Embrionalne hemoglobiny człowieka

A C T A U N I V E R S I T A T I S L O D Z I E N S I S FOLIA BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA 1, 1981

Justyna H r y n i e w i c z , Roman Go n d k o

EMBRIONALNE HEMOGLOBINY CZŁOWIEKA

Praca przedstawia postępy badań na temat ilości i budowy hemoglo­ bin embrionalnych u człowieka. Na podstawie licznych doniesień, opubli­ kowanych w ostatnich latach, stwierdzono, że w rozwoju osobniczym człowieka występują hemoglobiny embrionalne, t j . Hb Gower 1, Hb Gower 2, Hb Portland oraz dwa rodzaje hemoglobin płodowych HbF, HbFj i trzy hemoglobiny typu dojrzałego. Omówiona została ich ilość, budowa chemiczna i poznane właściwości fizykochemiczne z uwzględnieniem powi­ nowactwa tlenowego, ze szczególnym zwróceniem uwagi na hemoglobiny em­ brionalne. Przedstawiono także rozwój krwinki czerwonej i zależność pomiędzy rodzajami syntetyzowanej hemoglobiny a miejscem erytropoezy.

WSTĘP

Wymiana gazowa pomiędzy tkankami a środowiskiem jest podsta­ w ową fizjologiczną funkcją hemoglobiny (Hb), która stanowi ponad

90% białek erytrocytów człowieka [48, 49].

Po 22 latach od chwili rozpoczęcia badań rentgenograficznych w 1959 r. P e r u t z i wsp. [44] otrzymali trójwymiarową mapę gęstości elektronowej hemoglobiny, co pozwoliło na ustale­ nie, że w skład cząsteczki tego białka wchodzą dwa łańcuchy po- lipeptydowe a i dwa łańcuchy polipeptydowe (3 . Cząsteczka h e ­ moglobiny ma więc budowę tetrameryczną o ogólnym wzorze a2 |32

[45, 46].

Transport tlenu przez hemoglobinę zależy od specyficznej w ł a ­ sności żelaza grupy prostetycznej (hemu). Żelazo to jest zdolne

do odwracalnego wiązania tlenu. Procesowi przyłączania tlenu czą­ steczkowego nie towarzyszy utlenianie metalu [5].

Na łamach "Postępów Biochemii" i "Zeszytów Naukowych UŁ" przedstawiono szereg szczegółowych opracowań dotyczących budowy i funkcji hemoglobin [14, 15, 36, 42, 43].

Niniejszy artykuł poświęcono natomiast omówieniu własności hemoglobin fizjologicznych występujących w rozwoju człowieka ze szczególnym uwzględnieniem najmniej poznanych hemoglobin embrio­ nalnych.

RODZ A J E LUDZKICH HEMOGLOBIN

W rozwoju osobniczym człowieka wyróżnia się trzy charaktery­ styczne okresy syntezy hemoglobin. W pierwszym etapie zarodek syntetyzuje tzw. hemoglobiny embrionalne, t j . Hb Gower 1, Hb Gower 2, Hb P o r t l a n d [27] (rys. 1).

Są to główne hemoglobiny fizjologiczne okresu zarodkowego. Oprócz nich w niewielkiej ilości występuje hemoglobina płodowa HbF (a., która jest główną frakcją okresu drugiego. U d w u ­ miesięcznego zarodka o długości ciemieniowo-krzyżowej (c r) rów­ nej 50 mm ilość HbF wynosi już 50% ogólnej ilości hemoglobin

[28] .

W pierwszym okresie życia zarodka stwierdzono ponadto w y s t ę ­ powanie HbA ( a2 |32 > w ilości 5-10% ogólnej ilości hemoglobin

[32]. Ta forma hemoglobiny jest charakterystyczna dla okresu trzeciego pozapłodowego - dorosłego (adult). W ósmym tygodniu cią­ ży (zarodki powyżej 50 mm długości CR) jej ilość nie przekra­

cza 10% i utrzymuje się na tym poziomie do trzydziestego-trzy-

dziestego szóstego tygodnia ciąży [1, 20].

Hemoglobiną dominującą w drugim etapie rozwoju, t j . w okre­ sie płodowym, jest jak wspomniano HbF (foetal). W trzydziestym tygodniu ciąży stanowi ona ok. 90% ogólnej ilości hemoglobin. W miarę dalszego wzrostu płodu jej wartość spada z jednoczesnym wzrostem ilości HbA z 10 do 30% [11, 60]. Prawdopodobnie, zda­ niem niektórych autorów, we krwi płodowej znajdują się też n i e ­ wielkie ilości Hb-Bart's ( j^4 ) [51] .

W chwili urodzenia (40 tydzień ciąży) krew noworodka zawiera ok. 30-40% i 60-70% HbF. Stosunek ten jednakże w czasie dalsze­ go rozwoju ulega zmianie. U noworodków stężenie HbF ^szybko spa­ da, tak że w szóstym miesiącu życia jej zawartość wynosi 10%, a w pierwszym roku stanowi ona zaledwie 2% ogólnej ilości h e moglo­ bin. Równocześnie .obserwuje się wzrost HbA do 80% i pojawienie się hemoglobiny H b A2 ( ó2 ) w ilości 2,5%.

