Emoglobina (Hb)
Costituisce il 90% 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 nel suo 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 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
nelle diverse fasi della vita di un individuo
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 a
distribuzione non uniforme: si trova in poche cellule
cellule F
La quantità di HbF aumenta in condizioni di stress
emopoietico (es. in carenza di O2)
Qual è l’origine delle cellule F ?
Due ipotesi: 1) due popolazioni diverse di cellule staminali
2) un’unica popolazione in grado di attuare
due diversi programmi trascrizionali
Risposta: un’unica popolazione di cellule staminali Cloni
originatesi da una singola cellula progenitrice contengono
sia cellule con HbF che cellule con 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 (2005) – Exp Hematol 33: 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)
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
I due cluster dei geni globinici
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, anche di tipo
quantitativo, dovute a mutazioni dei geni globinici o
delle regioni di controllo 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)
Si definiscono alleli bthal0 (athal0) gli alleli che causano
assenza completa di catene b (a)
alleli bthal+ (athal+) causano una 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,
sono molto pochi e presentano
marcate alterazioni morfologiche,
alcuni sono solo dei frammenti,
tutti vanno incontro ad una
precoce distruzione
NEI MALATI NON
CURATI SI
OSSERVANO
GRAVISSIME
DEFORMAZIONI
DEL CRANIO E DELLA
FACCIA, OLTRE A
EPATO- E
SPLENOMEGALIA
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 e, in assenza di prevenzione, le nascite di
nuovi malati 70.000 ogni anno
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
Mutazioni che causano ‘perdita di funzione’
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
Thal (+)
6
Come sopra
5
(3 MS e
2 SS)
Come sopra, inoltre in
caso di mutazione MS la
globina prodotta presenta
una SSA
Introne,
attivazione di
un sito
criptico
Esone,
attivazione di
un sito
criptico
Thal (+)
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),
quelle dovute a mutazioni del cluster b in
genere presentano mutazioni in 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 dislocato (intragenico)
la Hb Lepore
Scoperta della prima regione HSR (Hot Spot of
Recombination)
Scoperta della prima regione HSR (Hot Spot of
Recombination)
Come si è arrivati alla scoperta della LCR delezioni
diverse e loro conseguenze e studio dello stato
cromatinico della regione
Assenza dei geni assenza
delle catene globiniche
I geni sono intatti ma le globine
non vengono sintetizzate,
perché?
Stamatoyannopoulos G (2005) – Exp Hematol 33: 259
Struttura della 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 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 (2005) – Exp Hematol 33: 259
Come vengono accesi e spenti i vari geni globinici ?
Silenziamento di geni
In topi transgenici con il solo 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 (2005) – Exp Hematol 33: 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)
mRNA con codoni di STOP che cadono prima dell’ultimo
esone sono instabili e vengono degradati meccanismo
attraverso il quale viene impedita la produzione di ‘monconi
polipeptidici’ che potrebbero essere dannosi per la cellula
NMD Nonsense-Mediated Decay = degradazione mediata
da codoni non-senso
Quando gli mRNA arrivano nel citoplasma sono ancora
legati, in corrispondenza dei punti di splicing, a complessi
proteici (EJC = Exon Junction Complex) che vengono rimossi
solo durante il primo round di traduzione. mRNA da cui non
vengano rimossi gli EJC sono instabili e vengono degradati.
Frecce verdi formazione di codoni di STOP
prematuri prima dell’ultimo esone, mRNA instabili >
non produzione di ‘tronconi polipeptidici’
Frecce rosse formazione di codoni di STOP
prematuri nell’ultimo esone, mRNA stabili >
produzione di ‘tronconi polipeptidici’
