Human hemoglobin and hemoglobin switching

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ヒトヘモグロビン

ヒトヘモグロビン †

ヒトの正常ヘモグロビンは, 全部で5種類存在する. 胎児期から出生後にかけ時期の進行につれてα鎖様ポリペプチドを2種類, β鎖様ポリペプチドのものは4種類を次々に産生し, ポリペプチドのテトラマーとして構成されるためである.

ヘモグロビンスイッチ(hemoglobin switching)は脊椎動物全般によく保存された機構であり, 発達による酸素要求度の変化に対応してヘモグロビン構造を変化させていく.

血流で酸素を捕らえ運搬するための主要なタンパクである成人ヘモグロビン分子は2個のα-likeと2個のβ-likeサブユニットからなる四量体(tetramer)を構成している.(右図)

正常成人ヘモグロビンパターン

HbA; adult hemoglobin (2 α鎖と2 β鎖 [α2/β2]) 95 - 98 %

HbA2; adult hemoglobin minor component (2 α鎖と2 δ鎖 [α2/δ2]) 2 - 3 %

HbF; fetal hemoglobin (2　α鎖と2 γ鎖 [α2/γ2]) 1% 未満

これらのタンパク質は, ２つのクラスターからなる globin遺伝子群によりコードされ, β-like globinはchromosome 11に, α-like globinはchromosome 16に局在している.

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globin 遺伝子 †

ヘモグロビンタンパク質は, ２つのクラスターからなる globin遺伝子群によりコードされ, β-like globinはchromosome 11に, α-like globinはchromosome 16に局在している.

α鎖様構造遺伝子は, 5'(頭側)から3'(尾側)にかけ ζ, α2, α1の順で並び, β構造遺伝子は11番染色体上にε, Gγ, Aγ, δ,βの順にならんでいる.

β-like globin locusには5個のDNase I高感度サイトから構成されるlocus control region(LCR)が含まれ, 高レベルのβ-like globin 遺伝子発現のための強力なエンハンサーとして機能している.*1

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hemoglobin switching †

胚(胎生6週まで)の卵黄嚢yolk sac造血期には有核赤血球が, α鎖様として ζ鎖を, β鎖様としてε鎖を産生し, Hb Gower-1(=ζ2ε2)をつくる.
最初のglobin構造スイッチは,赤芽球造血の場が卵黄嚢より胎児肝に変化する受胎12週におこる.
embryonic formのglobin産生は下方制御され, α鎖とγ鎖からなるfetal hemoglobin(胎児性ヘモグロビン)に置換されていく.
胎生17週にはζ-globinは1%の赤芽球造血細胞に発現しているだけになる.
第2のスイッチは, おおよそ出生6週におこる. 胎児性γ-globinは減少し, α鎖およびβ鎖より構成される, 成人ヘモグロビン(HbA)に置換されていく. また赤芽球造血の場所は骨髄になる.
2歳時には, 正常人のほとんどではfetal hemoglobin(HbF)は全ヘモグロビンの1%未満となっている. しかしHbF量の変動は普通に認められる.

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HbE(ζ2ε2) HbF(α2γ2) HbA(α2β2)
Embryonic hemoglobin Fetal hemoglobin Adult hemoglobin

胎児期になると肝 → 脾がα様鎖としてα鎖を, β様鎖としてγ鎖とわずかなβ鎖を産生, もっぱらHbF=α2γ2を作る.

出生がちかずく妊娠30週ころにはγ鎖産生が衰え, かわってβ鎖生成が増加し出生を境にβ様鎖産生がγからβにスイッチする. 同様に,β鎖様の構造遺伝子δが作動開始し, わずかであるがδ鎖を生成し始める(HbA2). HbA2は出生後の時期に特有のヘモグロビン

以上からヒトは出生時の血液ヘモグロビンとして HbA=α2β2(97% 主成分), HbF=α2γ2(微量成分 0.3-1.0%), HbA2=α2δ2(微量成分 2-3%)の3種類を有している.

新生児は胎児期のHbFを続けて持ち続け, 出生直後はHbFは78-11%と高く, 1歳時に5-3%に下がり, 3-5歳になり成人の含量である<1%となる.

サラセミアではHbAをうまくつくれず胎児期ヘモグロビン産生を思い出し, β様鎖産生スイッチを部分的に過去にもどし, HbFを盛んに産生したり, HbA2産生を増やすことがある.

γ鎖はN末端にGlyを持つ点でβ様鎖のなかでもきわだった特徴をもつ. ほかのβ様鎖N末端はすべてValである.
γ鎖がα鎖と四量体を作りHbFになると酸およびアルカリに対し強い抵抗性をもつ; HbFはアルカリ抵抗試験により他のHbA, A2など変性しやすいものと分離することが可能である.

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骨髄赤芽球のHbF発現 †

Choi JW, et al. Significance of fetal hemoglobin-containing erythroblasts (F blasts) and the F blast/F cell ratio in myelodysplastic syndromes.
Leukemia. 2002 Aug;16(8):1478-83.PMID:12145688

Iwasaki T, et al. Characterization of myelodysplastic syndrome and aplastic anemia by immunostaining of p53 and hemoglobin F and karyotype analysis: differential diagnosis between refractory anemia and aplastic anemia.Pathol Int. 2008 Jun;58(6):353-60.PMID:18477214

MDS症例のHbF発現.