作者：宋文倩，周世航，大连市血液中心血型研究室
自从1990年Landsteiner发现了人类首个红细胞抗原血型系统———ABO血型系统,至今它仍是
血型鉴定错误可能会引起急性输血反应、遗传纠纷等问题。因此,在血型血清学检测的基础上,明确ABO亚型抗原表达异常的分子机制,对于正确鉴定ABO亚型,保障输血和器官移植安全以及减少亲子关系纠纷等方面具有重要意义。
对于ABO亚型的研究方向主要分为血清学水平(血清免疫学实验)和分子生物学水平(DNA编码区突变、转录调控和m RNA表达)。血清学方法鉴定ABO血型技术目前已十分成熟并被广泛应用,但是诸如疾病、药物等干扰因素导致的血清学结果异常,很多时候难以凭借血清学结果来定型。随着基因测序技术的进步,对ABO基因水平的研究越来越深入。本综述总结了目前针对ABO血型领域,在DNA编码区突变、转录调控、翻译和蛋白表达方面的研究进展。
1 ABO血型抗原的生化合成机制
正常ABO血型有A、B、O和AB四种。ABO血型抗原属于多糖抗原。ABO血型基因不直接编码A、B抗原,而是编码特异性的糖基转移酶,通过糖基转移酶催化底物H抗原来控制ABO血型抗原的合成。H抗原是由Hh血型系统的FUT1和FUT2基因控制合成的。H抗原的生化合成主要涉及Ⅰ型寡糖链和Ⅱ型寡糖链两种血型前体物质,前者主要存在于分泌液中,后者主要存在于红细胞表面。FUT1和FUT2基因分别编码两种L-岩藻糖基转移酶。L-岩藻糖分别连接到红细胞上的Ⅱ型寡糖链前体和分泌液中的Ⅰ型寡糖链前体,生成红细胞上和分泌液中的H抗原。A基因可以编码产生α-1,3-N-乙酰-D-半乳糖转移酶,即糖基转移酶A(GTA),催化N-乙酰-D-半乳糖与H物质以α-1,3-糖苷键相连,生成A抗原;B基因可以编码产生α-1,3-D-半乳糖转移酶,即糖基转移酶B(GTB),催化D-半乳糖与H物质以α-1,3-糖苷键相连,生成B抗原。O基因是无效的ABO等位基因,不能编码GTA或GTB,所以不会使H物质进一步糖基化,因此O型个体只存在高水平的H抗原。AB型个体同时表达GTA和GTB,它们以共显性方式表达[1]。
2 ABO基因编码区的等位基因突变
ABO基因位于人类第9号
ABO基因突变主要为单核苷酸多态性(SNP),也存在核苷酸片段插入、缺失、基因重组和交换等突变机制。过去十几年间,数千个ABO基因的SNP突变被收录到公共数据库(如Genbank和Ensembl)中[8]。以A101等位基因c DNA的序列为例,截至2020年8月Ensembl数据库中,在编码区的1065个核苷酸中,有500多个位点已被鉴定出SNP突变[11]。根据国际输血协会官网公布的最新统计(2017年10月),已发现引起氨基酸突变的ABO等位基因多达207个:A型有84个等位基因,对应血清型A1、A2、A3、Aweak、Ax、Am和Ael;B型有49个等位基因,对应血清型B、B3、Bx、Bweak和Bel;cis AB和B(A)各有6个等位基因;O型有62个等位基因[12]。
随着基因测序技术的迅速发展,近几年不断有新的ABO编码区基因突变被发现。例如Shao等[5]对血清学为B(A)亚型的样本做基因测序,发现c.797T>C突变导致p.Met266Thr的氨基酸替换。崔文燕等[13]发现1例由c.586T>C突变导致的Bel亚型,氨基酸改变为p.Cys196Arg。王立萍等[14]发现1例血清学定型正反不符的标本ABO*B.01基因第7外显子803位置C碱基缺失,导致p.Ala268Gly和p.Phe269Ser的氨基酸替换,并且从269位置开始产生新的开放阅读框,导致B基因表达在第20号氨基酸处终止。
3ABO基因非编码区转录水平的调控
大部分ABO亚型是由编码区的碱基突变引起氨基酸改变,影响GTA或GTB的功能,从而使A抗原或B抗原的表达减弱,甚至完全不表达。也有一部分ABO抗原异常的人群在编码区未能找到突变位点,通过对ABO基因调控区启动子、增强子和1号内含子+5.8kb区域的研究发现,非编码区序列的改变也会影响ABO血型抗原的表达[15-16]。基因的转录调节功能区存在于基因的内含子和周围DNA序列,决定了此基因何时、何地和何种水平被转录[17-18]。这个区域由3个部分组成:核心启动子(启动mRNA转录,转录方向指向第2外显子)、核心启动子的近端区域、远端增强子。转录因子结合到这些区域,募集包含RNA聚合酶的起始前复合物到启动子[16]。ABO基因核心启动子的近端区域位于翻译起始位点的-150~-2。在-56~-44位置,GC盒与转录因子Sp1或Sp类蛋白大量结合。有研究表明基因突变导致转录因子不能识别并结合到此区域会降低启动子活性,因此Sp1或Sp类蛋白对于核心启动子的近端区域的活性有重要影响[19]。此外,在ABO基因序列中有两个CpG岛,核心启动子的近端区域位于第一个CpG岛内。通常CpG岛内的启动子可能包含多个转录起始位点,这也解释了为什么ABO基因中也存在多个转录起始位点[16]。近年来,很多关于ABO核心启动子近端区域的基因突变的研究证实了其对于ABO基因转录表达的功能意义。Cai等[15]报道了在B3表型中c.-35_-18del降低了plasmid-basedreporteras-say中的启动子活性。2例A3和B3亚型研究分别报道了c.-77C>G、c.-76G>C和c.-68G>T,每种突变都会降低荧光素酶报告基因测定中的启动子活性[20-21]。
