血液系统由血液、血管和造血组织组成,负责氧气和营养的输送、代谢产物的排出、免疫细胞的运输和凝血。它与免疫系统密切相关,免疫细胞通过血液输送到感染部位进行免疫反应,造血组织也是免疫细胞的生成地。此外,信号分子通过血液系统进行传输,实现细胞间通讯。因此,血液系统和免疫系统共同维持机体的健康和免疫防御。血液系统基因异常可能导致一系列免疫或血液相关的罕见疾病。
图1. 血液系统是多种血液细胞和免疫细胞生成、成熟和运输的场所 [1]
维生素B12选择性吸收障碍综合征 (IGS1)
维生素B12选择性吸收障碍综合征 (IGS) 是一种由于维生素B12水平低引起的疾病。维生素B12参与红细胞形成和大脑及中枢神经系统维护,但人体只能从食物中获取。IGS主要症状为巨幼红细胞性贫血,一半以上患者存在尿蛋白现象。血液系统异常还会导致生长发育迟缓、胃肠道或呼吸道感染等症状,以及肌张力减弱、运动障碍、发育迟缓或混乱等神经系统缺陷,并伴有泌尿道异常 [2]。目前治疗主要通过补充维生素B12,可短期内改善贫血症状并缓解神经系统症状,但无法根治。
CUBN基因编码的Cubilin蛋白参与从食物中摄取维生素B12到人体内的过程。Cubilin主要存在于肾细胞和小肠细胞上,通过与Amnionless蛋白附着固定在细胞外膜。Cubilin与通过小肠和肾脏的维生素B12结合形成复合物,再被Amnionless蛋白转移到肠细胞内并释放到血液中运输到全身。CUBN突变导致Cubilin功能障碍,无法与维生素B12形成复合物,影响其吸收 [3]。在小鼠中,Cubn基因全身性敲除会导致胚胎期致死,胚胎发育迟缓。虽然突变体胚胎中形成了尿囊和心脏等中胚层结构,但其他中胚层组织发育异常或缺失 [4]。
图2. Cubn-KO小鼠胚胎发育迟缓且缺乏体细胞 [4]
Cubn基因外胚层条件性敲除小鼠可存活且发育大体正常,但肾脏近曲小管细胞对维生素B12吸收存在明显缺陷,导致血浆中维生素B12含量急剧下降并出现部分血液系统异常。此外,该小鼠体内转铁蛋白和白蛋白等巨球蛋白排泄增加,导致蛋白尿产生 [5]。
图3. Cubn-cKO小鼠缺乏对维生素B12的吸收 [5]
除CUBN外,AMN也是IGS致病基因之一。AMN基因编码的Amnionless蛋白将Cubilin-维生素B12复合物转移到肠细胞内并释放到血液中运输到全身。此外,Amnionless蛋白还与血浆脂蛋白的组装、重塑和清除等过程相关。AMN基因突变导致Cubilin-维生素B12复合物无法附着在小肠和肾脏细胞上,影响其吸收。与Cubn-KO小鼠相似,Amn基因敲除小鼠没有羊膜,胚胎发育受损严重,存在胚胎致死现象且缺乏产生躯干的中胚层 [6-7]。
图4. Amn全身性敲除小鼠存在严重胚胎发育缺陷 [7]
此外,通过胚胎干细胞(ES)技术构建Amn缺失小鼠嵌合体可形成解剖学正常的肾脏和肠道,但小鼠表现出选择性蛋白尿。在Amn缺失小鼠组织中,Cubn未能正确定位到细胞表面,Amn缺失的胚胎和成年小鼠同样表现出对Cubn配体的选择性蛋白尿 [8]。
图5. Amn缺失嵌合体小鼠缺乏正确的Cubn细胞定位 [8]
红细胞增多症&贫血
红细胞是人体内含量最多的血细胞,主要功能是携带氧气从肺部运输到身体各组织和器官,以及将二氧化碳从组织运输回肺部呼出。红细胞从造血干细胞生成成熟的过程受多种细胞因子密切调控,其中红细胞生成素(EPO)最为重要。EPO与红细胞生成素受体(EPOR)结合激活受体,刺激多种信号通路,导致红细胞形成和成熟。红细胞生成异常会导致贫血、地中海贫血和红细胞增多症等疾病。EPOR和EPO是两个重要的致病基因,至少16种EPOR基因突变会导致家族性红细胞增多症 [9]。大多数EPOR基因突变导致生成异常短的红细胞生成素受体,使其与EPO结合后长时间保持异常激活状态,过度活跃的受体即使不需要红细胞也会发出生产信号,导致血液中红细胞过多。此外,EPOR完全缺失的突变也会导致贫血。
