Emoglobina (Hb)
Costituisce il 95% delle proteine del globulo rosso (ca.
300 milioni di molecole per cellula)
E’ un trasportare di O2: si lega a questo elemento
quando si trova nei polmoni (o nelle lacune di Wolff
del sacco vitellino o nella placenta) o lo rilascia nei
tessuti
Grazie all’Hb il sangue è in grado di trasportare una
quantità di O2 100 volte più elevata di quella che
potrebbe essere trasportata da un ugual volume di
soluzione salina acquosa come il plasma l’Hb rende
il sangue capace di trasportare MOLTO O2
proteina tetramerica composta da una
parte proteica ed una non proteica
Gruppo eme: l’atomo di Fe è in
grado di legare l’O2 solo quando
si trova allo stato ridotto (Fe2+)
La parte proteica crea il microambiente idrofobico necessario a
mantenere l’atomo di Fe allo stato ridotto
Curva di dissociazione dell’Hb e sua
dipendenza dal pH
La curva di dissociazione e la sua dipendenza dal pH e
dalla concentrazioni di alcuni composti chimici
dipendono dalla parte proteica
Nei diversi periodi dello sviluppo ontogenetico
l’approvvigionamento di O2 avviene in strutture diverse
necessità di differenti Hb ciascuna espressa in uno specifico
periodo ontogenetico e adatta ad associarsi all’O2 nella specifica
struttura di approvvigionamento
La parte proteica è sempre costituita da 4 catene polipeptidiche
uguali due a due (2 catene di tipo a e 2 catene di tipo non-a)
Emoglobine embrionali
Hb Gower I (z2e2)
Hb Portland (z2g2)
Hb Gower II (a2e2)
emoglobina fetale
Hb F (a2g2)
Emoglobine adulte
Hb A2 (a2d2)
Hb A (a2b2)
Produzione dei vari tipi di catene globiniche
nei diversi periodi di sviluppo
I due switch (embrionale fetale e fetale post-natale) sono
controllati a livello trascrizionale
Produzione di eritrociti
Negli adulti è presente una certa quota di HbF non è
distribuita in modo uniforme in tutti i gl.rossi ma si trova in
poche cellule cellule F. La quantità di HbF aumenta in
condizioni di stress emopoietico
Qual è l’origine delle cellule F ?
Due ipotesi: 1) due popolazioni di cellule staminali diverse
2) un’unica popolazione in grado di attuare
due programmi trascrizionali diversi
Risposta: un’unica popolazione di cellule staminali Cloni
originati da una singola cellula progenitrice contengono
sia cellule che producono HbF che cellule che producono
HbA
Produzione di tutti gli elementi figurati del sangue
Lo switch feto adulto è dovuto a uno switch del
programma trascrizionale delle cellule progenitrici e non ad
uno switch nell’attivazione di popolazioni staminali diverse
L’eritropoiesi
ricapitola
l’ontogenesi
Stamatoyannopoulos G, Exp Hematol. 2005 33(3): 259
le catene di tipo a sono lunghe 141 aminoacidi, i loro geni
si trovano sul cromosoma 16 (cluster a, circa 30 kb)
le catene di tipo b sono lunghe 146 aminoacidi, i loro geni
si trovano sul cromosoma 11 (cluster b, ca. 60 kb)
Manca e Masala, IUBMB Life, 60(2): 94–111, 2008
catene di tipo a e di tipo
b mostrano una forte
omologia di sequenza ad
indicare una loro origine
evolutiva comune
Una notevole omologia
si riscontra anche con la
sequenza della
mioglobina proteina
che lega l’O2 nel muscolo
Mioglobina
Emoglobina
I geni globinici sono di piccole
dimensione (< 1.6 kb) hanno 3 esoni e 2
introni, il 38% della loro sequenza è
codificante
In entrambi i cluster i geni sono
organizzati secondo l’ordine temporale in
cui sono espressi e sono presenti delle
regioni regolative (LCR = Locus Control
Region), poste diverse kb a monte dei geni
stessi, che sono necessarie per
l’espressione di tutti i geni del cluster
Manca e Masala, IUBMB Life, 60(2): 94–111, 2008
Organizzazione dei due cluster globinici: cluster a
(cromosoma 16) e cluster b (cromosoma 11
Strachan e Read – Genetica Molecolare Umana, Zanichelli, 2012
Lo studio delle Hb e dei loro geni ha portato
contributi fondamentali in vari campi della biologia
La proteina si trova in forma praticamente pura
all’interno dei gl.rossi cellule di un tessuto