100 § 50

-f

. — - — ,

■

\ A

N

Rys. 1. Procentowa zawartość łańcuchów polipeptydcwych hemoglobin występują­ cych w rozwoju człowieka [39]

Percentage of human hemoglobin pollpeptide chains present in human developm-ent [39]

Pourcentage des chaines polypeptidiąues des h^moglobines pendant 1 'ontogen^se [39]

Dzięki zastosowaniu nowoczesnych technik rozdziału (elektro­ foreza, chromatografia kolumnowa) ostatnio wykryto szereg fi­ zjologicznych hemoglobin, co spowodowało ponowny wzrost zaintere­ sowania tymi białkami.

HEMOGL O B I N Y EMBRIONALNE

Pierwsze doniesienie o wykryciu hemoglobin embrionalnych p o ­ chodzi z roku 1954, kiedy to D r e s c h e r i K t t n z e r

[12] stwierdzili, że hemolizaty embrionów charąkteryzuje pośred­ nie tempo denaturacji alkalicznej w stosunku do tempa denatura- cji HbA c z y HbF. Hemoglobiny te obdarzono nazwą hemoglobin e m ­ brionalnych HbU (Uterine). Odkrycie to zostało potwierdzone przez H a l b r e c h t a [16], Z i l l i a c u s a [65], K a 1- t s o y a [32] i H u e h n s a [7], którzy wykazali, że frakcje hemoglobiny 12- 20-tygodniowych płodów wędrowały wolniej podczas elektroforezy na bibule w buforze barbituranowym (pH 8,6) niż hemoglobina HbA czy HbF.

Hb - Gower i Hb - Gower 2 Start

Rys. 2. Rozdział elektroforetyczny hemolizatu embrionalnego na żelu skrobio­ wym. Bufor Tris-EDTA-boranowy, pH 8,6

Starch gel elektrophoresis patterns of human embryonic hemolyzates. Buffer system Tris-EDTA-borate, pH 8,6

Separation electrophoretiąue de ITiemolysate embryonnaires sur gel d'amidon. Tempon Tris-EDTA-borate, pH 8,6

Szczegółowe badania ustalające własności tych białek podjął H u e h n s [22]. Dla okresu embrionalnego człowieka wyróżnił on dwie hemoglobiny, tzw. Hb-Gower 1 i Hb-Gower 2 [23-25] , w y ­ kazując że wymienione hemoglobiny różnią się swymi właściwościa­ mi fizykochemicznymi od właściwości poznanych do tej pory hemo­ globin. Do badań tych użyto hemolizatu krwi embrionalnej pob i e ­ ranej w ilości 0,1 ml. przez kaniulację żył pępowinowych zarod­ ka. Hemolizat ten następ ie poddano elektroforezie na żelu skro­ biowym w różnych układach buforowych [24] . Zaobserwowano [41],

że w przypadku użycia buforu Tris-EDTA-baron CpH 8,6) ujawniły się cztery frakcje hemoglobinowe (rys. 2).

Po rozdziale obliczono ich procentową zawartośd w zależności od wieku zarodka (tab. 1). Największy procent hemoglobin embrio­ nalnych stwierdzono u najmłodszych zbadanych embrionów, a w m i a ­ rę wzrostu płodu zawartości ich maleją. U embrionów o długości CR 65-85 mm (70-80 dzień ciąży) białka ^e występowały w ślado­ wych ilościach a w 90 dniu ciąży (CR 100 mm) były nieobecne.

T a b e l a 1 Procentowa zawartość hemoglobin embrionalnych [24]

Percentage of human embryonic hemoglobins [24] Pourcentage des hśmoglobines embryonnaires [24]

Przybliżony czas ciąży Długość CR mm Hb-Gower 2 % Hb-Gower 1 % A 42,0 37 +1 dzieri ciąży 16,3 * • 24,0 39 " " 18,2 * 17,0 42,0 41 21,3 24,0 27,0 25,0 13,0 24,0 34,0 16,0 17,0 46,0 1,7 20,0

Ok. 2 miesiąc ciąży 50,0 1,3 5,0

63,0 0,5 3,4 65,0 + 1,0 66,0 + + l 68,0 + + 70,0 + +

Ok. 2,5 miesiąc ciąży 85,0 + +

90,0 -

-3 miesiąc ciąży (90 dni)

100,0 — “

(+) - w przybliżeniu 1%, (+) - ślad, (-) - brak występowania, * - lite­ ratura poz. [18] .

Na uwagę zasługuje fakt, że we krwi wszystkich przebadanych embrionów bez względu na wiek Hb-Gower 1 w porównaniu z Hb-Go­ wer 2 występowała w przewadze.

Po elucji z żelu skrobiowego poszczególne frakcje poddane zo­ stały dalszym badaniom. W toku tych analiz H u e h n s [24] stwierdził, że Hb-Gower 2 zbudowana jest z czterech łańcuchów po- lipeptydojrfych, tj. pary a łańcuchów połączonych z parą ko m ­ plementarnych łańcuchów różniących pię od dotąd poznanych łańcu­ chów (3, y , 6 więcej niż jedną resztą aminokwasową. Łańcuchy te nazwano £ (epsilon), stąd wzór Hb-Gower 2 ma postać <x2 £2 [24]. Obecność a A łańcuchów potwierdzono po dysocjacji H b - G o ­ wer 2 na podjednostki i rekombinacji z HbH ((3^) [12, 38] . W w y ­ niku rekombinacji uzyskano frakcję HbA uprzednio nieobećną w r o z t w o r z e .

