重度β-地中海贫血患者面临终身输血依赖及严重并发症的管理挑战。该疾病的病理生理机制主要归因于出生后γ-珠蛋白至β-珠蛋白基因表达转换缺陷，这一过程对正常血红蛋白生成至关重要。该发育转换涉及胎儿γ-珠蛋白的沉默与成人β-珠蛋白转录的协同激活。转录因子直接结合γ-珠蛋白启动子是此调控的核心。本综述综合了近期关于γ-至β-珠蛋白转换机制的进展，重点关注四种主要转录因子——GATA结合因子1（GATA1）、B细胞淋巴瘤/白血病11A（BCL11A）、含锌指和BTB结构域蛋白7A（ZBTB7A）以及核因子Y（NFY），以及GATA2和Krüppel样因子1（KLF1）等伴侣蛋白。此外，研究人员提出了一种竞争性结合模型，其中GATA1/NFY和ZBTB7A/BCL11A蛋白复合物竞争启动子占据位点。该模型为未来预防、诊断和治疗β-地中海贫血的策略提供了有益框架。
引言部分首先介绍了地中海贫血的遗传特性，指出其为一种由于构成血红蛋白的珠蛋白链合成减少或缺失导致的遗传性疾病，临床表现从近乎无症状到需要终身输血支持的严重疾病不等。在成人中，血红蛋白由两条α-珠蛋白链和两条β-珠蛋白链组成四聚体，分别由染色体16和11上的HBA和HBB基因簇编码。珠蛋白链生产的受损会扰乱红细胞生成，最终导致贫血。根据缺乏的特定链，地中海贫血分为α-地中海贫血、β-地中海贫血和联合α-与β-地中海贫血三大类。α-地中海贫血通常由HBA1和HBA2基因的缺失引起，严重程度与受影响基因的数量相关。β-地中海贫血主要由HBB基因中的点突变引起，分为β+（β-珠蛋白合成减少）和β0（完全缺乏β-珠蛋白合成）两种功能类型，临床上可分为轻型、中间型和重型。人类β-珠蛋白基因簇包含五个功能基因（ε, Gγ, Aγ, δ, β）和一个假基因（ψβ）。血红蛋白的产生经历两次主要的发育转换：第一次是在妊娠第六周左右从胚胎（ε）到胎儿（γ）珠蛋白；第二次是在妊娠28至34周之间从胎儿（γ）到成人（δ和β）珠蛋白。在后一转换过程中，两个γ-珠蛋白基因（Aγ和Gγ）的表达逐渐被沉默，而β-珠蛋白表达被激活，血红蛋白组成从胎儿血红蛋白（HbF, α2γ2）转换为成人血红蛋白（HbA, α₂β₂）。这种γ-至β-珠蛋白转换的破坏是严重β-地中海贫血的主要原因。目前证据表明，四个关键转录因子——GATA结合因子1（GATA1）、B细胞淋巴瘤/白血病11A（BCL11A）、含锌指和BTB结构域蛋白7A（ZBTB7A）和核因子Y（NFY）——直接结合γ-珠蛋白启动子，在其沉默中起核心作用，并代表β-地中海贫血有前景的诊断和治疗靶点。
GATA1与NFY在胎儿红细胞生成期结合γ-珠蛋白启动子
GATA结合因子1（GATA1）是红细胞基因表达和成熟所需的“主”转录因子。GATA1基因位于X染色体上，编码一种413个氨基酸的核蛋白，包含五个外显子和三个功能结构域：N端转录激活结构域（N-TAD）、N端锌指（N-finger）和C端锌指（C-finger）。C-finger结合DNA上的(A/T)GATA(A/G)基序，而N-finger介导与辅因子如FOG1和SOX6的相互作用。在胎儿红细胞生成过程中，GATA1通过其C-finger结合到γ-珠蛋白启动子内的两个GATA盒（位于-188和-172 bp处），这对于维持胎儿γ-珠蛋白表达至关重要。GATA1活性的主要调节机制涉及caspase-3介导的切割。在正常成熟过程中，caspase-3在嗜碱性阶段短暂激活，但热休克蛋白70（HSP70）向核内的易位保护GATA1免受降解。相反，HSP70被限制在细胞质中允许GATA1切割，损害功能性红细胞的产生。特定突变如Arg216的取代可导致X连锁β-地中海贫血。
GATA结合因子2（GATA2）编码一种480个氨基酸的蛋白，含有两个锌指结构域和核定位信号，主要表达于造血干细胞和祖细胞中。GATA2在造血早期起关键作用，调控肥大细胞和髓系-红系祖细胞的发育。其功能机制涉及“GATA切换”，即GATA2被GATA1替换。在此过程中，GATA2最初激活GATA1表达，随后通过反馈回路抑制GATA2，实现转录控制的 critical shift。
核因子Y（NFY）是由NFYA、NFYB和NFYC亚基组成的 ubiquitous 异三聚体转录因子，特异性结合启动子中的CCAAT盒基序。NFY通过结合CCAAT元件调节参与细胞生长、发育和应激反应的基因。近期研究表明，NFY通过竞争结合位点与抑制因子BCL11A结合于γ-珠蛋白启动子，从而在胎儿到成人转换期间破坏γ-珠蛋白沉默。NFY与激活因子GATA1在γ-珠蛋白启动子上的同时占据支持它们存在协同相互作用以完全激活γ-珠蛋白转录的推测。
