İnsan Hemoglobinleri

Normal erişkin bir insanda hemoglobinin %97'sini meydana getiren HbA'nınyapısında iki alfa (α) ve iki de beta (β) zinciri (α₂β₂) vardır. Fetal hayat ve yenidoğanın major hemoglobini olan HbF (α₂γ₂) iki alfa ve iki gama (γ) zincirinden meydana gelmekte olup normal erişkin insandaki seviyesi %1'in altındadır. Yapısında iki alfa ve iki delta (δ) zinciri bulunan HbA₂ (α₂δ₂) ise normal erişkinde %2-3 oranında bulunmaktadır. Embriyonik hayatın erken dönemlerinde sentezlenen Hb Gower [Hb Gower I (ζ₂ε₂) ve Gower II (α₂ε₂)] ve Hb Portland'ın [Portland I (ζ₂γ₂) ve Portland II (ζ₂β₂)] yapısında yer alan alfa benzer zinciri zeta (ζ), beta benzer zincirleri ise epsilon (ε) ve gama (γ) dır. İnsan hemoglobinlerinin yapısı ile fetus ve erişkindeki miktarı tablo 1'de verilmiştir.

Tablo 1: Normal insan hemoglobinleri

* Total hemoglobinin %'si

Hemoglobin Evrimi

Alfa benzer genleri 16 nolu krozomun kısa kolu üzerinde 30 kb'lik bir alan üzerinde, soldan başlayarak 5' -ζ - Ψζ - Ψα - α₂ -α₁ - q₁ - 3' e doğru sıralanmaktadır. Beta globin genleri ise 11 nolu kromozomun kısa kolunda 60 kb'lık alan üzerinde, 5'- ε-^Gγ-^Aγ-Ψβ-δ-β-/3' olarak dizilmiştir. Alfa geni üzerinde bulunan α₁ ve α₂ genlerinin protein ürünleri aynıdır. Beta benzer genlerinden gama geni çifttir. Protein ürünleri 136. pozisyonda farklılık göstermekte olup ^Gγ daglisin, ^A>γ zincirinde ise alanin bulunur. A gama zincirindeki diğer farklılık ise 75. pozisyonda meydana gelmektedir. İzolösin bulunuyorsa ^A>γ^I, treonin varsa ^A>γ^T şeklinde gösterilmektedir. Beta, delta, gama zincirleri 146, alfa globin zinciri ise 141 amino asit içermektedir (şekil 4).

Globin gen yapısı

Hemoglobin molekülünün yapısında yer alan globin zincirlerinin sentezinden sorumlu alfa benzer genleri 16., beta benzer genler ise 11. kromozomun kısa kolu üzerinde bulunmaktadırlar. İnsan hayatındaki gelişme peryoduna göre sentezi gerçekleştirilen globin zincirleri ve sorumlu olduğu genler Şekil 5'de gösterilmiştir.

Şekil 5: Alfa ve beta benzer globin genleri ve sorumlu olduğu hemoglobinler

Alfa benzer genlerinden zeta, embriyonik hayatta aktif olup fetal ve erişkin dönemde görev yapmaz. Beta benzer genlerinden epsilon embriyonik hayatta, gama genleri de fetal dönemde etkindir. Erişkin dönemde ise delta ve beta genleri daha etkindir. Hayatın farklı dönemlerinde aktivite gösteren bu genlerin bazı ortak özellikleri vardır. Üç ekson ve iki introndan meydana gelen her genin 5' tarafında yaklaşık 50 nükleotid uzunluğunda bir Cap bölgesi ile protein sentezini başlatan kodon (AUG) bulunur. Exon III'ün sonunda stop kodonunu takip eden ve Poli A kuyruğuna kadar uzanan DNA dizisi transkripsiyonun bitiş sinyallerini içermektedir. Transkripsiyon ünitesinin sonundaki poli A kuyruğu (AATAAA) ise mRNA'nın stabilitesini ve ribozomlara bağlanmasını sağlamaktadır .

