Hb F – hemoglobina płodowa

W czasie ciąży organizm matki jest odpowiedzialny za dostarczanie tlenu i usuwanie dwutlenku węgla z organizmu dziecka. Aby mogło to mieć miejsce niezbędny jest pełen kontakt zapewniany przez łożysko oraz taki przekaźnik tlenu, który zapewni odbiór pierwiastka z cząsteczki „dorosłej” hemoglobiny. W toku ewolucji ssaki nabyły zdolność syntezy unikalnej formy hemoglobiny – płodowej (Hb F). Cząsteczka Hb F zbudowana jest z dwóch łańcuchów alfa oraz dwóch łańcuchów gamma (α2 γ2). Dzięki takiej budowie ma większe powinowactwo do tlenu niż Hb A i może „zabierać” go hemoglobinom organizmu dorosłego. Ma także mniejsze powinowactwo do dwutlenku węgla, przez co jest on łatwo usuwany z organizmu płodu poprzez związanie z cząsteczką Hb A. Hemoglobina F w okresie życia płodowego jest produkowana dzięki ekspresji genów γ-globin. Owe geny wywodzą się z 5 kilobazowego (kbp) powtórzenia tandemowego.

Gen γG różni się od genu γA jednym kodonem, kodującym odpowiednio: glicynę (γG) lub alaninę (γA) w 136 pozycji łańcucha polipeptydowego. Łańcuchy γG są dominującym transkryptem w okresie życia płodowego, ustępując z wiekiem łańcuchom γA. Po narodzeniu Hb F przestaje być potrzebna, transkrypcja genów γ-globin jest więc wyciszana, podstawową rolę w wyłączeniu genów pełni metylacja DNA oraz silencery BCL11A oraz SOX6. Działają one tak skutecznie, że spośród  produktów genów globninowych (nie będącymi łańcuchami α) u dorosłych ponad 98% stanowią łańcuchy globinowe β. β-globiny pozwalają na zbudowanie cząsteczki hemoglobiny Hb A (α2 β2). Start syntezy „dorosłej” hemoglobiny zaczyna się już w łonie matki a Hb A zastępuje, niemal całkowicie, Hb F. U osobników zdrowych  udział Hb F w całkowitej puli hemoglobinowej wynosi zazwyczaj poniżej 1%. W praktyce jednak, często obserwuje się większą ilość Hb F u wyraźnego odsetka pacjentów. Przyczyny nie zawsze wiążą się z obecnością zmiany chorobowej, a wręcz przeciwnie. Otóż synteza Hb F u dorosłych regulowana jest epigenetycznie. Unieczynnienie silencerów i demetylacja DNA jest procesem zachodzącym w czasie stresowej erytropoezy indukowanej erytropoetyną i interleukinami (głównie 3 i 1). Przykładem, kiedy to zjawisko zachodzi jest odnowa krwiotwórcza po masywnym krwotoku, długotrwałe przebywanie na dużych wysokościach lub wysiłek fizyczny w podeszłym wieku. W owym czasie, w licznych retikulocytach uwolnionych na obwód zachodzi wzmożona synteza Hb A. Hb F nie jest tam syntetyzowana, dlatego, że retikulocyty nie mają już jąder, a ich rybosomy polegają na konstruktach RNA wciąż obecnych w ich cytoplazmie i pozwalających na syntezę hemoglobiny. Demetylacja, unsilencing a nawet synteza enhancerów zachodzą wtedy w proerytroblastach, powstających po pobudzeniu czynnikami stymulującymi erytropoezę CFU (Colony Forming Units). Taki proerytroblast dojrzewając i finalnie stając się erytrocytem, obok hemoglobiny A będzie zawierał znaczące ilości hemoglobiny płodowej, co objawia się jeszcze większym powinowactwem do tlenu i zmniejszonym do dwutlenku węgla. Erytrocyty zawierające wykrywalne ilości hemoglobiny płodowej nazywamy komórkami F (F-cells). Należy więc zauważyć, że zwiększona ilość Hb F we krwi będzie mierzalna dopiero po czasie dojrzewania proerytroblastu do retikulocyta, co może być, w zależności od fizjologicznego stanu osobnika, kwestią minut lub godzin. Jednak nawet po upływie rzeczonego czasu poziom Hb F nie powinien przekroczyć kilku procent. Obecność większej ilości Hb F we krwi musi być spowodowany innym czynnikiem. Spośród nich dość pospolitym jest zespół dziedzicznego utrzymywania się hemoglobiny płodowej (HPFC). Jest on spowodowany mutacjami promotora genów γ-globin, mutacjami w obrębie silencera BCL11A, mutacjami genów β-globin lub innymi. Fizjologicznie stan ten nie ma odbicia na stanie organizmu a jedynym jego obrazem klinicznym jest zwiększenie populacji F-cells i poziomu hemoglobiny płodowej, która osiąga wtedy poziom kilkunastoprocentowy. Podobne stężenia, a nawet wyższe, obserwuje się u pacjentów cierpiących na anemię sierpowatą. Największa ilość (nawet 90% puli hemoglobinowej) obserwowany jest u chorych na talasemie. Jest to wynikiem kompensacji, gdyż organizm produkuje Hb F w odpowiedzi na obecność uszkodzonych globin będących wynikiem choroby. Bardzo częstym zjawiskiem jest obecność Hb F u pacjentów po chemioterapii, F-cells stanowią wtedy od kilku do kilkunastu procent wszystkich erytrocytów pacjenta. Innymi stanami w których hemoglobina płodowa osiąga zauważalny poziom w wynikach pacjenta są: anemia aplastyczna, sferocytoza wrodzona (choroba Minkowskiego-Chaufforda), chorobach mieloproliferacyjnych, przy nowotworach kosmówki, raku jądra, nowotworach płuc, raku wątrobowo komórkowym, nadczynności tarczycy, po transfuzjach, przeszczepach szpiku oraz przy defektach genetycznych.

