Hemoglobinin Moleküler Yapısı
Şeyma BULUT - Biyoteknoloji Yüksek Lisans, Bezmialem Vakıf Üniversitesi
İnsanların temel hücre tipi olan eritrositler, hematopoetik organlarda ortaya çıkan eritropoez adı verilen bir süreçle üretilmektedir. Eritrositler hücresel solunum için gerekli olan oksijeni dokulara taşıyan tek hücre türü olması sebebiyle organizma için önem taşımaktadır. Tek bir eritrosit içinde on milyon hemoglobin (Hb) molekülü bulunmaktadır ve her bir hemoglobin molekülünün molekül ağırlığı 64 kDa'dır. Hb, her biri bir hem grubuna bağlı iki α- benzeri ve iki β- benzeri globin zincirinden oluşan bir tetramerik proteindir (Resim 1) [1].
Hemoglobin primer, sekonder, tersiyer ve kuarterner yapıları ile tanımlanmaktadır. Aminoasit dizilimi hemoglobinin primer yapısını belirlemektedir. Primer yapısı ise helikal yapı ve sekonder yapılarını belirleyen yapıdır. Hemoglobinin globin zincirlerinde primer yapısında farklılık görülürken sekonder yapıları benzerlik göstermektedir [2].
Erişkin hemoglobinde normal durumlarda %97 oranında Hb A, %2 Hb A2, %1’den daha az ise Hb F bulunmaktadır. Hemoglobin A’da 141 aminoasit içeren α- zincir ve 146 aminoasit içeren β- zincir yapısı görülmektedir. Hb A2 δ- zinciri ise 146 aminoasit içermektedir. Fetal ve erken postnatal dönemlerinde predominant hemoglobin olan Hb F görülmektedir. Hb F de β- ve δ- zincirlerinde olduğu gibi 146 aminoasit dizisi bulunmaktadır (Resim 2) [2].
Doğumdan sonraki dönemler için Hb F gittikçe azalarak ilk 1 yıl içerisinde oran %1 veya daha altına düşmektedir. β- zincir sentezi gittikçe artarak doğum ile birlikte sentez hızının artarak ilk 1 yıl içerisinde de erişkin düzeye ulaştığı düşünülmektedir. β- zinciri gebeliğin 8-12 haftalarında dolaşımda görmek mümkündür [2].
Hemoglobinin α- ve β- benzeri homodimerlerini oluşturan globin gen ailesi; birtakım duplikasyon ve dizi sapmaları sebebiyle yaklaşık 800 milyon yıl önce atasal miyoglobin geninden evrimleşmektedir. İki gen ailesi ise birbirinden 450 milyon yıl önce α- ve β- globin kümeleri olarak ayrılmıştır (Resim 3) [1].
2.1.1. Alfa-globin Gen Ai̇lesi̇
α-globin gen ailesi, 16. kromozomun (16p.13.3) kısa kolu üzerinde yer almaktadır ve telomere çok yakın bir bölgede bulunmaktadır (yaklaşık 150 kb). α-globin gen ailesi, embriyonik bir gen (ζ2), üç psödogen gen (ψζ1, ψα1, ψα2), bilinmeyen fonksiyona sahip bir gen (θ1) ve iki kopyalı α-geni (α2 ve α1) içermektedir (Resim 4). Bunların ekspresyonu 5'-ζ2-ψζ1-ψα2-ψα1-α2-α1-3' şeklinde düzenlenmektedir ve yaklaşık 30 kb uzunluğundadır (Bowden ve ark., 1992; Brittain, 2002; Higgs, 2004). ζ2- ve α-globin genleri birbirinden yaklaşık 300 milyon yıl önce ayrılmıştır ve %59 oranında aminoasit benzerliği göstermektedir. α2- ve α1- genleri birbiriyle yaklaşık %99 oranında benzerlik göstermektedir. Sadece kodlanmayan sekanslarının farklı olmasından dolayı aynı proteinleri sentezlemektedirler (intron 2 ve 3’-UTR). α-globin gen ailesinden kodlanan polipeptit zinciri 141 amino asit uzunluğundadır [1, 5].
2.1.2. Beta-globin Gen Ai̇lesi̇
β- globin gen ailesi, 11. kromozomun (11p15.5) kısa kolunda bulunmaktadır . β- globin gen ailesi 6 yapısal gen içermektedir: bir embriyonik gen, ε-; iki fetal gen, A γ- ve G γ-; bir psödogen, ψβ-; minör ve major geni; δ- ve β-globin genleri. Genler ekspresyon sırasında α-globin gen ailesine benzer şekilde dizilenir: 5’-ε-Aγ-Gγ-ψβ-δ-β-3’ ve 70 kb uzunluğundadır (Resim 5) (Ho ve Thein 2000, Brittain, 2002; Stamatoyannopoulos, 2005). ε-globin geninden kodlanan polipeptit zinciri, β- globin zinciri ile %75 amino asit benzerlik göstermektedir. γ-globin genleri çift olarak bulunur ve ürünleri bir amino asit tarafından birbirinden farklıdır: Gγ-globin, α-globin zincirinde alanin ile yer değiştirirken, kodon 136'da glisin sentezler. En özdeş globin zinciri δ- globin geni tarafından sentezlenir ve β- zinciri ile % 93 amino asit benzerliği gösterir. Bu nedenle, δ-globin geni, β- globin geninin en yakın benzerliği olarak kabul edilir. β- globin gen ailesinden üretilen polipeptit zinciri 146 amino asit uzunluğundadır [1].