facilmente accessibile
Molti individui hanno patologie dovute a mutazioni
dei geni globinici molte varianti strutturali e
varianti quantitative (talassemie, HPFH)
In ogni momento della vita di un individuo
(periodo embrionale, fetale e post-natale)
il rapporto
n° catene a/n° catene non-a = 1
Si definisce talassemia la condizione in cui
tale rapporto 1
alfa talassemie a/non-a < 1 (c’è un difetto di catene a)
beta talassemie a/non-a > 1 (c’è un difetto di catene non a,
che nell’adulto sono
sostanzialmente le b)
Le talassemie sono quindi un difetto
QUANTITATIVO generalmente dovuto a perdita
di funzione
Nomenclatura
Microcitemia o Talassemia minor o Trait
talassemico sono sinonimi e indicano la condizione
CLINICAMENTE ASINTOMATICA degli eterozigoti
facilmente individuabili attraverso un semplice esame
ematologico
Anemia mediterranea o Morbo di Cooley o
Talassemia major sono sinonimi e indicano il
quadro clinico, molto grave (mortale in assenza di cure)
degli individui omozigoti (o eterozigoti composti per alleli
non funzionanti)
alleli bthal0 (athal0) assenza completa di catene b (a)
alleli bthal+ (athal+) riduzione più o meno marcata di catene b (a)
I principali parametri del sangue che
risultano alterati nei microcitemici
g/dl
g/dl
per ml
per ml
m3
m3
nei microcitemici la quantità totale di Hb è ridotta mentre il numero
di globuli rossi è aumentato
gli eritrociti sono però più piccoli
il ridotto contenuto di Hb determina un appiattimento delle
emazie e una loro maggiore resistenza all’emolisi in soluzione
salina ipotonica.
in soluzione ipotonica l’emolisi delle emazie normali
è totale e il liquido color rosa è limpido;
le emazie microcitemiche vengono distrutte solo in
parte e la soluzione resta torbida.
NORMALE
MICROCITEMICO
i globuli rossi dei malati sono
quasi completamente privi di Hb,
essi sono molto pochi e
presentano marcate alterazioni
morfologiche, alcuni sono solo
dei frammenti, tutti vanno
incontro ad una precoce
distruzione
FREQUENZA DELLA MICROCITEMIA NEL MONDO
La microcitemia è frequente in tutti i paesi che si
affacciano sul Mediterraneo (da cui il nome di anemia
mediterranea) e in tutto il sud-est asiatico.
si calcola che i portatori sani nel mondo siano circa
180.000.000
FREQUENZA DELLE MICROCITEMIE IN ITALIA
in Italia vivono circa
2.500.000 microcitemici
sani
grazie alla prevenzione le
nascite di individui malati
sono molto limitate
la frequenza dei portatori
sani è molto alta nelle
regioni meridionali, in
Sardegna, in Sicilia e nella
regione del delta del Po
dal GENE al PRODOTTO POLIPEPTIDICO
FUNZIONANTE
1. Il gene deve essere presente;
2. Il gene deve essere trascritto;
3. Il trascritto deve essere maturato: rimozione degli
introni, aggiunta del CAP, aggiunta del poli-A
4. L’mRNA maturo deve essere portato nel citoplasma e
caricato sui ribosomi;
5. La traduzione deve avere inizio;
6. L’mRNA deve essere tradotto per tutta la sua
lunghezza;
7. La catena polipeptidica deve essere stabile e in grado
di svolgere la sua funzione
Maturazione del trascritto primario
produzione di mRNA
Produzione del trascritto primario e
rimozione degli introni
La grande varietà degli alleli b thal
EVENTO
COMPROMESSO
REGIONE
GENICA
MUTATA
TIPO DI
ALLELE
N° DI
ALLELI
NOTI
CONSEGUENZA
FUNZIONALE
Trascrizione
Promotore
Thal (+)
19
L’attività trascrizionale
residua varia tra il 20 e il 50%
Splicing
Introne, sito
donatore o
accettore
Thal (0)
16
Exon skipping o ritenzione
dell’introne (o di parte di
esso)
Introne,
sequenze
consesus
Thal (+)
16
mRNA normale presente in
quantità ridotta + mRNA
anormale
Introne,
attivazione di
un sito criptico
Thal (+)
6
Come sopra
Esone,
attivazione di
un sito criptico
Thal (+)
5
(3 MS e 2
SS)
Come sopra, inoltre in caso di
mutazione MS la globina
prodotta presenta una SSA
TIPO DI N° DI
ALLELE ALLELI
EVENTO
COMPROMESSO
REGIONE
GENICA
MUTATA
Taglio dell’RNA e
poliadenilazione
Sito di
adenilaz.
