединицы.

У человека субъединица α кодируется на хромосоме 16 , а субъединица γ кодируется на хромосоме 11 . Есть два очень похожих гена , которые кодируют субъединицу α, HBA1 и HBA2 . Белок, который они производят, идентичен, но они различаются регуляторными областями генов, которые определяют, когда и сколько белка вырабатывается. Это приводит к HBA1 и HBA2, каждый из которых составляет 40% и 60% соответственно от общего количества произведенных субъединиц α. Как следствие, ожидается, что мутации гена HBA2 будут иметь более сильный эффект, чем мутации гена HBA1. Существуют также две похожие копии гена, кодирующего субъединицу γ, HBG1 и HBG2, но продуцируемый белок немного отличается, только в одной белковой единице : HBG1 кодирует форму белка с аланин в положении 136, тогда как HBG2 кодирует глицин (см. [1] ). BCL11A и ZBTB7A являются основными репрессорными белками продукции гемоглобина F, связываясь с геном, кодирующим субъединицу γ в их промоторной области. Это происходит естественным образом, когда новорожденный начинает переключаться с производства гемоглобина F на производство гемоглобина A. Некоторые генетические заболевания могут иметь место, когда мутации генов, кодирующих компоненты гемоглобина F. Мутации в генах HBA1 и HBA2 могут вызвать альфа-талассемию. и мутации в промоторных областях HBG1 и HBG2 могут привести к тому, что гемоглобин F все еще будет продуцироваться после перехода на гемоглобин A, что называется.

Продукция

Экспрессия гена гемоглобина до и после рождения, а также показаны типы клеток и органы, в которых с течением времени вырабатываются различные субъединицы (данные Wood WG, (1976). Br. Med. Bull. 32, 282. ) Рисунок последнее адаптировано пользователем Леонидом 2.

В течение первых 3 месяцев беременности основной формой гемоглобина в эмбрионе / плода является эмбриональный гемоглобин , который имеет 3 варианта в зависимости от типов субъединиц, которые он содержит. . Производство гемоглобина F начинается с 6-й недели, но только с 3-х месяцев он становится основным типом, обнаруживаемым в эритроцитах плода. Переход к выработке взрослых форм гемоглобина (по сути, гемоглобина А) начинается примерно на 40 неделе беременности, что близко к ожидаемому времени рождения. При рождении гемоглобин F составляет 50-95% гемоглобина младенца, а примерно через 6 месяцев после рождения гемоглобин А становится преобладающим типом. Ожидается, что к тому времени, когда ребенку исполнится год, пропорции различных типов гемоглобина приблизятся к уровням взрослого человека, при этом уровень гемоглобина F снизится до очень низкого уровня. Небольшая часть красных кровяных телец, содержащих гемоглобин F, называется F-клетками, которые также содержат другие типы гемоглобина.

У здоровых взрослых в состав гемоглобина входят гемоглобин A (~ 97%), гемоглобин A2 (2,2 — 3,5%) и гемоглобин F (

Определенные генетические аномалии могут вызвать переключение на взрослого синтез гемоглобина нарушается, что приводит к состоянию, известному как.

Связывание с кислородом

Факторы, влияющие на сродство к кислороду

Четыре гема, которые являются связывающими кислород частями гемоглобина , похожи между гемоглобином F и другими типами гемоглобина, включая гемоглобин A. Таким образом, ключевой особенностью, которая позволяет гемоглобину F более прочно связываться с кислородом, является наличие субъединиц γ (вместо, например, β). существующие в нашем организме молекулы могут связываться с гемоглобином и изменять его сродство связывания с кислородом. Одна из молекул — 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-BPG) , и она усиливает способность гемоглобина выделять кислород. 2 , 3-BPG гораздо больше взаимодействует с гемоглобином A, чем с гемоглобином F. Это связано с тем, что субъединица β взрослого имеет больше положительных зарядов. чем субъединица γ плода, которая притягивает отрицательные заряды от 2,3-BPG. Из-за предпочтения 2,3-BPG гемоглобину A, гемоглобин F в среднем связывается с кислородом с большим сродством.