Alfa ve beta benzer globin genlerinin farklı gelişme evrelerindeki (embryionikten erişkine) aktive olma sırası 5' den 3' e doğru organize edilmiştir. Bu globin genlerinin farklı gelişme dönemlerindeki aktivasyonu, farklı hemoglobin sentezine neden olmaktadır (şekil 6). Bu dizisel aktivasyonun sorumlu olduğu olayların doğası (alfa benzer genlerinden zetanın alfaya, beta benzer genlerinden epsilonun gamaya ve onun da betaya geçişi) çok iyi bilinmemektedir. Fakat embriyodaki Yolk-sac'dan fetal karaciğere ve oradan da kemik iliğine eritropoezin aktif geçişinde bir paralellik vardır. İkinci geçiş ise beta benzer globin genlerinde meydana gelmektedir. Yenidoğanda HbF'in yapısında bulunan gama zincir oranındaki ^G>γ/^A>γ %70'den %30'a kadar azalma ile total gama zincir üretiminin azalması parelellik göstermektedir. Erişkinlerin çoğunda %1'den az olan HbF'deki ^G>γ/^A>γ oranı %40-60 arasındadır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar ile ^G>γ/^A>γ oranının değikenliğinden ^Gγ geninin 5' tarafındaki genetik heterojenitenin sorumlu olduğu gösterilmiştir.

Şekil 6: Gelişme süresecine göre globin zincir sentezindeki değişimler

Bu bilgilere göre globin zincir üretimindeki kusurları anlamak için protein sentezinin aşamalarını örneklerle açıklamak yararlı olacaktır. Beta globin sentezinden sorumlu gen  dizisi şekil 7'de gösterilmiştir.

-148        ccagaagagc caaggacagg tacggctgtc atcacttaga cctcaccctg tggagccaca

-88          ccctagggtt ggccaatcta ctcccaggag cagggagggc aggagccagg gctgggcata

-28          aaagtcaggg cagagccatc tattgcttAc atttgcttct gacacaactg tgttcactag

+24         caacctcaaa cagacacc   

Ekson 1   ATG GTG CAC CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT GCC GTT ACT GCC CTG TGG

Cd 16      GGC AAG CTG AAC GTG GAT GAA GTT GGT GGT GAG GCC CTG GGC AG

IVS1 1     gttggtatca aggttacaag acaggtttaa ggagaccaat agaaactggg catgtggaga

61            cagagaagac tcttgggttt ctgataggca ctgactctct ctgcctattg gtctattttc

121          ccacccttag

Ekson 2   G CTG CTG GTG GTC TAC CCT TGG ACC CAG AGG TTC TTT GAG TCC TTT GGG

Cd 47      GAT CTG TCC ACT CCT GAT GCT GTT ATG GGC AAC CCT AAG GTG AAG GCT

Cd 63      CAT GGC AAG AAA GTG CTC GGT GCC TTT AGT GAT GGC CTG GCT CAC CTG

Cd 79      GAC AAC CTC AAG GGC ACC TTT GCC ACA CTG AGT GAG CTG CAC TGT GAC

Cd 95      AAG CTG CAC GTG GAT CCT GAG AAC TTC AGG

IVS2 1     gtgagtctat gggacccttg atgttttctt tccccttctt ttctatggtt aagttcatgt

61            cataggaagg ggagaagtaa cagggtacag tttagaatgg gaaacagacg aatgattgca

121          tcagtgtgga agtctcagga tcgttttagt ttcttttatt tgctgttcat aacaattgtt

181          ttcttttgtt taattcttgc tttctttttt tttcttctcc gcaattttta ctattatact

241          taatgcctta acattgtgta taacaaaagg aaatatctct gagatacatt aagtaactta

301          aaaaaaaact ttacacagtc tgcctagtac attactattt ggaatatatg tgtgcttatt

361          tgcatattca taatctccct actttatttt cttttatttt taattgatac ataatcatta

421          tacatattta tgggttaaag tgtaatgttt taatatgtgt acacatattg accaaatcag

481          ggtaattttg catttgtaat tttaaaaaat gctttcttct tttaatatac ttttttgttt atcttatttc taatactttc cctaatctct