Sporządzono też mapę peptydową Hb-Gower 2, którą porównano z mapami peptydowymi HbA i HbF. Porównanie to dostarczyło następu­ jących wniosków. Po pierwsze potwierdziło istnienie w cząstecz- ce Hb-Gower 2 łańcucha a . Po drugie wykazano różnicę w skła­ dzie aminokwasowym pomiędzy łańcuchem £ a poznanymi łańcuchami (3 i j. W zakresie pH 7 , 4 - 8,6 ruchliwość elektroforetyczna Hb- -Gower 2 nie ulega zmianie i frakcja ta umiejscawia.się w po­ równaniu z Hb-Gower 1 bliżej katody [47, 5'5] . Hb-Gower 2 w y k r y ­ to W niewielkich ilościach (0,1-0,7%) w erytrocytach przedwcześ­ nie urodzonych płodów z zespołem Trisomii [24].

Przeprowadzono także hybrydyzację Hb-Gower 1 z HbH (|3*) nie stwierdzając w tym przypadku pojawiania się HbA, natomiast Hb- -Gower 1 ulegała precypitacji [13] . Wydaje się, że hemoglobina ta nie zawiera w swej cząsteczce a łańcuchów. Wszystkie bowiem hemoglobiny zawierające ten łańcuch w podobnym doświadczeniu for­ mowały HbA. Prawdopodobnie Hb-Gower 1 to tetramer zbudowany ty­ lko z jednego rodzaju łańcucha np. E .. Przyjmując takie założę-A nie podczas hybrydyzacji Hb-Gower 1 z hemoglobiną zawierającą a łańcuch (np. HbF) powinien powstać tetramer typu Ot^ tj. Hb--Gower 2. Doświadczenie hybrydyzacji wykonał H u e h n s po wcześniejszym oddzieleniu Hb-Gower 1 od Hb-Gower 2 na kolumnie

z karboksymetylosefadeksem G-50 [24]. Hybrydyzacja Hb-Gower 1 doprowadziła do utworzenia frakcji migrującej z szybkością rów­ ną szybkości Hb-Gower 2. Wynik ten sugeruje, że Hb-Gower 1 za­ wiera łańcuchy polipeptydowe o takim samym ładunku jak i nie- a

łańcuchy Hb-Gower. 2. Hemoglobiny nie posiadające w cząsteczce łańcuchów a , np. Hb (3^, i Hb ^ , w ę drują zawsze szybciej

w kierunku anody niż hemoglobiny zbudowane z par różnoimiennych łańcuchów. Podobne właściwości wykazała Hb-Gower 1, która w ę ­ drowała szybciej w kierunku anody niż Hb-Gower 2.

W pH 8,6 hemoglobina ta wędruje wolniej od HbC, w pH 7,6 u- mlejscawia się pomiędzy frakcjami HbC i HbA. Fakty te potwier­ dziły przypuszczenie, że Hb-Gower 1 zbudowana jest wyłącznie z łańcuchów £ (£^) i nie zawiera łańcuchów a . Niestety ilość hemolizatu (Hb-Gower 1) otrzymana z jednego zarodka była n i e w y ­ starczająca do przeprowadzenia innych badań (finger-printing, wyznaczanie ciężaru cząsteczkowego, punktu izoelektrycznego itp.)

[21]. Założenie, że Hb-Gower 1 to tetramer zbudowany tylko z £ łańcuchów sugeruje, iż we wczesnych etapach lozwoju zarodka ilość a łańcucha powinna być mniejsza od ilości wszystkich pozosta­ łych łańcuchów ((3 i j ) .

Jest charakterystyczne dla rozwoju embrionalnego hemoglobin, że łańcuchy £ zostają u dwumiesięcznego zarodka [CR 5 cm] za­ stąpione przez f łańcuchy.

Obecność hemoglobin A i F we wczesnym etapie rozwoju ludzkie­ go zarodka świadczy o równoległej syntezie łańcuchów a , (3 i •y , oczywiście w znacznie mniejszych ilościach w stosunku do i- lości syntetyzowanych łańcuchów £. W 1967 r. C a p p, R i-g a s , J o n e s wykazali istnienie trzeciej hemoglobiny em­ brionalnej Hb-Portland [8]. Jest to tetramer o ciężarze cząste­ czkowym 66 000, zbudowany z pary y łańcuchów oraz pary łańcu­ chów oznaczonych wówczas jako x . Początkowo Hb-Portland 1 w y ­ kryto w hemolizacie nowo narodzonych niemowląt z wrodzonymi róż­ norodnymi anomaliami np. Trisomią D^, a także we krwi u samoist­ nie poronionych płodów z zespołem erytroblastosis foetalis spowo­ dowanym homozygotyczną a -talasemią [57, 59]. W trzy lata póź­ niej wspomniani autorzy oznaczyli skład aminokwasowy łańcucha x i nadali mu nazwę dzeta (ę) [9].

Jak wynika z tab. 2, łańcuchy polipeptydowe okresu dojrzałe­ go (a, (3, 5 ) charakteryzują się brakiem izoleucyny, podczas gdy aminokwas ten obecny jest w łańcuchach -y i £ . Różnice w składzie aminokwasowym łańcucha £ i pozostałych łańcuchów c l, (3 , -g- i <5 wskazują na istnienie oddzielnego genowego locus dla tego łańcucha.

