海洋性貧血與血紅蛋白基因簡介柯滄銘

前言:
所謂海洋性貧血(thalassemia,又名地中海型貧血),包括很多種類的遺傳性血液疾病,其共同的特徵是血紅素(hemoglobin)中血紅蛋白鏈(globin chain)的合成發生問題,使得該種血紅蛋白鏈的合成量降低或完全無法製造。結果使得紅血球的體積較小(microcytosis),而且每個紅血球內的血紅素含量降低,造成所謂的低血色素症(hypochromia)。海洋性貧血的種類雖然很多,但是其中最重要的為α及β型(甲型&乙型)海洋性貧血兩種。在α型海洋性貧血中,α血紅蛋白鏈的製造機能低下或完全喪失。相反地,在β型海洋性貧血,β血紅蛋白鏈的製造功能低下或完全喪失。
海洋性貧血除好發於地中海沿岸地區居民外,也常見於非洲人和亞洲人。據估計全世界人口的3%,即約有一億五千萬人為海洋性貧血帶因者,可說是人類常見的單一基因遺傳疾病。大陸西南和東南沿海以及台灣、東南亞一帶為海洋性貧血相當盛行的區域,因此海洋性貧血的帶因率也不低。據估計,台灣民眾中有大約有6%為某種海洋性貧血的帶因者。此外,近年來,台灣引進之外勞及外籍新娘多來自海洋性貧血盛行的東南亞。因此在遺傳諮詢及產前診斷方面是非常重要的疾病。

血紅蛋白基因

血紅素分子由四條血紅蛋白鏈結合而成。正常情況下,四條血紅蛋白鏈分屬α類(α-like)及β類(β-like);兩條α類的血紅蛋白鏈包括有α及ζ兩種,製造α及ζ血紅蛋白群的基因以連結(linked)的方式位於人體第16號染色體的短臂末端上。整個α血紅蛋白鏈的基因群的排列順序5′-ζ2-φζ1-φα2-φα1-α2-α1-θ-3′。每一條16號染色體上有一個有功能的ζ基因、兩個α基因與三個沒有功能的偽基因(pseudogene),分別為φζ1,φα2和φα1。從ζ到θ基因的DNA長度約30 kb。每個細胞內有兩條第16號染色體,其中一條來自父親,另一條來自母親;因此每個細胞內應有四個α基因。如果基因缺失(deletion);或者雖然存在,但卻喪失功能,則會產生種種的α型海洋性貧血。
β類的紅血蛋白鏈包括有、Gγ、Aγ、δ和β等五種,製造這類蛋白鏈的基因也以連結的方式位於第11對染色體的短臂上。整個β類紅血蛋白基因群的排列方式為5′-ε-Gγ-Aγ-φβ-δ-β-3′。從ε到β基因的長度約為50 kb。每個細胞內有兩條11號染色體,其中一條來自父親,另一條來自母親;因此每個細胞內應有兩個β基因,其中一個來自父親而另一個來自母親。β基因如果喪失功能或者缺失掉了,β血紅蛋白鏈的製造就發生問題,形成β型海洋性貧血。在遺傳過程中,基因是隨著染色體而傳遞的,而α基因和β基因分別位於兩條不同的染色體,因此兩者是獨立傳遞下去的。換句話說,α型海洋性貧血和β型海洋性貧血在遺傳上是互不關聯的,帶α型海洋性貧血的人也有可能得到β型海洋性貧血。