ttctttcagg gcaataatga tacaatgtat

601          catgcctctt tgcaccattc taaagaataa cagtgataat ttctgggtta aggcaatagc

661          aatatttctg catataaata tttctgcata taaattgtaa ctgatgtaag aggtttcata

721          ttgctaatag cagctacaat ccagctacca ttctgctttt attttatggt tgggataagg

781          ctggattatt ctgagtccaa gctaggccct tttgctaatc atgttcatac ctcttatctt

841          cctcccacag

Ekson 3   CTC CTG GGC AAC GTG CTG GTC TGT GTG CTG GCC CAT CAC TTT GGC AAA

Cd 121    GAA TTC ACC CCA CCA GTG CAG GCT GCC TAT CAG AAA GTG GTG GCT GGT

Cd 137    GTG GCT AAT GCC CTG GCC CAC AAG TAT CAC TAA

UTR1     gctcgctttc ttgctgtcca atttctatta aaggttcctt tgttccctaa gtccaactac

UTR 61    taaactgggg gatattatga agggccttga gcatctggat tctgcctAAT AAAAaacatt

UTR 121  tattttcatt gcaatgatgt atttaaatta tttctgaata ttttactaaa aagggaatgt

UTR 181  gggaggtcag tgcatttaaa acataaagaa atgaagagct agttcaaacc ttgggaaaat

UTR 241  acactatatc ttaaactcca tgaaagaagg tgaggctgca aacagctaat gcacattggc

UTR 301  aacagccctg atgcctatgc cttattcatc cctcagaaaa ggattcaagt agaggcttga

UTR 361  tttggaggtt aaagttttgc tatgctgtat tttacattac ttattgtttt agctgtcctc

UTR 421  atgaatgtct tttcactacc catttgctta tcctgcatct ctcagccttg actccactca

Globin Zincir Sentezi

Protein sentezi için DNA'da şifrelenen genetik bilgi mRNA üzerinden proteine doğru akmaktadır. Bu olaya moleküler biloyojide santral dogma denilmektedir.

                           Transkripsiyon                  Translasyon

               DNA      ----------®  RNA   -----------®  Protein

Proteini kodlayan DNA'daki bilginin RNA'ya aktarılmasına transkripsiyon denilmektedir. Haberci RNA diye bilinen bu dizi, DNA'nın 5'®3' yönünde bir kopyası olup RNA polimeraz enzimi ile gerçekleştirilir. Çekirdekte bir takım modifikasyonlardan sonra sitoplazmaya salınan olgun haberci RNA (mRNA) protein sentezi için ribozomlara bağlanır. mRNA üzerinde protein sentezini başlatan kodon (AUG) ile durdurma kodonu da yer almaktadır. Başlama kodonunu takip eden her üç baz bir amino asidi şifreleyerek protein sentezi gerçekleştirilmektedir. Stop kodon ile protein sentezi tamamlanır. Bu olaya translasyon denilir. Tamamlanan globin zinciri ribozomlardan ayrılarak sitoplazmaya salınmaktadır.

Transkripsiyon

Bir protein sentezleneceği zaman ilgili gendeki DNA dizisinden enzimatik olarak nükleer RNA sentezlenir. Bu olaya transkripsiyon, meydana gelen yapıya ise heterojen nüklear RNA (hnRNA) yada mRNA öncüsü denilmektedir. Transkripsiyonun başladığı nükleotid dizisi (ACA) RNA'nın 5' ucunda yer almaktadır. β globin geninin 5' ucundaki nükleotid dizisi, regulatör bölgeler ile transkripsiyonun başlangıç yeri ve mRNA’nın protein sentezini başlatan bölgesi şekil 8'de gösterilmiştir.

DNA dizisi üzerinde transkripsiyonu başlatan kısım ilk nükleotidten ekson I in 5' tarafına kadar olan 50 nükleotid uzunluğundadır. Bu başlama noktasından (CAP bölgesi) önce bulunan ve translasyona uğramayan 5' UTR (untranslated region) dizisine ise promotor bölge denilmektedir.

