結構和類型,結構,類型,分子遺傳學,（一）單個鹼基替代,（二）終止密碼的突變,（三）移碼突變,（四）密碼子缺失或插入,（五）融合基因,（六）其它,血紅蛋白病的分子病理與溶血機理,診斷,治療說明,
結構和類型
結構
血紅蛋白是一種結合蛋白，分子量64，000，由珠蛋白和血紅素構成。血紅素由原卟啉與亞鐵原子組成，每一個珠蛋白分子有二對肽鏈，一對是α鏈，由141個胺基酸殘基構成，含較多組氨酸，其中α87位（即F8）組氨酸與血紅素鐵的結合，在運氧中具重要生理作用。另一對是非α鏈，有β、γ、δ、ξ（結構與α鏈相似）及ε5種；後2種與α鏈、γ-鏈分別組成胚胎早期（妊娠3月以內）血紅蛋白、HbGower-1（ζ2ε2）、HbGower-2（α2ε2）、HbPortland（ζ2γ2）。β鏈含146個胺基酸殘基、β93半胱氨酸易被氧化產生混合二硫化物及其它硫醚類物質，可降低血紅蛋白穩定性。δ鏈亦由146個胺基酸殘基組成，僅10個胺基酸與β鏈不同。由於δ鏈中第22位丙氨酸置換了β22谷氨酸，第116位精氨酸置換了β116組氨酸，因此δ鏈的正電荷大於β鏈，HbA2（α2δ2）等電點升高，電泳時靠近負極。γ鏈雖由146個胺基酸組成，但與β鏈有39個胺基酸不同，且含有4個異亮氨酸，為α、β與δ鏈所缺如，因此可用分析異亮氨酸方法以測定HbF（α2γ2）含量。正常人有二種γ鏈、Gr-r136為甘氨酸，Ar-r136為丙氨酸，說明控制γ鏈生物合成的基因位點不止一個。初生時Gr與Ar的比例是3∶1，兒童和成人二者之比為2∶3。每一條肽鏈和一個血紅素連線，構成一個血紅蛋白單體。人類血紅蛋白是由二對（4條）血紅蛋白單體聚合而成的四聚體。不同類型的血紅蛋白珠蛋白結構略有不同，但血紅素均相同。
血紅蛋白病
血紅蛋白病血紅蛋白的四級結構：由胺基酸順序排列的肽鏈結構稱為血紅蛋白的一級結構。肽鏈中的胺基酸可分為親水的極化胺基酸（其側鏈為羧基、氨基），與非極化的胺基酸（其側鏈是芳香族）。肽鏈中的各種胺基酸的側鏈相互拉緊形成α螺旋，螺旋形節段間由短而非螺旋形節段相連。螺旋形節段從N端-C端分別以A-H表示，非螺旋形節段用AB、CD等表示，稱為血紅蛋白的二級結構。血紅素的鐵原子有6個配位鍵，第5個配位鍵結合在肽鏈F段第8位胺基酸上（即α鏈第87位或β鏈第92位組氨酸的咪唑基上），第6個配位鍵結合氧，並間接結合在肽鏈E段的第7位胺基酸上（即α鏈第58位或β-鏈第63位組氨酸的咪唑基上），使肽鏈圍繞血紅素為中心，構成內外二層螺旋狀蛇形盤曲的三維空間結構，稱為三級結構（圖20-12）。親水胺基酸分布於外層，使血紅蛋白能溶於水而不致沉澱；疏水胺基酸分布於內層，使水分子不能進入血紅素腔內部，避免血紅素的Fe2+氧化為Fe3+。四個血紅蛋白單體（肽鏈三級結構加血紅素），按一定的空間關係結合成四聚體，如HbA（或HbA1，α2β2）、HbA2（α2δ2）及HbF（α2γ2），稱異質型四聚體；由二對同樣的三級結構血紅蛋白單體結合成的四聚體，如HbH（β4）及HbBart（γ4），稱為同質型四聚體。以上所述四聚體為血紅蛋白四級結構。通過X線衍射研究四聚體的空間關係，發現α1β1及α2β2的接觸面較大，相互移動度較小，疏水，有利於血紅蛋白分子構型的穩定性。α1β2及α2β1接觸面小而不牢固，移動度大，有利於血紅蛋白對氧的正常攝取與釋放。四聚體解離，首先離解為α1β1及α2β2。綜上所述，血紅蛋白與分子的外表結構必需完整，帶有負電荷；α、β鏈結合部位要固定，包圍血紅素腔的胺基酸順序排列應完整，否則血紅蛋白就不能維持分子結構穩定性及正常運輸氧生理功能，並易遭破壞。
類型