T a b e l a 2 Skład aminokwasowy łańcuchów a, (3, , 5 i C, [9]

The arainoacid composition of a., (3, S and ę polipeptide chains [9]

Composition en aminoacides des chaines peptidiąues cl, (3, f, S , C [9] Aminokwas a. _{P T} <5 ę Lizyna 11 11 12 11 10 Histydyna 10 9 7 7 7 Arginina 3 3 3 4 4 Kwas asparaginowy 12 13 13 15 12 Treonijia 9 7 10 5 11 Seryna 11 5 il 6 12 Kwas glutaminowy 5 11 12 12 11 Prolina 7 7 . 4 6 5 Glicyna 7 13 13 13 10 Alanina 21 15 11 15 14 S-aminoetylocysteina 1 2 1 2 1 Walińa 13 18 13 17 12 Metionina 2 1 2 2 2 Izoleucyna 0 0 4 0 5 Leucyna 18 18 17 18 18 Tyrozyna 3 3 2 3 3 Fenyloalanina 7 8 8 8 8 Tryptofan 1 2 3 2 7

P O W I N OWACTWO T L E NOWE HEM O G L O B I N EMBRIO N A L N Y C H

W roku 1975 po raz pierwszy H e u h n s i F a r o o q u i [28] opublikowali parametry powinowactwa tlenowego erytrocytów embrionalnych (Hb-Gower 1, Hb-Gower 2). Z danych tych wynika, że powinowactwo tlenowe (pso) tych Erytrocytów nie różniło się od wartości pg0 wyznaczonych dla erytrocytów płodu. Efekt Bohra i wartośó n wykładnika Hilla dla badanych erytrocytów okazały się również bardzo podobne tak przy niskim jak i wysokim ciś­ nieniu parcjalnym tlenu (tab. 3).

T a b e l a 3 Powinowactwo tlenowe erytrocytów embrionalnych

Oxygen affinity of human embryonic red cells l/afflnite pour l'oxygene des erythrocytes embryonnaires

Erytrocyty zawieszone w izoton. buforze fosf. o pH 7.13, temp. 37°C [39] Erytrocyty tokresu embrionalnego (mm Hg) Erytrocyty okresu płodowego (mm Hg) p20 P50 P80 13-17 25-30 38-46 12-16 22-27 38-46 n ~2,5 ~2,6

Erytrocyty w buforze fos­ foranowym o pH 7,46 Erytrocyty dojrzałe , P20 P50 • P80 7,5-9,5 18 -20 29 -32 9 -10,5 17.5-18 27.5-28 Efekt Bohra 0 0,43-0,49 0,42-0,52

Efekt kooperatywności tzw. interakcja hem-hem wyrażony w a r ­ tością n > 1 zachodzi w cząsteczkach hemoglobin pomiędzy parami różnych łańcuchów, np. a2 (32 . Intęrakcji nie stwierdzono n a ­ tomiast w tetramerach zawierających tylko jeden typ łańcucha , Hb |34 , Hb tf-4 :

Wyniki pomiarów powinowactwa tlenowego przeczą wcześniejszym sugestiom jakoby Hb-Gower 1 była tetramerem homologicznym (6^)- H u e h n s w oparciu o wartości interakcji hem-hem (n > 1) zweryfikował poprzednie stanowisko i obecnie uważa, że Hb-Gower 1 zawiera pary różnych łańcuchów, podobnie jak ma to miejsce w

przypadku Hb-Gower 2. Według H u e h n s a uproszczony wzór Hb-Gower 1 poprzez analogię do Hb-Portland 1 jest następujący: 5 2 £2' Nie wyklucza on także istnienie Hb-Gower 1 w formie

cl 2 ę 2 .

Sugeruje się też, że hemoglobina ta ma budowę @2 * Tak więc dla hemoglobin okresu zarodkowego charakterystyczne by­ łyby dwa łańcuchy z i £ . H u e h n s [28] i L e h m a n n

[33, 34, 37, 58] stoją na stanowisku, że w tym przypadku £ łań­ cuch jest odpowiednikiem a łańcucha. Wniosek ten wysuwają z porównania składu aminokwasowego £ łańcucha ze składem aminokwa- .sowym ludzkich i zwierzęcych a łańcuchów [28, 33, 34]. W opar­

ciu o podobną analizę M e l d e r i s , S t e i n h e i d e r , O s t e r t a g [39] stwierdzili, że ludzki a łańcuch w y k a ­ zuje pokrewieństwo z łańcuchami x hemoglobin niektórych ssaków, np. embrionów myszy i królików.

Embrionalny łańcuch x tych zwierząt w składzie aminokwaso- wym jest bardzo podobny do ludzkiego ę łańoucha wyizolowanego z Hb-Portland 1. W obrębie jednego gatunku łańcuchy x i a również wykazują znaczne podobieństwo. Znaleziono mniej struktu­ ralnych podobieństw pomiędzy x łańcuchami różnych gatunków zwierząt niż pomiędzy łańcuchami x i a tego samego gatunku.

Dodatkowym argumentem do poparcia tezy, że £ łańcuch wydaje się być prekursorem a łańcucha to obecność w nim dwupeptydu Tyr-Arg charakterystycznego dla karboksylowego końca a łańcucha

[29]. Ponadto procent spiralizacji, identyfikacja reszt amino- kwasowych uczestniczących w a (3 -kontaktach [34] i kooperatywne wiązanie tlenu przez Hb-Portland 1 [28, 33, 34] sugerują, że ę łańcuch pełni funkcję konstytucyjną, podobną jak w późniejszym okresie łańcuch ot .