β- Lokus Kontrol Bölgesi (β- Locus Control Region, β-LCR), β- globin gen kümesinin yukarı yönünde yer alan pozitif yönde düzenleyici unsur olarak tanımlanmaktadır (Thein, 2004; Thein 2005b, Stamatoyannopoulos, 2005). ε-globin geninin 6-20 kb yukarısında hipersensitif bölgelerden (Hypersensitive sites, HS) (sırasıyla HS5 ve HS 1-4) oluşan dört eritro-spesifik DNaseI bulunur. β-LCR'nin hipersensitif bileşenlerinin her biri eritro-spesifik transkripsiyon faktörleri için bağlanma bölgelerini temsil eden korunmuş çoklu kopyalarını içerir; EKLF, GATA-1 ve NF-E2 / AP1 [7, 8].
β- LCR, kromatin dengesizliği durumunda bir yol başlatarak eritroid farklılaşması sırasında β- globin kümesinin etrafında bir ökromatin yapı oluşturur. Bir başka HS ise β- globin geninin yaklaşık 20 kb aşağısında bulunur. Bu iki HS β- globin gen kümesinin sınırını belirlemek üzere yol gösterirler (Şekil 5) [9].
β- globin geni; globin gen ailesinin 3’ ucunda bulunur ve yetişkin dönemde baskın olarak ifade edilmektedir. Globin gen ailesindeki diğer genler gibi yaklaşık 1.8 kb’i kapsayan 3 ekson ve 2 introndan oluşmaktadır. β- globin geninin ilk eksonu 1-30 aminoasitlerini; ikinci eksonu 31-104 aminoasitlerini; üçüncü eksonu ise 105-146 aminoasitlerini kodlamaktadır. αβ dimer oluşması ikinci ekson tarafından; αβ zincirlerinin heme bağlanma bölgeleri ise üçüncü ekson tarafından kodlanmaktadır [1]. 5’-UTR ve 3’-UTR’de bulunan promotör bölgesi β- globin geninin ekspresyonu ve regülasyonu için korunmuş önemli dizilere sahiptir.
Promotör bölgenin korunmuş sekansları sırasıyla -28 ile -31 ve -72 ile -76 arasında bulunan TATA ve CCAAT kutularıdır. TATA kutusu; transkripsiyon kompleksinin oluşturulduğu ve gen fonksiyonunun etkilendiği bölgedir. Ek olarak -86 ile -90 ve -101 ile -105 arasında konumlandırılmış olan transkripsiyon verimliliğini etkileyen iki eritro-spesifik CACCC dizisi bulunmaktadır. CCAAT kutusu ve CACCC dizisi transkripsiyon etkinliğini artıran unsurlardır. 5’-UTR, transkripsiyon başlangıç bölgesi ve başlatma kodonu (ATG) arasında 50 nükleotid içerir. 5'-UTR'de iki önemli korunmuş dizi vardır: +8 ile +13'te bulunan CTTCTG ve 5 'UTR'nin 3' ucunda yer alan CACCATG dizisi. 3'-UTR, transkripsiyon sonlandırma kodonu (TAA) ve poli A kuyruğu arasındaki bölgeyi kapsayan 132 nükleotitten oluşur. 3'-UTR'deki korunmuş sekans ise poli A kuyruğuna doğru 20 nükleotid içeren AATAAA (N20) GC'dir. Bu dizi 3’ bölgesi; pre-mRNA'nın bölünmesini ve olgun mRNA’nın poli A kuyruğuna eklenmesini sağlar. Bu korunmuş sekanların β-globin gen ekspresyonundaki önemi; β-talasemiye neden olan mutasyonların tanımlanması ile aydınlatılmıştır [7]; Stamatoyannopoulos, 2005)[11].
Hemoglobinopatilerde en zararlı mutasyonlar β- globin geninde meydana gelmektedir (Harteveld ve Higgs, 2010; Viprakasit, 2013)[3, 4].
Kaynakçalar
1. Brittain, T., Molecular aspects of embryonic hemoglobin function. Molecular aspects of medicine, 2002. 23(4): p. 293-342.
2. Polat, G., et al., HEMOGLOBİNİN YAPISI VE İŞLEVİ.MERSİN ÜNİVERSİTESİ TIP FAKÜLTESİ DERGİSİ, 2012. 1(1): p. 71-77.
3. Viprakasit, V., Alpha thalassemia syndromes: from clinical and molecular diagnosis to bedside management. EHA Hematol Educ Program, 2013. 7: p. 329-338.
4. Harteveld, C.L. and D.R. Higgs, α-thalassaemia.Orphanet journal of rare diseases, 2010. 5(1): p. 13.
5. Albitar, M., et al., Developmental switch in the relative expression of the alpha 1-and alpha 2-globin genes in humans and in transgenic mice. 1992.
6. Farashi, S. and C.L. Harteveld, Molecular basis of α-thalassemia. Blood Cells, Molecules, and Diseases, 2018. 70: p. 43-53.
7. Ho, P.J. and S. Thein, Gene regulation and deregulation: a β globin perspective. Blood reviews, 2000. 14(2): p. 78-93.
8. Fang, X., et al., Synergistic and additive properties of the beta-globin locus control region (LCR) revealed by 5′ HS3 deletion mutations: implication for LCR chromatin architecture. Molecular and cellular biology, 2005. 25(16): p. 7033-7041.
9. Thein, S.L., Genetic insights into the clinical diversity of β thalassaemia. British journal of haematology, 2004. 124(3): p. 264-274.
10. Thein, S.L., Molecular basis of β thalassemia and potential therapeutic targets. Blood Cells, Molecules, and Diseases, 2018. 70: p. 54-65.
11. Stamatoyannopoulos, G., Control of globin gene expression during development and erythroid differentiation. Experimental hematology, 2005. 33(3): p. 259-271.