Sano等[22]发现K562细胞中,相对于翻译起始位点,+5653和+6154之间(c.28+5624_6125)存在一个远端调节区域,即+5.8kb位点,ABO基因在此区域存在特异性的调节活性。已发现区域可结合转录因子GATA和RUNX1。当基因突变导致转录因子无法识别此区域的结合位点时,K562细胞中+5.8kb位点的调节活性大大降低[23-24]。因此转录因子与+5.8kb位点的结合对ABO基因的转录调节十分重要。此外,相对于ABO的翻译起始位点,在+22563和+22781之间还有一个远端调节区域,称为+22.6kb位点。该区域可结合上皮细胞特异性转录因子Elf5,而突变导致的Elf5无法结合会降低+22.6kb位点的调节活性,充分证明了上皮细胞中ABO基因表达有+22.6kb位点的参与[25]。因此,ABO基因的特异性表达离不开细胞因子与这些红细胞特异性调节元件的结合。
4 ABO基因蛋白水平的研究
ABO血型抗原在胎儿发育的第5周后开始在红细胞和组织中表达,尤其在所有器官的内皮和上皮细胞中表达。这些抗原是与蛋白质或脂质相连的线性或分支多糖结构的末端聚糖序列[26]。这些多糖结构分为4种类型,红细胞上的Ⅱ型寡糖链和分泌液中的Ⅰ型寡糖链较常见,Ⅲ型和Ⅳ型多存在于胃肠道组织中,只有少量存在于红细胞上[27]。截至2018年6月,已有上传记录的ABO聚糖结构,A型有540种,B型有182种,O型有2742种[4]。
然而,ABO基因遗传多态性不一定与末端聚糖结构表型多态性直接相关。因为聚糖结构不是蛋白质的初级基因产物,而是次级基因产物。首先糖基转移酶被表达,按照特定的糖苷键顺序催化前体物质后,才能形成ABO抗原的聚糖序列。其中转录、剪接和翻译的过程都可能影响糖基转移酶的生物合成,这种影响很难通过抗原状态直接观察到。正因为ABO血型抗原的聚糖结构与ABO基因序列没有直接关系,所以ABO抗原的基因表达研究比蛋白质血型抗原更复杂[4]。
科学家已利用核磁共振、X射线晶体学和建模方法揭示了糖基转移酶和血型抗原的三维结构[28-29]。已发表的GTA和GTB三维结构分别已有103和159种[4]。GTA和GTB都是位于高尔基复合体中的Ⅱ型跨膜蛋白,在体内有一个短胞质尾部、一个跨膜结构域、一个短茎区和一个催化结构域[30]。当GTA和GTB从非配体状态变为配体状态时,供体和受体模拟底物出现“开放”、“半封闭”和“封闭”构象。在开放形式中,由2个α螺旋组成的内部多肽环与非配体状态的酶或H抗原结合酶的活性位点相邻,这2个螺旋分别跨越Arg180-Met186和Arg188-Asp194。酶的半封闭和封闭形式分别
通过结合UDP或UDP和H抗原类似物产生,合并形成的单个扭曲螺旋结构封闭了部分活性位点。封闭型与半封闭型的区别在于9个C端残基的排列差异[31]。除了酶催化结构域内氨基酸改变可能影响GTA和GTB活性,有研究证明催化活性域外的氨基酸取代也可以显著影响A和B转移酶的活性。特别是在两种不同的糖基转移酶竞争相同的受体底物的情况下,氨基酸突变的转移酶的酶活性会明显降低[32]。此外,对GTA和GTB的X射线结构研究表明,有两个区域观察不到电子密度:从残基179~194的16个内部氨基酸无序环和C端最后10个残基(345~354)。它们参与了底物的结合和周转,但确切的作用机制尚不明确[33]。临床研究发现与具有相同ABO血型的健康人群对照组相比,出现静脉血栓栓塞的患者的GTA和GTB活性显著降低,然而对应的生物机制还有待探索[34]。
5 结论
人类ABO血型系统有A、B和O三个等位基因。A和B基因分别编码GTA和GTB,O编码一种无活性酶。GTA和GTB分别催化N-乙酰D-半乳糖和D-半乳糖结合到前体物质H抗原上,生成A和B抗原。ABO抗原为聚糖结构,首先糖基转移酶被表达,按照特定的糖苷键顺序催化前体物质后,才能形成ABO抗原的聚糖序列,因此它是蛋白质的次级基因产物,与ABO基因序列没有直接关系,所以对ABO血型的研究多集中在ABO等位基因多样性对GTA和GTB结构和功能的影响。鉴于ABO血型系统在输血、器官和组织移植以及细胞或分子治疗中起着至关重要的作用,在血清学研究的基础上,对ABO基因编码区突变、转录调控、翻译和蛋白表达方面的研究能够让我们加深对ABO血型系统的认识,更好地服务于临床研究和治疗。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
参考文献略。
来源：宋文倩,周世航.ABO血型系统的分子生物学研究进展[J].临床血液学杂志,2025,38(2):157-160.
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