W roku 1976 B l a c k [3] przedstawił diametralnie różną hipotezę. Porównując mapy peptydowe £ i y łańcuchów stwier­ dził istnienie 46 różnic na 131 porównywanych aminokwasów. Po­ równanie sekwencji łańcuchów 5 i a przynosi 47 różnic na 135 porównywanych reszt. Sugeruje to, że £ łańcuch jest bardziej spokrewniony z y łańcuchem.

Te przeciwstawne sobie hipotezy wynikają z niedostatku d a ­ nych eksperymentalnych dotyczących sekwencji obu łańcuchów.

HEMOGLOBINY PŁODOWE I DOJRZAŁE

Drogą elektroforezy w żelu poliakrylamidowym wykazano ist­ nienie dwóch frakcji hemoglobiny płodowej HbF i HbFj^ [54] .

Różnica między tymi białkami uwarunkowana jest istnieniem dwóch typów łańcucha 'y. HbF zbudowana jest z pary łańcuchów a i pary łańcuchów y ( ot2 • HbF^ zbudowana jest natomiast z pary łańcuchów a , łarfcucha -jj’- i drugiego acetylowanego od koń­ ca aminowego łańcucha TT < 0t2 ?T y acet^'*') [51] .

HbF^ stanowi ok. 10% ogólnej ilości hemoglobin płodowych. U noworodka ilość HbF zmniejsza się, a w trzecim-szóstym mie s i ą ­ cu po urodzeniu jest jej mniej niż 0,4% [54]. Niezależnie od polimorfizmu zależnego od acetylacji stwierdzono występowanie dwóch form HbF różniących się substytucją aminokwasu w 136 pozy­ cji w łańcuchu y. W pozycji tej występować może glicyna bądź alanina [17, 52, 53], co zapisujemy ft2 lub ^2 ‘

Synteza łańcuchów -y poprzedza syntezę łańcuchów A ■J". Tak więc w okresie płodowym stosunek łańcuchów G -y do łańcuchów A -y- wynosi jak 3:1. Wartości te pozostają niezmienione przez cały okres trwania ciąży [40].

£ U noworodków następuje liniowy wzrost syntezy łańcuchów -jp We krwi dojrzałego człowieka dominuje hemoglobina HbA Ponadto u ospbników dorosłych stwierdzono istnienie w niewiel­ kim stężeniu frakcji HbA2 HbA3 • Tak nP* HbA^ stanowi o k . 10- -15% ogólnej ilości hemoglobin i wydaje się być kompleksem HbA^ z glutationem [30, 53]. W oparciu o chromatografię kolumnową i elektroforezę na żelu poliakrylamidowym C l e g g i S c h r o e ­ d e r oraz S h e n c k i S c h r o e d e r w hemolizacie dorosłego człowieka zidentyfikowali szereg innych jeszcze hemo­ globin takich jak: A l a , A l b > A ic ' A id' A le ^10, 50^ ' H b A lc stanowi ok. 5% ogólnej ilości hemoglobin. Białko to zawiera dwa łańcuchy a oraz obok łańcucha (3 drugi łańcuch |3 , w którym do w-końca przyłączona jest nie zidentyfikowana heksoza [4, 6, 19] .

Budowa i sekwencja łańcuchów polipeptydowych hemoglobin HbA^a HbA^j-,, H b A id' H b A le n *e została jeszcze ustalona. Nie uwarun­ kowana genetycznie H b A ib powstaje prawdopodobnie w okresie

post--translacyjnym i stanowi 0,5-1,0% ogólnej ilości HbA. W oparciu o strukturalne dane oraz wartości powinowactwa tlenowego i efek­ tu Bohra wysnuto hipotezę, że Hb A lb jest asymetrycznym hybrydem z jednym tylko (3 łańcuchem chemicznie zmodyfikowanym, co w p ł y ­ w a na zakłócenia w kontaktach międzyłańcuchowych [35].

T a b e l a 4

Fizjologiczne hemoglobiny człowieka 1 ich procentowa zawartość na poszczególnych etapach ludzkiego rozwoju

Percentage of physiologlcal human hemoglobins on separate stages of onthogenesis

Pourcentage des hćmoglobines humaines physiologiques pendant 1 'ontogenese

Zarodek Płód Osobnik dojrzały

Rodzaj Hb % Rodzaj Hb % Rodzaj Hb %

Hb Gower 1 ( £ 2 ^ 2^ 1,0-42,0 HbF ( a 2 fl-?) 90,0-60,0 HbF ( Cl., T 2 ) 60,0 -2,0 Hb Gower 2 HbA ( 0L_ (3_) 10,0-40,0 HbFj < V r c e t y l > ( a 2 e 2> 0,5-24,0 * 10,0 -0,4 Hb Portland < r 2 ę 2) ? Hb Bart's < T 4 ) ? HbA2 ( a 2 6 2 ) * 0,2 -2,5 HbF ( a 2 f 2 ) 20,0-50,0 Hb Portland ( T

2

(

(

Reasumując w tab. 4 zgrupowano dotychczas poznane fizjologi­ czne hemoglobiny człowieka okresu zarodkowego, płodowego i d o j ­ rzałego. Pomimo licznych badań wiele pytań dotyczących niektó­ rych z tych hemoglobin (ilość, rodzaj pc\djednostek, skład ami- nokwasowy, powinowactwo tlenowe) pozostaje nadal nie w y j a ś n i o ­ nych.