EPO和EPOR除促进红细胞生成外,还发挥促进心脏和中枢神经系统发育、改善学习和记忆等非红细胞生成功能。因此,在小鼠中,Epor全身性敲除小鼠出现其它系统障碍,表现出胚胎发育障碍或异常等表型,并在胚胎第11-12.5天死于子宫内,伴有严重贫血。因此,Epor纯合敲除小鼠不适合红细胞增多症研究,但可用于胚胎发育、原始造血调控和贫血方面研究 [10]。
图6. Epor-KO小鼠表现为异常白色胚胎和血细胞减少表型 [10]
与Epor全身性敲除小鼠相似,Epo全身性敲除小鼠同样胚胎致死,死亡前胚胎中存在严重造血缺陷,表现为胎肝中红系祖细胞数量严重减少 [11]。得益于基因编辑技术,可通过Cre/Loxp系统构建Epo条件性敲除小鼠,这类小鼠可存活到成年并在诱导后出现晚发型贫血表型。Cre重组酶活性表达后,Epo杂合敲除小鼠(EPO ko/flox)在3周内发展成中度至重度贫血 [12]。
图7. Epo条件性敲除小鼠Epo表达减少且红系造血存在缺陷 [12]
血小板无力症(GT)
血小板无力症(GT)是一种先天性凝血异常疾病,患者受伤时血液无法正常凝结,造成血流不止。这种常染色隐性遗传病临床上常见自发性粘膜出血,重者可内脏出血。治疗主要依靠预防、保护、止血、血小板输注,重症患者需造血干细胞移植治疗。GT由血小板膜糖蛋白GPⅡb(CD41/Itgb2b)和/或GPⅢa(CD61/Itgb3)数量或质量异常导致,造成血小板对各种生理性诱导剂聚集大大减低或缺失。GPⅡb和GPⅢa基因分别编码血小板上的糖蛋白Ⅱb和Ⅲa,两种糖蛋白结合形成GPⅡb/Ⅲa复合物,也称整合素αⅡbβ31。该复合体是纤维蛋白原和von Willebrand因子的受体,有助于血小板激活 [13]。
Itgb3(CD61)编码的β3整合素在血小板聚集和血栓形成以及着床、胎盘形成、血管生成、骨重塑和肿瘤进展等功能中起重要作用。Itgb3基因敲除小鼠可存活和生育,表现出GT所有主要特征,包括血小板聚集和凝块收缩缺陷、出血时间延长、皮肤和胃肠道出血,还有概率出现胎盘缺陷导致胎儿死亡、产后出血导致贫血和存活率降低等情况 [14]。同时也存在血小板计数减少、脾脏增大和髓外造血等非GT患者表型 [15]。
图8. Itgb3-KO小鼠呈现自发出血和出血时间延长等GT样表型 [15]
Itga2b(CD41)基因编码的整合素αIIb是经典血小板标志物,与整合素β3形成异二聚体,与纤连蛋白、纤维蛋白原、玻连蛋白和血管性血友病因子结合,发挥与Itgb3相似作用。但值得注意的是,Itga2b也是胚胎干细胞体外分化过程中第一个血液特异性标志物,在早期胚胎所有造血干细胞和祖细胞上表达。因此,Itga2b基因敲除小鼠除表现GT样表型外,还表现出多系造血缺陷和造血干细胞静止性和存活率降低等表型 [16]。
图9. Itga2b(CD41)-KO小鼠全血细胞减少,造血干细胞凋亡增加 [16]
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疾病类型 |
致病基因 |
类型 |
维生素B12选择性吸收障碍综合征 (IGS) |
Cubn |
cKO |
Amn |
cKO |
|
红细胞增多症&贫血 |
Epo |
KO、cKO |
Epor |
KO、cKO |
|
血小板无力症(GT) |
Itga2b |
KO、cKO |
Itgb3 |
KO、cKO |
参考文献
[1] MRG Science. “Topic 6.3 Defense Against Infectious Disease.” MRG Science, www.mrgscience.com/topic-63-defense-against-infectious-disease.html. Accessed 20 July 2023.
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