AATAAA
Thal (+)
6
RNA normali
+
RNA instabili
Capping
Sito del
capping
Thal (+)
1
RNA normali
+
RNA instabili
Attacco al ribosoma
5’ UTR
RBS=Ribos.
Binding Site
Thal (+)
7
Assenza di traduzione
Inizio traduzione
1° codone
(AUG)
Thal (0)
7 (max
poss 9)
Assenza di traduzione
Traduzione
codificante
codone
sensoSTOP
Thal (0)
16
mRNA instabile per
presenza di un codone di
stop prematuro
Traduzione
codificante
indel
Thal (0)
> 60
Come sopra
Traduzione
codificante
MS
Il polipeptide presenta una singola sostit. aa, le
conseguenze funzionali dipendono da sede e
proprietà di aa. sostituito e aa. sostituente
NOTI
CONSEGUENZA
FUNZIONALE
HPFH Hereditary Persistence of Fetal Haemoglobin
In base all’evento mutazionale che ne è la causa può
essere suddivisa in due categorie:
• forme dovute a delezione (di tratti più o meno estesi
del cluster globinico)
• forme NON dovute a delezione (ndHPFH), in
quelle dovute a mutazioni nel cluster dei geni
b globinici spesso le mutazioni interessano
regioni regolative dei geni g
Lo studio delle Hb e dei loro geni ha portato
contributi fondamentali in vari campi della biologia
Studi biochimici di correlazione strutturafunzione
Scoperta del primo crossing-over (intragenico) dislocato
la Hb Lepore
Scoperta della prima regione HSR (Hot Spot of
Recombination)
Scoperta della prima regione LCR
Si è arrivati alla sua scoperta attraverso lo studio delle
delezioni del cluster beta (e delle loro
conseguenze) e attraverso lo studio della
organizzazione cromatinica della regione
Assenza dei geni assenza
delle catene globiniche
I geni sono intatti ma le globine
non vengono sintetizzate,
perché?
Stamatoyannopoulos G, Exp Hematol. 2005 33(3): 259
Struttura della b LCR 5 siti sensibili al trattamento con DNAsi I,
ciascun sito è di 250 bp e contiene sequenze di legame per vari fattori di
trascrizione
La LCR è necessaria per l’espressione di TUTTI i geni del cluster e isola
la regione dalla vicina cromatina inattiva
Come agisce la LCR ? E’ stato dimostrato che la LCR lega dei fattori di
trascrizione e interagisce fisicamente con i promotori dei geni globinici
(con un promotore alla volta)
Come vengono accesi e spenti i vari geni globinici ?
Due meccanismi:
Competizione tra geni
Studi su
topi
transgenici
Stamatoyannopoulos G, Exp Hematol. 2005 33(3): 259
Come vengono accesi e spenti i vari geni globinici ?
Silenziamento di geni
In topi transgenici con il gene e legato alla LCR il transgene viene
espresso solo nel periodo embrionale sequenze necessarie per
il silenziamento sono state identificate sia nella parte distale che
in quella prossimale del promotore
Stamatoyannopoulos G, Exp Hematol. 2005 33(3): 259
Come vengono accesi e spenti i vari geni globinici ?
In sintesi di fondamentale importanza sono:
1) La distanza dalla LCR
2) La presenza di fattori di silenziamento
3) La presenza di fattori di accensione gene-specifici
(sicuramente per il b forse per il g)
Periodo embrionale il gene e viene espresso in quanto
fisicamente più vicino alla LCR
Periodo fetale il gene e viene silenziato, la LCR agisce sul
gene g che (forse) è attivato anche da fattori di trascrizione
specifici
Periodo adulto il gene g viene silenziato, il gene b si lega a
fattori di trascrizione specifici e su di esso agisce la LCR
Attualmente sono state indentificate varie proteine coinvolte nel
silenziamento dei geni g o nell’accensione del gene b. Il fenotipo di
soggetti portatori di vari tipi di talassemie dovute a delezione
contribuisce a chiarire l’importanza di specifiche regioni del cluster
per il legame di queste proteine
Ghedira et al. (2013) – Hematologica 98: 305-308)