ROZWÓJ KRWINKI CZERWONEJ I WPŁYW MIEJSCA ERYTROPOEZY NA RODZAJ SYNTETYZOWANEJ HEMOGLOBINY

W rozwoju krwinek czerwonych, jak powszechnie wiadomo, w y ­ różnia się dwa typy erytropoezy: megaloblastyczną i normoblasty- czną. W czasie trwania erytropoezy megaloblastycznej krwinki two­ rzą się w mezenchymie ciałka żółtego [61]. Komórka najmłodszego stadium rozwojowego generacji megaloblastycznej nosi nazwę mega- loblastu. Jest to komórka duża o pyknotycznym jądrze zawierają­ cym jąderka.

Pierwsze komórki krwi produkowane przez ciałko żółte zawiera­ jące hemoglobinę, pojawiają się już w drugim tygodniu ciąży [63], W około piątym tygodniu ciąży ilość megaloblastów ulega zmniej­ szeniu i zanikają one w płodowym krążeniu po upływie około d w u ­ nastu tygodni ciąży [63] . W tym też okresie funkcje tworzenia krwinek przejmują kształtujące się w tym samym czasie narządy głównie wątroba.

W toku erytropoezy wątrobowej produkowane są bezjądrzaste ma- krocyty, których rozmiar zmniejsza się w przebiegu ciąży.

Rola śledziony w procesie krwiotwórczym jest mniejsza, a pew­ ną rolę w tym procesie przypisuje się także grasicy [31].

W okresie wątrobowym pojawia się także erytropoeza normobla- styczna powstająca z rozrzuconych w wątrobie niezróżnicowanych komórek mezenchymy. Erytropoeza megąloblastyczna przechodzi stop­ niowo w normoblastyczną, tak że przez pewien okres czasu w y stę­ pują obie równolegle.

Czynność krwiotwórcza szpiku kostnego rozpoczyna okres poza- wątrobowy, rozpoczynający się mniej więcej od szóstego miesiąca życia płodowego. Szpik kostny zaczyna tworzyć się w trzecim mi e ­ siącu życia płodowego, głównie w kościach płaskich.

trobie w przeważającej większości krwinki czerwone. W początko­ w ym okresie syntezy produkowane są krwinki erytropoezy megalo- b l a s t y c z n e j . W końcowym okresie życia płodowego i w życiu poza- płodowym szpik kostny wytwarza w warunkach prawidłowych krwinki czerwone erytropoezy n o r m o blastycznej.

U myszy erytropoeza ciałka żółtego i wątroby płodu jest pod kontrolą erytropoetyny [63] . W okresie ludzkiego życia płodowego maksimum działania erytropoetyny przypada na drugi trymestr [21], Znaczne ilości erytropoetyny zostały znalezione w surowicy krwi łożyska.

Rys. 3. Zmiana typów komórek i miejsc erytropoezy oraz rodzajów łańcuchów pod­ czas ludzkiego rozwoju [63]

Changes in erythroid celi type, site of erythropoiesis and globin-chain syn- thesis during human development [63]

Changenents des types des cellules, sites d ’śrythropoiśse ainsi que des gen- res des chaines pendant le dśveloppement de l'homme [63]

Wyniki badań przeprowadzonych na zwierzętach wskazują, że produkcja erytropoetyny płodowej pozostaje pod kontrolą płodu i nie jest zależna od poziomu hormonów matki. Prawdopodobnie źró­ dłem płodowej erytropoetyny jest wątroba i śledziona, a nie n e r ­ ka, tak jak ma to miejsce u osobników dojrzałych [64] . Różnice w budowie i funkcji erytropoetyny płodowej ^ i dojrzałej nie zosta­ ły jeszcze ustalone.

Opisane wyżej zmiany erytropoezy oraz zmiany polegające na zastąpieniu hemoglobin embrionalnych hemoglobinami płodowymi a później hemoglobinami dojrzałymi wykazują znaczne podobieństwo, co sugeruje ścisłe powiązanie tych dwóch procesów (rys. 3).

Wydaje się, że obecność hemoglobin embrionalnych (Gower 1 i 2, Portland 1) ograniczona jest do megaloblastów powstałych z ciałka żółtego, co wykazano u myszy i innych gryzoni [63] . U o- wiec i bydła (hemoglobiny tych zwierząt są bardzo podobne do ludzkich) na bardzo wczesnych etapach rozwoju embrionalnego pro­ dukowane są wyłącznie hemoglobiny embrionalne. Wskazuje to na fakt korelacji procesu erytropoezy ciałka żółtego i syntezy he­ moglobin embrionalnych.