α型海洋性貧血的分類及臨床表現

正常人每個細胞的四個α基因可以αα/αα表示,其中α2基因製造α鏈的功能比起α1基因較多,但相差不大,因此通常視為機能相同的四個基因。由於α基因的重複(duplication),兩個α基因的構造非常類似,基因兩側的核酸序列也有一些相似的結構(homologous region),因此在DNA複製時易於配對錯誤(mispairing),造成α基因群容易產生基因缺失(gene deletion)的現象。除此之外,α基因也會產生非缺失型的突變(nondeletional mutation);基因雖然存在,然而卻喪失功能。例如:Quong Sze突變型的α基因(Hb Quong Sze)是在α基因的第125 codon由CTG突變為CCG,使得帶入的氨基酸由leucine變為proline,此一異常α鏈極不穩定,很快就被破壞掉,因此如同沒有α鏈的製造。另一種中國人常見的非缺失型突變為Constant Spring型,α2基因上也有單一核甘酸的突變,在終止密碼(termination codon)處由UAG突變為CAG,因此,α鏈的長度多了31氨基酸,變得極不穩定,很容易被分解掉,而形成α型海洋性貧血。
依照α基因缺失或喪失功能,α型可分為對列幾大類:
(1)單一α基因缺失或喪失功能的情形,剩下三個有機能的α基因,即異合子α型海洋性貧血二型(heterozygous α-thalassemia 2),可以αα/α-表示。這種帶因者臨床上沒有任何症狀,一般的血液學檢查也無異樣,唯平均血球體積(mean corpuscular volume, MCV)會位於正常值的下限。台灣民眾中,大約有1%屬於這種帶因者。
(2)兩個α基因缺失或喪失功能,只剩下兩個有功能的α基因。這種帶因者臨床上也通常不會顯出症狀,唯血液學檢查可能出現輕微貧血,血液抹片會發現紅血球大小不均(poikilocytosis),紅血球較小(microcytosis),紅血球內的血色素較少(hypochromia)的現象。全血球計數(complete blood count, CBC)會出現MCV及MCH(mean corpuscular hemoglobin)顯著偏低。其中MCV約在70fl左右,遠低於正常的80fl;而MCH則約在21 pg左右,遠低於正常的30 pg。從缺失或異常基因的位置而言,這些帶因者大體上又可區分為兩種類型:
(a)缺失或異常的兩個α基因來自同一個染色體者,以αα/--表示,即異合子α型海洋性貧血一型(heterozygous α-thalassemia 1)。
(b)缺失的兩個α基因分別來自不同的第16號染色體者,以α-/α-表示,即同合子α型海洋性貧血二型(homozygous α-thalassemia 2)。血液學的檢查無法區別此二基因型,必須借助DNA分析才有辦法。國人αα/--的基因型很常見,大約4.5%的人為帶因者,相對地α-/α-的帶因者則非常罕見。
(3)三個α基因缺失或喪失功能,只剩下一個有機能的α基因,以α-/--表示,即複合異合子α型海洋性貧血一型及二型(compound heterozygousα-thalassemia 1 and 2)。這些患者α血紅蛋白鏈的製造不足較嚴重,因此有中度的貧血,而血中過剩的β血紅蛋白鏈會形成β4的異常血紅素H,因此本症又稱為血紅素H症(Hb H diease)。患者的臨床表現有很大的個別差異;有些不需要或極少需要輸血,而有些則需不定期輸血,尤其在感冒或其他情況引起厲害溶血時。部份個案甚至需切除脾臟,以減緩紅血球的破壞,降低輸血的頻度。
(4)四個α基因完全缺失,以--/--表示,即同合子α型海洋性貧血一型(homozygous α-thalassemia 1)。這些胎兒完全無法製造α血紅蛋白鏈,所以在子宮內即產生很嚴重的溶血,貧血以及組織缺氧。因代償關係,肝臟的骨髓外造血機能非常旺盛,肝機能受到影響,使得胎兒的白蛋白(albumin)濃度降低。這些因素再加上心臟衰竭,使得胎兒通常於20幾週以後,即出現胎盤肥大,肝脾腫大,有腹水、胸腔積水、頭皮及全身皮膚水腫的現象,形成所謂的胎兒水腫(hydrops fetalis)。這種胎兒因為無法造α血紅蛋白鏈,所以γ血紅蛋白鏈會自行結合為γ4的異常血紅素,叫巴氏血紅素(Hb Bart's),因此又名巴氏胎兒水腫。
在單一α基因缺失(α-/)方面,常見的基因型有兩種(1)左端缺失(leftward deletion),缺失4.2 Kb的DNA以-α4.2/表示,佔所有單一α基因20%左右。(2)右端缺失(rightward deletion),缺失3.7 Kb的DNA,以-α3.7/表示,為最常見的單一α基因缺失,約佔80%左右的個案。
在兩個α基因缺失(αα/--及α-/α-)方面,α-/可由左端或右端缺失引起,而αα/--的基因缺失最常見的為東南亞型的大片段基因缺失--SEA/),約佔所有--/型的95%左右。其缺失的5'側起自φα2基因,一直延伸超過θ基因至鄰接3'側的高變化區間(3' hypervariable region, 3'HVR),缺失的長度約為20Kb,它包含φα2,φα1,α2,α1及θ基因。另有少部份的基因(佔2-3%),其缺失的範圍更大,連5'側的ζ2基因,φζ1基因也缺失掉了,屬於泰國型或菲律賓型(--Thai/或-Fil/)。