正常人出生後有三種血紅蛋白：①血紅蛋白A（HbA），由一對α鏈和一對β鏈組成（α2β2），為正常人主要血紅蛋白，占血紅蛋白總量的95％以上。胚胎二個月時HbA即有少量出現，初生時占10％～40％，出生6個月後即達成人水平；②血紅蛋白A2（HbA2），由一對α鏈和一對δ鏈組成（α2δ2）。自出生6～12個月起，占血紅蛋白的2～3％；③胎兒血紅蛋白（HbF）由一對α鏈和一對γ鏈組成（α2γ2），初生時占體內血紅蛋白的70％～90％，以後漸減。至生後6月，含量降至血紅蛋白總量的1％左右。血紅蛋白的不同肽鏈是由不同的遺傳基因控制的，α鏈基因位於第16號染色體，β、δ、γ鏈基因位於第11號染色體，呈連鎖關係。α珠蛋白基因的缺失或缺陷，導致α珠蛋白鏈合成減少或缺乏，稱為α海洋性貧血。β珠蛋白基因缺陷，導致β珠蛋白鏈合成減少或缺乏，稱為β海洋性貧血。珠蛋白基因突變而致肽鏈的單個或多個胺基酸替代或缺如，導致珠蛋白分子結構改變，稱為異常血紅蛋白。全世界範圍內經結構分析證實的異常血紅蛋白日益增多，至90年代初期已達600多種，但僅不到1／3的異常血紅蛋白伴有臨床症狀。世界衛生組織估計，全球約有1．5億人攜帶血紅蛋白病基因，並已將血紅蛋白病列為嚴重危害人類健康的6種常見病之一。異常血紅蛋白病在我國以雲南、貴州、廣西、新疆等地發病率較高，現已發現異常血紅蛋白67種，包括α鏈（34種）、β鏈（26種）、γ鏈（4種）等異常，其中19種為我國首見。海洋性貧血多發於華南及西南地區。根據近10年來我國28個省市、自治區近100萬人口的普查資料，異常血紅蛋白病的發病率為0．33％，α海洋性貧血的發病率為2．64％，β海洋性貧血的發病率為0．66%。
分子遺傳學
血紅蛋白的分子遺傳變化，大致可歸納為以下6類：
（一）單個鹼基替代
由於遺傳密碼中單個鹼基替代，導致由該鹼基決定的胺基酸發生相應的變化，形成肽鏈中單個胺基酸置換的異常血紅蛋白，例如HbS、HbC等。目前發現的異常血紅蛋白中，以本類型最多見，約占90％。
（二）終止密碼的突變
因終止密碼（UAA、UAG）的變異，使珠蛋白肽鏈不在正常的位置終止，導致肽鏈延長或縮短，如Hb McKees Rock的β鏈第145位胺基酸的鹼基由UAU變為UAA（終止密碼），使β鏈提前結束，僅含144個胺基酸。又如Hb ConstantSpring α鏈第142位終止密碼UAA變為CAA，直至第173位才出現終止密碼，因此Hb Constant Spring α鏈比正常α鏈多32個胺基酸。
（三）移碼突變
如正常血紅蛋白肽鏈遺傳密碼中，嵌入或缺失1～2個鹼基，使正常三聯密碼子鹼基成分發生改變，如HbTak為β鏈第147位終止密碼UAA前插入AC，使UAA→ACU蘇氨酸，而致β鏈延長至第157位胺基酸，比正常β鏈多11個胺基酸。
（四）密碼子缺失或插入
生殖細胞減數分裂時，聯合中的染色體發生錯配或不等交換，形成兩種珠蛋白基因。一種失去一部分密碼子，合成缺失部分胺基酸的肽鏈，如HbLyon，β鏈第17-18位缺失賴、纈氨酸。另一條染色單體上卻嵌入了相應密碼子，合成插入部分胺基酸的肽鏈。又如Hb Grady α鏈第119與120間嵌入了α鏈第117～119三個胺基酸（苯丙-蘇-脯氨酸）。
（五）融合基因
減數分裂時，不同珠蛋白基因之間發生不等交換，合成融合鏈的異常血紅蛋白，如δ鏈和β鏈基因錯誤聯合，產生不等交換，形成融合基因δβ（Hb Lepore）和βδ（Hb反Lepore）。
（六）其它
由於α珠蛋白基因缺陷，使α鏈合成減少或缺如，過剩的β鏈與γ鏈形成四聚體，如β4-HbH，γ4Hb Barts；或由於β珠蛋白基因缺陷，βmRNA缺乏或轉錄、轉譯缺陷，使β鏈合成減少或缺如、導致HbA減少，而HbF、HbA2增高。上述珠蛋白肽鏈本身並無胺基酸順序的改變。
血紅蛋白病的分子病理與溶血機理