W roku 1960 po raz pierwszy wykazano, że synteza HbF i HbA nie jest związana z określonymi miejscami erytropoezy [56] . W komórkach 9- 17-tygodniowych płodów syntetyzowane były obydwie hemoglobiny. Makrocyty pojawiające się w toku erytropoezy w ą ­ trobowej zawierają zarówno HbF jak i HbA. Jak wykazano, w ko­ mórkach czerwonych 13- 34-tygodniowych ludzkich płodów syntety­ zowanych przez erytroidalne komórki wątroby, śledziony lub rdze­ nia kręgowego względne stosunki HbF i HbA nie różniły się [62] .. W końcowym okresie życia płodowego i w życiu pozapłodowym po przejściu erytropoezy megaloblastycznej na tor normoblastyczny w komórkach erytroidalnych szpiku kostnego pojawiają się wyłącznie dojrzałe formy hemoglobin.

LITERATURA

[1] B a r d H., M a k o w s k i E . L . , M e s c h i a G., B a t t a - g 1 i a F. C., "Pediatrics" 45, 766-772 (1970).

[3] B l a c k J. A., "Naturę" 261, 348-349 (1976).

[4] B o o k c h i n R. M . , G a 1 1 o p P. M., Blochem. Biophys. Res. Commun. 32, 86-93 (1968).

[5] B r a u n i t z e r , "Naturę" 190, 480-482 (1961).

[6] B u n n H. F., H a n e y D. N. , G a b b y K. H., G a l l o p P. M., Biochem. Bicphys. Res. Commun. 67, 103-109 (1975).

[7] B u t l e r E. A., F 1 y n n F. V., H u e h n s E. R., Clln. Chim. Acta, 571-579 (1960). [8] C a p p G. L. , R i g a s D. A., J o n e s R. T. , "Science", 157, 65-66 (1967). [9] C a p p G. L . , R i g a s D. A., J o n e s R. T. ,i "Nąture" 2 2 8 , 278-280 (1970).

[10] C 1 e g g M. D. , . S c h r o e d e r W. A . , J. Am. Chem. Soc. 81,

6065-6069 (1959). ^ ,[H] C o o k C. D., B r o d i e H. R. , A l l e n D. w. , "Pediatrics" 20, 272-278 (1957). [12] D r e s c h e r H., K i i n z e r W., Klin. Wschr. 32, 92-96 (1954). [13] G a m m a c h D. B. , H u e h n s E. R . , S h o o t e r E. M., G e r a 1 d P. S., J. Mol. Biol. 2, 372-378.(1960). [14] G o n d k o R. , Post. Biochem. 1M3, 323-336 (1972).

[15] G o n ’d k o R., A l i k h a n M. A., ^ . e y k o W., Zesz. Nauk. UŁ, S. II 19, 279-331 (1976). [16] H a l b r e c h t I., K l l b a r i s k l Ch., "Naturę" 178, 794-795 (1956) . [17] H a m 1 y n P., "Naturę" 263, 193-193 (1976). [18] H e c h t F., M o t u l s k y A. G., L e m i r e R. J., S h e - p a r d T. E., "Science" 152, 91-92 (1966). [19] H e l m ą u i s t W. R., S c h r o , e d e r W. A., "Biochemia" 5_, 2489-2490 (1966). [20] H o l l e n b e r g M. D . , K a b a c k M. M ., K a z a z i a n H. H., "Science" 174, 698-702 (1971). [21] H u e h n s E. R . , S h o o t e r E. M . , D a n c e N. , B e a- v e n G. H., S h o o t e r K. V., "Naturę" 1_92, 1057-1059 (1961). [22] H u e h n s E. R. , F l y n n F. V., B u t l e r E. A., B e a- v e n G. H., "Naturę" 189, 496-497 (1961). [23] H u e h n s E. R. , H e c h t F., K e i l J. V., M o t u l s k y A. G., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 5J , 89-97 (1964).

[24] H u e h n s E . R . , D a n c e N., B e a v e n G. H . , K e i l J. V., H e c h t F., M o t u l s k y A. G., "Naturę" 201, 1095-1097

48-90

924-926 E. R., S h o o t e r E. M . , J. Med. Genet. 2,

E. R . , B e l l i n g h a m , "Naturę" 218 ,

E. R., B e a v e n G. H., Clin. Dev. Med. 37, 175-203

F a r o o ą u i A. M . , "Naturę" 2 5 4 , 335-337 E. R . , D r i n k w a a r d Biochem. Biophys. [48] H u e h n s (1965) . H u e h n s (1968). H u e h n s (1971) . H u e h n s (1975) . H u i s m a n T. H. J . , Acta 18, 588-568 (1955). H u i s m a n T. H. J . , H o r t o n B. F., J. Chromatog. 1J3, 116- -123 (1965). I n g r a m V. M . , “Naturę" 235, 338-339 (1972). K a l t s o y a A., F e s s a s P., S t a y r o p o u l o s A., "Science" 153, 1417-1417 (1966). K a m u z o r a H., L e h m a n n H., J o n e s R. T., FEBS Lett. 46, 390-391 (1974). K a m u z o r a H., L e h m a n n H., "Naturę" 2 56, 511-513 (1975). K r i s h n a m o o r t h y R., G a c o n G., L a b i e D., FEBS Lett. 77, 99-102 (1977). K w i a t k o w s k a J., Post. Biochem. 1_4., 27-47 (1968).

L e h m a n n H., Trans. R. Soc. Trop. Med. HyJ. 68, 92-95 (1974) . M a t s u d a G., S c h r o e d e r W .A., J o n e s R . T . , W e-1 i k y N., "Blood" 16, 984-996 (1960).

M e l d e r i s H.,, S t e i n h e i d e r G., O s t e r t a g W.,

"Naturę" 250, 774-775 (1974).

