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 гена-предшественника, давшая начало гемоглобиновым и миоглобиновым генам. Позднее, около 500 млн. лет назад на ранней стадии эволюции позвоночных произошла дупликация, давшая начало двум (α и β) семействам глобиновых генов, сопровождавшаяся транслокацией. Примерно 200 млн. лет назад очередная дупликация привела к возникновению в семействе β-глобиновых генов β-глобинов плодов и взрослых. Около 100 млн. лет назад произошло образование ε- и γ- глобиновых генов и, наконец, 40 млн. лет назад появились δ- и β-глобиновые гены.

Глава 2. Варианты гемоглобина.

Различные варианты гемоглобина возникают вследствие различных мутаций в глобиновых генах. Чаще всего в результате единичных замен аминокислот в глобиновой цепи. На данный момент описано около 350 таких замен. Такие аминокислотные замены возникают в результате замены нуклеотида в триплете. Например, при замене тимидилового нуклеотида в триплете ЦТЦ, кодирующего глутаминовую кислоту, на адениловый, с образованием триплета ЦАЦ, кодирующего валин, происходит существенное изменение свойств гемоглобина, что приводит к серповидно-клеточной анемии. Если новая аминокислота будет отличаться по заряду от исходной,

то это приведет к изменению электрофоретических свойств полипептида. Но, если новая мутация не приведет к изменению электрофоретических свойств, то обнаружить ее удастся только лишь при существенном изменении функциональной активности молекулы и возникновении болезни. Большинство мутаций независимо от того, меняют ли они заряд молекулы или нет, не влияют на функции гемоглобина и не приводят к патологии. Как правило, аминокислотные замены, возникающие в полипептиде в участках молекулы гемоглобина, которые обращены наружу, оказывают меньшее воздействие на молекулу, чем замены в участках контакта субъединиц или присоединения гемогруппы. Замены, нарушающие нормальную спиральную структуру цепи, вызывают нестабильность гемоглобина. Замены аминокислот в участках контакта субъединиц, влияют на сродство гемоглобина к кислороду. Большинство гемоглобиновых вариантов очень редки, но лишь немногие (HbE, HbC, HbS) встречаются чаще других.

Нарушение функций гемоглобина ведет к возникновению заболеваний, известных под названием гемоглобинопатии.

Гемоглобинопатии - это группа патологических состояний, обусловленные нарушениями структуры цепей глобина - заменой одной или нескольких аминокислот в цепи глобина, отсутствие участка цепи или ее удлинением.

Существуют четыре основных типа болезней гемоглобина:

1. Гемолитические анемии, вызванные нестабильностью гемоглобина.

2. Метгемоглобинемии, обусловленные ускоренным окислением гемоглобина.

3. Эритроцитоз, вызванный нарушением сродства гемоглобина к кислороду.

4. Серповидноклеточные нарушения как следствие повреждений клеточных мембран эритроцитов гемоглобином S.

Во всех случаях, кроме серповидноклеточных нарушений, гетерозиготы страдают различными заболеваниями, то есть мутации ведут себя как аутосомно-доминантные.

Гемолитические анемии. Они вызываются нестабильными формами гемоглобина, которых известно свыше 100. В большинстве случаев мутация затрагивает β-цепь. У многих нестабильных гемоглобинов в полипептидной цепи обнаруживаются аминокислотные замены или делеции в участках связывания гема. Нестабильность может быть едва заметной, что не имеет никаких клинических последствий, до выраженной нестабильности, при которой происходит интенсивное разрушение эритроцитов. Нестабильность часто обусловлена преждевременной диссоциацией гема и глобиновых цепей. Точный диагноз может быть затруднен, особенно если не наблюдается изменений электрофоретической подвижности. В таком случае необходимо выделение глобиновых цепей для дальнейшего анализа в специализированных лабораториях. Нестабильные гемоглобины являются причиной врожденных несфероцитарных гемолитических анемий.

Метгемоглобинемия, обусловленная гемоглобином М. Известно пять различных мутаций, приводящих к образованию гемоглобина М. Собственно метгемоглобинемия обусловлена ускоренным окислением двухвалентного железа до трехвалентного. В четырех случаях образование HbМ вызвано заменой одного из гистидинов, удерживающих группу гема в его специфическом «кармане» в глобиновой молекуле и стабилизирующих железо гема в его окисленной форме, на тирозин. Пятая мутация, вызванная заменой валина в 67-ом положении β-цепи на глутаминовую кислоту, пока не может быть достаточно четко объяснена с молекулярной точки зрения. Больные с мутацией в α–цепи, вызывающими образование HbМ, страдают цианозом от рождения. При мутации в β-цепи цианоз развивается только через 6 месяцев после рождения, когда происходи замена γ–цепи на β-цепь. У больных с HbМ часто наблюдается слабый гемолиз.

Эритроцитоз, вызванный образованием гемоглобинов с нарушенным сродством к кислороду. Существует около 30 гемоглобинов с повышенным сродством к кислороду. В 11 случаях мутации происходят в месте контакта α1β1-субъединиц в тетрамере. При адсорбции кислорода происходит движение глобиновых субъединиц в месте контакта между цепями. Повышенное сродство к кислороду может быть вызвано стабилизацией «окси»-конформации или дестабилизацией «дезокси»-конформации. Большинство других гемоглобинов с высоким сродством к кислороду содержат мутации на СООН-конце β-цепи или в сайтах связывания дифосфоглицерата. В норме эти сайты обеспечивают стабильность «дезокси»-конформации.