Najpopularniejszym testem do wykrywania hemoglobiny płodowej jest Alkali Denaturation Test opracowany przez Leonarda Apta, wykorzystujący oporność Hb F na działanie wodorotlenków. W telegraficznym skrócie, metoda polega na hemolizie krwinek i uwolnieniu hemoglobin z ich wnętrza – po odwirowaniu do supernatantu dodaje się 1% NaOH (w ilości: 1 część wodorotlenku na 5 części supernatantu). Z upływem czasu hemoglobina F nie zmienia barwy a Hb A i Hb A2 zmieniają kolor na żółto-brązowy. Natężenie barwy mierzone spektrofotometrycznie przybliża nam szacunkową zawartość Hb F we krwi. Czułość i dokładność metody pozostawiają sporo do życzenia. Różnice między aparatami wykonującymi oznaczenie spowodowane są najczęściej innym algorytmem przeliczającym procentowy udział Hb F w puli hemoglobinowej, test wykazuje też wrażliwość na interferencję przy obecności bilirubin. Dokładniejszymi metodami są elektroforeza frakcji hemoglobiny oraz chromatograficzna (HPLC). Stworzono także metodę, polegającą na cytometrii przepływowej, opartej na wykorzystaniu przeciwciała MoAbNaM16-2F4, które to wiąże się do łańcuchów γ i pozwala dość dokładnie oszacować liczbę F-cells w próbie.

Prowadzone są prace nad terapeutycznym wykorzystaniem hemoglobiny płodowej. W badaniach używano inhibitorów BCL11A, inhibitorów KLF1, inhibitorów SOX6, a także cytotoksycznych 5-azacytydyny i hydroksymocznika. Celem jest sztuczne podniesienie poziomu Hb F w organizmie a tym samym wywołaniu efektu jej obecności w organizmie, zwiększając wydolność systemu transportującego tlen, co może wywrzeć korzystny wpływ na ratowanie, lub zwiększenie komfortu życia pacjentów cierpiących na szereg chorób.

Na podstawie:

Fetal Hemoglobin Levels in Adults [J. Rochette, J. E. Craig, S. L. Thein]

Foetal haemoglobin in normal healthy adults: relationship with polymorphic sequences cis to the β globin gene [S. Zertal-Zidani, R. Ducroq, M. Sahbatou, D. Satta, R. Krishnamoorthy]

Advances in the understanding of haemoglobin switching [V. G. Sankaran, J. Xu, S. H. Orkin]

Classification of the Disorders of Hemoglobin [B. G. Forget, H. F. Bunn]

Erythropoiesis in the Absence of Adult Hemoglobin [ S. Liu, S. McConnel, T. M. Ryan]

Hemoglobin Variants: Biochemical Properities and Clinical Correlates [C. S. Thom, C. F. Dickson, D. A. Gell, M. J. Weiss]

Hypoxia Alters Progression of the Erythroid Program [H. M. Rogers, X. Yu, J. Wen, R. Smith, E. Fibach, C. T. Noguchi]

Update on fetal hemoglobin gene regulation in hemoglobinopathies [ D. E. Bauer, S. H. Orkin]

What influences Hb Fetal production in adulthood? [G. C. de Souza Carrociini, P. J. Antoniazzo Zamaro, C. R. Bonini-Domingos]

Maciek Smutek 

COZL