異常血紅蛋白病種類繁多，臨床症狀多樣化，但歸納其結構變異所導致功能異常，大致可分為以下數類：
1．因分子內部胺基酸替代所產生的異常血紅蛋白，血紅蛋白分子內部為非極性胺基酸，在血紅蛋白分子中構成血紅素與珠蛋白鏈的接觸，肽鏈螺旋段間的接觸及血紅蛋白單體間的接觸，如被不同理化性質的胺基酸替代，會影響分子的構型和穩定性。此類異常血紅蛋白包括血紅蛋白M（HbM），不穩定血紅蛋白（UHb）和氧親和力改變的血紅蛋白。
（1）HbM：肽鏈中與血紅素鐵原子連線的組氨酸被酪氨酸所替代，最常見的是E7或F8的組氨酸為酪氨酸所替代，酪氨酸酚基上的氧與血紅素的鐵原子構成離子鍵，使鐵原子呈穩定的高鐵狀態，影響血紅蛋白的正常釋氧功能，使組織供氧不足，出現紫紺及紅細胞增多。高鐵血紅素並易與珠蛋白鏈分離，使血紅蛋白分子結構不穩定而發生溶血。
（2）UHb：肽鏈中與血紅素緊密結合的胺基酸發生替代或缺失，影響肽鏈的立體結構或減弱與血紅素的結合力，形成UHb分子。水易進入血紅蛋白袋內，使亞鐵血紅素氧化為高鐵血紅素；β第93位半胱氨酸的硫氫基被氧化，產生硫化物，形成硫化血紅蛋白，使珠蛋白鏈與血紅素分離。游離珠蛋白鏈在37℃即不穩定，四聚體易解離為單體，在紅細胞內聚集沉澱，形成包涵體，使細胞膜僵硬，通過微循環時往往導致膜部分喪失，最終變為球形紅細胞，在脾臟阻留而破壞。?蛋白種類很多，一般均對分子構型、功能和穩定性沒有明顯影響。HbE是β鏈第26位谷氨酸被賴氨酸替代。因谷、賴兩種胺基酸理化性質相同，其替代位置雖在α1β1接觸面上，但對血紅蛋白分子的穩定性和功能影響不大。這類異常血紅蛋白中少數可產生溶解度改變，如HbS和HbC均由於其分子外部形狀或電荷改變，缺氧時溶解度降低；HbS聚合為螺旋狀體，扭曲成鐮刀形纖維；而HbC聚合為一種副結晶；兩者均使細胞膜變硬，難以通過微循環，喪失部份紅細胞膜，形成球形紅細胞，在脾竇內阻留溶破。
β-海洋性貧血患者，過剩的α肽鏈形成多聚體，引起紅細胞膜損害，致使大量幼紅細胞無效生成。α海洋性貧血，過剩的β及γ鏈形成HbH（β4）或HbBart（γ4）。HbH是一種不穩定血紅蛋白，HbH包涵體結合在紅細胞膜上，使膜對陽離子通透性發生改變，鉀鹽與水逐漸從紅細胞內滲透至細胞外。缺鉀紅細胞壽命縮短，易在單核／吞噬細胞系統破壞，導致溶血。Hb Bart對氧親和力增高，造成組織缺氧。
診斷
我國北京、上海等大城市已建立先進的基因診斷技術，對多種遺傳血液病如血友病，α海洋性貧血、β-海洋性貧血、異常血紅蛋白病等成功地進行了基因診斷和產前基因診斷：
1．常用基因診斷方法為抽提全血、乾紙片血、羊水細胞、絨毛細胞DNA作DNA點雜交，適用於診斷基因缺失的遺傳病，如α海洋性貧血病人α珠蛋白基因不同程度的缺失。
2．限制性內切酶酶譜法，適用於診斷基因突變改變了限制酶切點或DNA缺失而改變酶解片段大小長短的遺傳病。
3．限制性片段多態性分析（RFLP），RFLP按孟德爾方式遺傳，如某種遺傳病基因與特異的RFLP緊密相連，即可將這一多態片段作為"遺傳標記"，通過RFLP連鎖分析推測該家庭成員和胎兒是否攜帶遺傳病基因，RFLP連鎖分析適用於診斷任何一種單基因遺傳病。
4．寡核苷酸雜交是一種直接基因診斷技術，對於基因突變部位的鹼基序列已查明的遺傳病，均可以直接檢測和鑑定其突變的基因。
5．聚合酶鏈反應（PCR）DNA體外擴增，此種高效DNA分析技術可以直接通過PCR產物的電泳分析進行基因診斷，適用於診斷基因缺失或部分DNA缺失所致的遺傳病。
6．對非缺失型突變基因可結合限制酶切位點的改變，如與RFLP位點相連鎖，則可用限制酶消化PCR擴增產物，直接電泳分析，不需套用基因探針進行分子雜交，大大簡化實驗操作，使基因診斷可在半天內完成。