Şekil 8: İnsan beta globin geninin 5' tarafındaki DNA baz dizisi

Transkripsiyon geninin 5’ ucundan 3' tarafındaki translasyonda görev almayan UTR daki özel sinyallerle sonlandırılır. Terminasyon kodonundan 3' tarafa doğru 107 nükleotid uzaklıkta yer alan bölgeye Poli A kuyruğu denilmektedir (şekil 7).

Promotor bölge

Bir genin 5' ucunda bulunup transkripsiyonun doğru başlamasını sağlayan ve spesifik sinyaller içeren kısmına promotor bölge denilir. Bu bölge 150 nükleotid uzunluğundadır. Beta geninin promotorunda üç önemli kısım bulunmaktadır. Genin proksimal kısmında nükleotid sayısı bakımından yaklaşık -30 pozisyonunda adenin ve timince zengin TATA box bölgesi bulunur. İkinci önemli bölge CAAT box olup -76, -83 nükleotidleri arasındadır. Üçüncü bölge ise -100 nükleotidler civarında CACCC dizisidir. Bu bölgede meydana gelen mutasyonlar transkripsiyonu azalttigi icin b^>+> talasemiye neden olmaktadır. Epsilon, gama, delta ve beta genlerinin promotor bölgesi şekil 9' da gösterilmiştir.

Delta globin geninde CAT box tam gelişmemiş olup TATA ve CCAT box arasındaki mesafe fonksiyonel genlerinkinden daha kısadır. Ayrıca CAAT box'un önünde bulunan dizilerde eksiktir. Bunlar delta geninin promotor yapısının defektif olmasına ve genin hipofonksiyonuna neden olmaktadır.

Şekil 9: Epsilon, gama, delta ve beta genlerinin promotor bölgeleri

Transkripsiyondan sonra meydana gelen hnRNA bazı işlemlerden geçtikten sonra mRNA'ya dönüşmektedir. Öncü mRNA'nın 5' ucunun metilasyona uğramasına capping, bölgeye ise Cap denilmektedir. Daha sonra intronlar enzimatik olarak kesilip diziden çıkarılır. Eksonların birbirine yapışarak olgun mRNA'nın meydana gelmesine (processing) RNA işlenmesi denilmektedir. Bu kesim yerlerinde özel diziler yer almaktadır. Eksonların 5' akseptör ucunda AG ve 3' donör tarafında GT nükleotidleri bulunur. Yapışma sırasında önemli rolü olan bu dizilerde meydana gelen değişiklikler prosesing olayını engellemektedir. İntronların tam olarak diziden çıkarılması sonucu olgun mRNA meydana gelmektedir. Bu kalıba göre de protein sentezi gerçekleştirilmektedir.

Poliadenilasyon>

Ökaryot mRNA molekülünün sahip olduğu Poli A kuyruğu genin 3' ucunda bulunmakta olup kodlanmada fonksiyonu yoktur. Yani poli A transkripsiyonun sonlandığı yer değildir. Transkripsiyon üniteleri AAUAAA dizisi ile tanınan spesifik endonükleazlar ile ayrılır. >Bu sinyal ile ayrılan transcript ünitesinin 3' ucuna poli A polimeraz enzimi ile yaklaşık 250 tane A eklenir. Poli A kuyruğunun rolü bir muamma olmakla birlikte mRNA'yı çekirdekten dışarı taşır ve protein sentezinin tam ve etkili başlamasını sağlar. AAUAAA sinyal dizisi üzerinde meydana gelen mutasyon sonucu transkripsiyon ünitesi uzayarak dayanıksız mRNA sentezlenmektedir. Bir kısmının ise translasyona uğraması nedeniyle bir miktar globin sentezlendiği için β⁺ talasemiye neden olmaktadır.