N u t e P . E . , P a t a r y a s H . A . , S t a m a t o y a n n o p o - u 1 o s G., Am. J. Hum. Genet. 25, 271-276 (1973).

P o u 1 i k M. D., "Naturę" 180, 1477-1479 (1957). A. L., Post. Biochem. 16, 221-229 (1970). A. L . , Post. Biochem. 23, 417-443 (1977). M. F., J. Mol. Biol. J_, ■ 402-404 (1959). M. F., "Naturę" 185, 416-422 (1960). M. F., Sci. Amer. 211, 64-76 (1964). R a p e r A . B . , G a m m a c h D . B . , H u e h n s E . R . , S h fl­ o t e r E. M., Brit. Med. J. 5208, 1257-1261 (1960).

R o s s i-F a n e l l i A., C a p u t o A., Biochim. Biophys. Acta 30, 608-615 (1958).

R o s s i-F a n e l l i A., C a p u t o A., Biochim. Biophys. Acta 35, 93-101 (1959). P a w l a k P a w l a k P e r u t z P e r u t z P e r u t z

S c h e n k A. G., S c h r o e d e r W. A., J.Ara. Chem. Soc. 8J3, 1472-1478 (1961).

S c h r o e d e r W . A . , C u a J . T . , M a t s u d a G., F e n - n i n g e r W. D., Biochim. Biophys. Acta 63, 532-534 (1962).

S c h r o e d e r W. A., S h e l t o n J. R. , S h e l t o n J. B C o r m l c k J., J o n e s R. T. , "Biochemia" 2^ 992-1008 (1963). S c h r o e d e r W. A . , H u i s m a n T. H. J., S h e l t o n J. R . , S h e l t o n J. B., K l e i h a u e r E. F . , D o z y A. M., R o b b e r s o n B., Proc. Natl. Acad. Sci USA 60, 537-544 (1968). S t e g i n k L. D., M e y e r P . D . , C h a l k l e y R ., Anal. Blochem. 41, 351-359 (1971).

S z e l e n e y i J. G . , H o l l a n S. R., Acta Blochem. Biophys. Acad. Sci Hung. 4, 47-55 (1969).

,T'h o m a s E. D. , L o c h t e H. L. , G r e e n o u g h W. B., W a 1 e s M., "Naturę" 1J35, 396-397 (1960). T o o d , L a i , B e a v e n G . H . , H u e h n s E . R . , Brit. J. Haemat. 19, 27-31 (1970). T u c h i n d a S ., N a g a i K., L e h m a n n H., FEBS Le tt . 46, 195-199 (1974). W e a t h e r a l l D . J . , C l e g g J. B . , W o n g H . B . , Brit. J. Haemat. 18, 357-367 (1970). W h i t e J. C. ,• B e a v e n G. H., Br. Med. Buli. 15, 33-39 (1959) . W i 1 t F. H., "Science" 147, 1588-1590 (1965).' W o o d W. G., W e a t h e r a l l D. J . , "Naturę" 2 4 4 , 162-165 (1973). W o o d ' W. G., Br. Med. Buli. 32, 282-287 (1976). Z a n j a n i E. D., P e t e r s o n E. N . , G o r d o n A. S., W a s s e r m a n L. R . , J. Lab. Clin-. Med. 83, 281-287 (1974). [65] Z i l l i a c u s H . , "Naturę" 188, 1202-1203 (1960).

t

Maszynopis przyjęto do redakcji Laboratorium Nauk Biologicznych

Justyna Hryniewicz, Roman Gondko

HUMAN EMBRYONIC HEMOGLOBINS

There are a lot of contrary opinions concerning the riumber and structure

of embryo hemoglobins. The aim of this paper is to gather the recent works

on this subjects.

On the base of numberous papers publJshed in the last years it has been

assumed that in human onthogenesis there are different embryo hemoglobins: Hb Gower 1, Hb Gower 2, Hb Portland, two kinds of foetal hemoglobins and three

kinds of adult hemoglobins. The number, chemical, structure and physicochemi-

cal properties have been demonstrated together with oxygea-affinity espec-

ially concerning human embryonic hemoglobins.

The development of red cells has been presented together with relation

beetwen the site of erythropoesies and different kinds of synthetised hemo­

globins.

Justyna Hryniewicz, Roman Gondko

HŚMOGLOBINES HUMAINES EMBRYONNAIRES

A cause de la diversitś des donnśes concernant le nombre et la structure

d'hemoglobines embryonnaires on a effectue dans ce travail la revue des pu-

blications les plus nouvelles sur ce sujet.

Au vertu des informations publiees dernierement on a constat^ que pend­

ant l'ontoge'nśse de l'homme on trouve d'hemoglobines embryonnaires suivant-

es: Hb Gower ł, Hb Gower 2, Hb Portland, deux genres d'hemoglobines foet-

ales HbF et HbF^ et trois genres d'hśmoglobines’ normales. Or. a discut^ la

ąuantitś, la structure et les propriśtós physico-chimiąues (connus jusqu'a

prśsent) des particuli^rs genres d'hśmoglobines, ainsi que leur affinite

pour l'oxygśne, surtout dans le cas d'hemoglobines embryonnaires.

On a presente aussl le dśveloppement d'śrythrocyte et la dźpendance en- tre le genre de l'hźmoglobine synthetisśe et la lieu d'śrythropoiese.