Еще более высокое сродство к кислороду — гемоглобин Barts (четыре субъединицы γ)

Hemoglobin Barts представляет собой аномальную форму гемоглобина, вырабатываемую при гемоглобин-синдроме Бартса или большой альфа-талассемии, наиболее тяжелой форме альфа-талассемии . Альфа-талассемия — это генетическое заболевание крови и одно из наиболее распространенных заболеваний, связанных с гемоглобином, которое влияет на выработку субъединиц α из гемоглобина. В зависимости от того, сколько генов, кодирующих α-субъединицу, затронуто (от одного до четырех), у пациентов с этим заболеванием может быть снижена выработка α-субъединицы гемоглобина. Как следствие, доступно меньше гемоглобина, и это влияет на снабжение тканей кислородом. Синдром гемоглобина Бартса проявляется при удалении всех четырех генов, кодирующих субъединицу α. Это часто является фатальным для плода, несущего заболевание, так как в отсутствие α-субъединиц образуется форма гемоглобина с четырьмя γ-субъединицами, гемоглобин Бартс. Эта форма гемоглобина не подходит для кислородного обмена именно из-за своего очень высокого сродства к кислороду. Хотя гемоглобин Бартс очень эффективно связывает кислород, он не выделяет кислород в органы и ткани. Заболевание является фатальным для плода или новорожденного, если во время беременности не будет проведена ранняя диагностика и вмешательство, и ребенок будет зависеть от переливания крови на протяжении всей жизни.

Количественная оценка связывания кислорода

Чтобы количественно оценить, насколько сильно определенный тип гемоглобина связывается с кислородом (или его сродство к кислороду), часто используется параметр, называемый P50. В данной ситуации P50 можно понимать как минимальную концентрацию кислорода, необходимую для связывания с ним 50% молекул гемоглобина. Например, у гемоглобина F P50 ниже, чем у гемоглобина A. Это означает, что если у нас будет такое же количество гемоглобина F и гемоглобина A в крови и добавить к нему кислород, половина гемоглобина F свяжется с кислородом раньше, чем половина гемоглобина A. удается это сделать. Следовательно, более низкий P50 означает более сильное связывание или более высокое сродство к кислороду.

Для справки, P50 гемоглобина плода составляет примерно 19 мм рт.ст. (мера давления), тогда как гемоглобин взрослого составляет примерно 26,8 мм рт.ст. (см. Напряжение газов крови ).

Кислородный обмен в матке

Во время беременности кровеносная система матери доставляет кислород и питательные вещества к плоду и уносит обедненную питательными веществами кровь, обогащенную углекислым газом. Кровообращение матери и плода разделено, а обмен молекулами происходит через плаценту в область, называемая межворсинчатое пространство , которая расположена между кровеносными сосудами матери и плода.

Сосредоточившись на кислородном обмене, есть 3 важных аспекта, которые позволяют ему перейти из материнского кровообращения в кровообращение плода . Во-первых, присутствие гемоглобина F у плода обеспечивает более сильное связывание с кислородом, чем материнский гемоглобин (см. Раздел Почему гемоглобин F имеет высокое сродство к кислороду). Во-вторых, кровоток матери богаче кислородом, чем у плода, поэтому n естественно течет в кровоток плода путем диффузии. Последний фактор связан с влиянием pH на гемоглобин матери и плода. По мере того как материнская кровь приобретает больше углекислого газа, она становится более кислой, что способствует высвобождению кислорода материнским гемоглобином. В то же время снижение содержания углекислого газа в крови плода делает ее более щелочной и способствует поглощению кислорода. Это называется эффектом Бора или эффектом Холдейна , который также происходит при воздухообмене в легких. Все эти 3 фактора присутствуют одновременно и взаимодействуют для улучшения доступа плода к кислороду матери.

F-клетки

F-клетки представляют собой субпопуляцию эритроцитов, которые содержат гемоглобин F, среди других типов гемоглобина. Хотя это обычное явление у плодов, у нормальных взрослых только около 3-7% эритроцитов содержат гемоглобин F. Низкий процент F-клеток у взрослых обусловлен двумя факторами: очень низким уровнем гемоглобина F и его склонностью к продуцируется только в подмножестве клеток, а не равномерно распределяется среди всех красных кровяных телец. Фактически, существует положительная корреляция между уровнями гемоглобина F и количеством F-клеток, при этом пациенты с более высоким процентом гемоглобина F также имеют более высокую долю F-клеток. Несмотря на корреляцию между уровнем гемоглобина F и количеством F-клеток, обычно они определяются прямыми измерениями. В то время как количество гемоглобина F рассчитывается с использованием клеточных лизатов, которые представляют собой жидкости с содержимым вскрытых клеток, количество F-клеток определяется путем подсчета интактных эритроцитов.