Translasyon

Protein sentezi sitoplazmada bulunan poliribozomlar üzerinde, mRNA'daki bilgiye göre tRNA'ların taşıdığı amino asitler arasında peptid bağı oluşmasıyla meydana gelir. Translasyonun anahtarı genetik kod olup mRNA'daki her üç baz bir amino asidi şifrelemektedir. Dört baz (A,C,G,T) olduğuna göre toplam (4ⁿ) 64 kodon bulunmaktadır. Bunlardan üçü stop kodonu olup diğer 61 tanesi 20 amino asidi kodlamaktadır. Protein sentezi için aminoasitleri şifreleyen genetik kod şekil 10’da gösterilmiştir.

Protein sentezi mRNA'daki bilgiye göre gerçekleşir. Beta globin sentezinde ilk amino asid olan metiyonin, sentez bitmeden önce diziden ayrılır. Bu nedenle AUG ye mRNA'nın okuma kodonu denilmektedir. Başlatma kodonundan sonraki her üç baz bir amino asidi şifrelemekte olup bunlara kodon denilmektedir. Sitoplazmada her amino asiti taşıyan bir tRNA bulunmakta olup, mRNA'daki kodonlara spesifik komplementer bir dizi (antikodon) yapısında bulunmaktadır. Birinci kodon (GUG) valini şifrelemektedir. Valini taşıyan tRNA'nın antikodonu aracılığı ile mRNA'ya bağlanır ve ribozom bir kodon ileri kayarken metiyonin ile valin arasında bir peptid bağı kurulur. Ribozomların mRNA üzerinde 5'®3' yönünde ilerlemesi ile protein sentezi gerçekleşir. Stop kodona gelindiğinde ribozomlardan ayrılan globin zinciri sitoplazmaya salınmaktadır. Transkripsiyon, RNA işlenmesi ve protein sentezi şekil 11’ de gösterilmiştir.

Eksonlardaki kodonlardan birine nükleotid eklenmesi veya eksilmesi dizi kayması (frameshift) sonucu ilerde anlamsız bir kodon (stop) oluşturarak translasyonun durmasına neden olmaktadır. Sekizinci kodondaki iki nükleotid (-AA) delesyonu 21. kodonda TGA anlamsız kodununu oluşturarak β° talasemiye neden olmaktadır. Kodlayan dizide bir nükleotid değişikiliği sonucunda meydana gelen stop kodon da traslasyonu durdurmaktadır. Kodon 37 (TGG®TGA) ve 39'da (CAG®TAG) erken stop kodon oluşması nedeniyle (β°) talasemiye neden olmaktadır.

Şekil 11: Transkripsiyon, RNA işlenmesi ve translasyon şematik olarak görülmektedir.

KAYNAKLAR

Çürük MA: Azerbaycan Türklerinde Beta Talasemi’nin DNA ve Globin Zincir Analizi ile Belirlenmesi. Ç.Ü. Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Adana, 1994.

Gürgey A: Talasemi ve Hemoglobinopatilerde yeni görüşler.TÜBİTAK Yayınları No 628 Ankara, 1986.

Lukens JN, Lee GR: The abnormal hemoglobins: General principles. (Eds.) Lee GR, Bithell TC, Foester J, Athens J, Lukens JN: Wintrobe's Clinical Hematology içinde. 9.baskı, Lee and Febiger USA, 1993. s 1023-1053.

Lukens JN: The Thalassemias and related disorders; Quantitative disorders of hemoglobin synthesis. (Eds.) Lee GR, Bithell TC, Foester J, Athens J, Lukens JN: Wintrobe's Clinical Hematology içinde. Lee and Febiger USA, 1993. s 1102-1145.

Thompson M, Mcinnes RR,Willard HF: Genetics in Medicine. 5. baskı, B Saunders Comp Philadelphia, 1991. s 247-270.

Mathev KC, Van Holde KE: Biochemistry. The Benjamin Cumming Publishing Company Inc, California 1990. s 216-224.

Stryer, L: Biochemistry. 3.baskı, WH Freeman and Company, New York, 1988. s 144-171.

Lehman H, Huntsman RG: Man's Hemoglobins. North Holland Publishing Comp, Amsterdam,1974. s 59-76.