BCL11A和ZBTB7A在成人红细胞生成期结合γ-珠蛋白启动子
B细胞淋巴瘤/白血病11A（BCL11A）编码一种含有六个C2H2型锌指结构域的835个氨基酸转录因子，是血红蛋白转换的关键调节因子，也是FDA批准的治疗镰状细胞病和β-地中海贫血的靶点。BCL11A的C端锌指（特别是Znf4–5）介导与γ-珠蛋白启动子-115 bp处的TGACCA基序结合，导致转录抑制和HbF沉默。BCL11A的抑制活性被NFY复合物和GATA1抵消。NFY结合相邻的CCAAT盒以及上游GATA1的结合可以破坏BCL11A的占据并重新激活γ-珠蛋白表达。这种竞争是空间位的，因为BCL11A的结合创造了一个物理屏障限制NFY进入其位点，反之亦然。BCL11A是β-地中海贫血的关键治疗靶点，例如通过CRISPR-Cas9破坏其红系特异性增强子以重新激活HbF的非病毒细胞疗法exagamglogene autotemcel（exa-cel）已获得批准。
Krüppel样因子1（KLF1）编码一种362个氨基酸的转录因子，对红细胞生成至关重要。KLF1的主要功能是通过激活HbF关键抑制因子BCL11A的表达来调节血红蛋白转换。KLF1直接结合BCL11A启动子并激活其转录。此外，KLF1通过结合HBB启动子中的CACCC框直接激活成人β-珠蛋白表达。KLF1突变是β-地中海贫血的重要原因。
含锌指和BTB结构域蛋白7A（ZBTB7A）编码一种584个氨基酸的蛋白，属于POK家族转录因子。其C端C2H2锌指结构域直接结合人γ-珠蛋白启动子的-200 bp位点。ZBTB7A作为BCL11A非依赖性的γ-珠蛋白基因主要沉默子发挥作用。当ZBTB7A和BCL11A同时被敲除时，HbF比例超过总血红蛋白的90%，表明存在互补的抑制途径。这种协同作用通过染色质重塑和去乙酰化酶（NuRD）复合物介导。研究人员提出ZBTB7A和BCL11A汇聚于NuRD复合物，可能形成更大的抑制装置（ZBTB7A–NuRD–BCL11A）以确保高效的HbF沉默。ZBTB7A的表达受转录因子KLF1的正向调节。
其他调节因子部分指出，新兴的表观遗传和转录后调节因子被视为珠蛋白转换的关键调节因子。锌指蛋白410（ZNF410）是一种高度特异性的表观遗传调节因子，它通过CHD4启动子中的保守基序激活NuRD复合物核心亚基CHD4的表达。组蛋白去甲基化酶赖氨酸特异性去甲基化酶1（LSD1 [KDM1A]）去除胎儿珠蛋白位点的激活标记。此外，非编码RNA，包括β-珠蛋白簇内的长非编码RNA（lncRNAs）和靶向BCL11A转录物的microRNAs，提供了转录后调节的额外层次。
假设的γ-至β-珠蛋白转换竞争性模型部分，基于审查的证据，研究人员提出了一个以γ-珠蛋白启动子相互作用为中心的发育γ-至β-珠蛋白转换竞争性结合模型。在此框架中，关键调节步骤涉及激活复合物（GATA1/NFY）和抑制复合物（ZBTB7A/BCL11A）在重叠或紧密相邻的启动子位点上的竞争。在胎儿红细胞生成期间，低水平的KLF1表达导致BCL11A和ZBTB7A活性降低，这种允许的环境使得GATA1/NFY激活复合物占据γ-珠蛋白启动子并促进转录。相反，在成人红细胞生成期间，高KLF1表达驱动BCL11A和ZBTB7A的强烈上调。这些抑制因子形成复合物（可能通过NuRD共抑制子连接），从启动子置换激活因子并建立γ-珠蛋白沉默。机制上，BCL11A以直接的空间位方式与NFY竞争，而ZBTB7A和BCL11A通过招募NuRD exert 协同但独立的抑制作用。该模型提供了阐明珠蛋白基因表达发育动态的机制框架，并揭示了治疗干预的新机会。治疗策略可能不仅限于针对抑制因子，而是侧重于稳定激活复合物或防止其被抑制蛋白置换。
结论部分总结道，本综述概述了四个关键转录因子——GATA1、NFY、ZBTB7A和BCL11A——结合γ-珠蛋白启动子以协调发育γ-至β-珠蛋白转换的作用。通过整合它们的个体功能，研究人员提出了该必要转换的竞争性结合模型。该模型认为胎儿阶段的激活复合物（GATA1/NFY）和成人阶段的抑制复合物（ZBTB7A/BCL11A）竞争占据γ-珠蛋白启动子。这一框架提供了对β-地中海贫血发病机制的更精细机制视角，并突出了针对这些竞争性复合物平衡的有前景的治疗途径。