Из-за корреляции между количеством гемоглобина F и F-клеток, количество F-клеток выше при некоторых наследственных нарушениях гемоглобина, включая бета-талассемию , серповидно-клеточную анемию и. Кроме того, некоторые приобретенные состояния также могут иметь более высокое количество F-клеток, например, острый эритропоэтический стресс (реакция на плохую оксигенацию, которая включает очень быстрый синтез новых красных кровяных телец) и беременность. F-клетки имеют сходную массу гемоглобина на клетку по сравнению с эритроцитами без гемоглобина F, которая измеряется средними значениями клеточного гемоглобина (MCH).

Условия с высоким гемоглобином F

Во время беременности

На ранних сроках беременности наблюдается значительное повышение уровня гемоглобина F. Однако неясно, стабильны ли эти уровни или снижаются по мере продолжения беременности, поскольку разные источники сообщают о разных результатах. Повышение гемоглобина F затем вызывает 3-7-кратное увеличение количества F-клеток у беременных женщин, которое наблюдалось между 23 и 31 неделями беременности. Однако относительно причины повышения уровня гемоглобина F у беременных женщин, похоже, нет убедительных доказательств. В то время как раннее исследование показало, что материнские эритроциты включают выработку гемоглобина F во время беременности, более поздняя литература предположила, что повышение гемоглобина F могло быть, по крайней мере частично, из-за передачи эритроцитов плода в кровоток матери. 138>

Наличие высоких уровней гемоглобина F у беременных женщин может повлиять на рост плода, поскольку эритроциты плода борются за кислород из кровотока матери. Это связано с тем, что вместо конкуренции с гемоглобином А, который имеет более слабую связь с кислородом, чем гемоглобин F, он становится конкуренцией между эмбриональным и материнским гемоглобином F, которые имеют схожее сродство к кислороду. В результате у женщин с гемоглобином F>70% от общего гемоглобина вероятность рождения плода меньше для их гестационного возраста гораздо выше, чем у женщин с

наследственной персистенцией фетального гемоглобина (HPFH)

Это редкое доброкачественное генетическое заболевание, при котором выработка гемоглобина F сохраняется после двенадцати месяцев жизни и во взрослом возрасте. В результате гемоглобин F присутствует в большем количестве эритроцитов взрослых, чем обычно. Он не проявляет симптомов и обычно обнаруживается при обследовании на другие заболевания, связанные с кровью. В этом состоянии гены, кодирующие субъединицу γ (HBG1 и HBG2), не подавляются незадолго до рождения. Это может произойти, когда в промоторной области HBG1 и HBG2 происходит мутация, препятствующая связыванию белков BCL11A и ZBTB7A. Эти белки обычно связываются и подавляют продукцию субъединиц γ, и, поскольку они не могут связываться из-за мутации, субъединицы γ продолжают продуцироваться. Есть два типа пациентов с HPFH: либо с одной нормальной копией гена и одной болезнью, либо с двумя копиями болезни. В то время как нормальные взрослые имеют менее 1% гемоглобина F, пациенты только с одним геном болезни имеют 5-30%. Пациенты с двумя копиями болезни могут иметь гемоглобин F в 100% красных кровяных телец. Поскольку другие заболевания, такие как серповидноклеточная анемия, также могут вызывать более высокий уровень гемоглобина F, иногда это может быть неправильно диагностировано.

Дельта-бета-талассемия

Дельта-бета-талассемия встречается редко. генетическое заболевание крови, при котором продукция субъединиц δ и β снижена или отсутствует. В этих случаях продукция субъединицы γ увеличивается, чтобы компенсировать потерю субъединиц δ и β, что приводит к большему количеству гемоглобина F, присутствующего в крови. Обычно у людей есть два набора генов для производства субъединиц δ и β. У людей с одним набором работающих генов симптомы не проявляются, а в редких случаях, когда поражены оба набора генов, у пациентов наблюдались только легкие симптомы.

Клиническая значимость

Лечение серповидноклеточной анемии

В 1948 году было обнаружено, что гемоглобин F облегчает симптомы серповидно-клеточной анемии. Джанет Уотсон наблюдали, что красные кровяные тельца младенцев с этим заболеванием развивались дольше и не деформировались так сильно по сравнению с клетками их матери, которые несли признаки болезни. Позже было отмечено, что пациенты с серповидно-клеточным признаком, а также наследственной персистенцией гемоглобина F (HPFH) не имели симптомов. Кроме того, у пациентов с серповидноклеточными клетками было обнаружено, что F-клетки более долгоживущие, чем не-F-клетки, поскольку они содержат гемоглобин F.