β型海洋性貧血的分類及臨床表現

全世界已知道的β型海洋性貧血基因突變型大約有200種之多,相當複雜。跟α型海洋性貧血相比較,β型的基因大部份不是大段基因的缺失,而是少數幾個或單一核甘酸的突變所引起的。以中國人來說,常見的突變型分為下列四種:(1)codon 41-42間四個核甘酸的缺失(-TCTT),因為掉了四個核甘酸,不是3的倍數,所以造成後續DNA的frameshift(移碼突變),而且在codon 59的地方形成終止碼(terminator),mRNA無法再接上氨基酸。(2)β基因第二個intron第654核甘酸位置C→T突變,使得mRNA的剪裁(splicing)發生問題。(3)codon 17處A→T突變,使得codon 17變為終止密碼,mRNA無法再接上氨基酸。(4)β基因上游-28位置A→G突變,影響到β基因的轉錄(transcription)。這四種突變佔了中國人β地中海型貧血基因型的90%左右。其餘的包括:血紅素E症,Aγδβ基因的大段缺失,codon 71-72間插入A,β基因的第一個intron第五個核甘酸G→C突變等。
寶寶如果患有重型乙型地中海型貧血,要在出生後六個月大時才會出現症狀。剛出生時,患有重型乙型地中海型貧血的寶寶在外觀上跟正常者沒有任何差別。一旦寶寶發病,後果嚴重,必須每隔二至三週輸血一次。長期的輸血會造成體內鐵質的沉積,導致體內器官的纖維維化,逐漸喪失功能,最後病患常因心臟衰竭而在十幾歲即死亡。另一方面,由於長期輸血,容易引起病毒的感染,例如B型、C型、D型肝炎,和愛滋病等。為了克服鐵質沉澱所引起的問題,近年來我國引進了皮下注射排鐵劑的療法,每天注射8小時以上,每星期要打5-6天。雖然最近有一種可隨身攜帶的小型連續注射器,患者在打藥的時候,一般活動可以照常進行。然而不管是輸血或打排鐵劑,基本上都不是根本的治療,真正要根治這種疾病,需要骨髓移植。我國目前在骨髓移植的成功率大約在60%,其餘40%的失敗者可能因併發症死亡,或者回復原來長期輸血打排鐵劑的狀況。

我國海洋性貧血篩檢現況

海洋性貧血是一種隱性遺傳疾病,台灣大約有90萬人為甲型帶因者,30萬人為乙型帶因者。帶因者雖然沒有任何症狀,但其平均紅血球體積(MCV)和平均紅血球血紅素(MCH)皆會明顯偏低。台灣由於有不少的海洋性貧血帶因者,所以只要個案的MCV低於80,或MCH於25,首先應該考慮是不是地中海型貧血帶因者。除此之外,缺鐵性貧血也要列入考慮。由於甲型和乙型地中海型貧血是獨立遺傳的,所以有人可能同時繼承到甲型和乙型地中海型貧血的基因,少部份的人可能還加上缺鐵性貧血。一旦懷疑夫妻一方為地中海型貧血的帶因者,配偶也要儘速接受檢查,如果兩個人剛好都異常,就應該到確認診斷中心作進一步的檢查。一般而言,大約95﹪的個案可以得到清楚的分類,另外5%的個案可能無法肯定分類。為什麼呢?雖然海洋性貧血大體上分為甲型和乙型,但台灣同樣屬於甲型的基因型至少有6種,而屬於乙型的基因型亦高達18種,另外還有少數個案很像是甲型或乙型的帶因者,但無法肯定,如果再考慮缺鐵性貧血的可能性就更為複雜。一旦確認診斷中心鑑定夫妻兩個人都是同型的帶因者,則胎兒有25%的機率為重型的患者,25%的機率為完全正常,另外50%的機率跟父母一樣亦為帶因者,必須進一步檢查胎兒。
甲型和乙型海洋性貧血的產前診斷的方法有一些不同。如果胎兒可能是重型甲型的患者,可用下列方法檢查:(1)懷孕10或11週以後利用絨毛採樣檢查胎兒的基因型。(2)懷孕20週以後利用超音波掃瞄,看胎兒是否有水腫的現象。如果胎兒沒有水腫,胎盤肥大或心臟腫大的情況,則大致上應該沒有問題。相反地,如果胎兒有上述任一情況,則罹病的機率就大為提高,可以直接抽取胎兒血液,只要一抽到血液,可以在幾分鐘之內確立診斷。
另一方面,如果胎兒可能罹患重型乙型海洋性貧血,則可以利用絨毛採樣、羊膜穿刺或胎兒臍帶血抽取,以獲得胎兒的DNA直接分析其β血紅蛋白的基因型,可以確定胎兒是否罹病。
不管甲型或乙型海洋性貧血都是遺傳而來的,因此如果自己是帶因者,則可以肯定父母至少有一位也是帶因者,兄弟姊妹每一個人都有50%的機率亦為帶因者。這種帶因的狀況會保持一輩子,沒有藥物其他另類療法可以改變。夫妻兩人如為同型的帶因者,則胎兒有25%的機率罹病,這25%的機率跟胎次或性別完全無關。目前也無法利用人工受精或試管嬰兒可以篩檢到正常的精卵,從而降低胎兒罹病的機率。
我國自1991年推動孕婦海洋性貧血篩檢網路之後,一般民眾對於這種疾病的了解越來越多,大約有40%的胎孕婦接受這項篩檢服務,不過還有60%的孕婦尚未納入這一個系統,所以每年還是有一些新的個案出現,希望國人能夠正視這一個問題,孕婦在早期懷孕的時候應該要檢查MCV和MCH(這兩項皆包含在所謂的CBC檢查項下)。這種篩檢很方便、可行,花費也不多。相信經由大家的努力,可以在懷孕早期就把這類重型疾病診斷出來,以保障母親健康,並節省國家的醫療資源。

 

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