Когда производство гемоглобина плода выключается после рождения, нормальные дети начинают вырабатывать гемоглобин взрослых. (HbA). Дети с серповидно-клеточной анемией вместо этого начинают вырабатывать дефектную форму гемоглобина, называемую гемоглобин S , которая образует цепочки, заставляющие эритроциты менять свою форму с круглой. до серповидной формы. Эти дефектные эритроциты имеют гораздо меньшую продолжительность жизни, чем нормальные эритроциты (10-20 дней по сравнению с периодом до 120 дней). Они также имеют большую тенденцию к слипанию и блокированию мелких кровеносных сосудов , препятствуя кровоснабжению тканей и органов. Это приводит к так называемому вазоокклюзионному кризу , который является признаком болезни. Если гемоглобин плода остается относительно высоким после рождения, количество болезненных эпизодов уменьшается у пациентов с серповидно-клеточной анемией, и их прогноз лучше. Роль гемоглобина плода в снижении тяжести заболевания обусловлена ​​его способностью нарушать образование S-цепей гемоглобина в эритроцитах. Интересно, что, хотя более высокий уровень гемоглобина F был связан с улучшением некоторых симптомов, включая частоту болезненных эпизодов, язв на ногах и общую тяжесть заболевания, он не имел никакой связи с другими. Несколько примеров: приапизм , инсульт и системное артериальное давление. Поскольку гемоглобин F продуцируется только некоторыми эритроцитами в разных количествах, только субпопуляция клеток защищена от серповидности. Возможно, симптомы, которые не предотвращает высокий уровень гемоглобина F, весьма чувствительны к разрыву серповидных не-F-клеток.

Гидроксимочевина — химическое вещество, которое способствует выработке гемоглобина плода и уменьшает преждевременное разрушение. красных кровяных телец. Было показано, что комбинированная терапия гидроксимочевиной и рекомбинантным эритропоэтином , а не лечение одной гидроксимочевиной, дополнительно повышает уровень гемоглобина F и способствует развитию HbF-содержащих F-клеток.

Гемоглобин. F как маркер рака

Было проведено несколько исследований, оценивающих возможность использования гемоглобина F в качестве индикатора прогноза рака. Было высказано предположение, что повышенные концентрации гемоглобина F могут быть обнаружены при основных типах солидных опухолей и рака крови. Примеры включают острый лимфобластный лейкоз и миелоидный лейкоз у детей, где более высокие концентрации гемоглобина F были связаны с худшим исходом, включая более высокий риск рецидива или смерти. Другие типы рака, при которых наблюдаются более высокие уровни гемоглобина F, — это рак переходных клеток, колоректальная карцинома и различные типы бластом. Фактически, в нескольких типах бластом, включая нейробластому и ретинобластому (поражающие нервные клетки и глаза, соответственно), F-клетки были обнаружены во вновь образованных кровеносных сосудах и пространствах между опухолевыми клетками. Кластеры F-клеток также присутствовали в костном мозге некоторых из этих пациентов. Интересно, что гемоглобин F не продуцируется непосредственно опухолевыми клетками, но, по-видимому, индуцируется биологической средой рака в соседних клетках крови. Причина, предполагаемая для этого увеличения гемоглобина F, заключается в том, что он может способствовать росту рака, обеспечивая лучшее снабжение кислородом развивающиеся раковые клетки. Считается, что у взрослых повышенная продукция гемоглобина F вызывается факторами, ведущими к активации гена, кодирующего субъединицу γ, такими как деметилирование ДНК (которое может активировать обычно молчащие гены и является признаком рака. .

Ссылки

Внешние ссылки

• Гемоглобинопатии
• Транспорт через плаценту
• Американская ассоциация серповидноклеточной анемии
• SCDAA: Break The Sickle Cycle
• Синтез гемоглобина
• Структура и функция гемоглобина (архив 3 февраля 2002 г.
• Информационный бюллетень по гемоглобину F (архив 29 октября 2009 г.)
• Гемоглобин плода (файл doc, архив 30 марта 2003 г.)
• Гидроксимочевина при серповидно-клеточной анемии (заархивировано 28 декабря 2014 г. по адресу [2] )
• Глава 26 Индукция гемоглобина плода; ведение серповидно-клеточной болезни, 4-е издание, 2002 г. (Публикация NIH № 02-2117)

Источник