Кіріспе
Адамда кездесетін сүтқоректілер ақуызы – цистофиброздың трансмембраналық өткізгіштігін реттегіш (CFTR). Бұл CFTR генімен кодталған омыртқалы жануарлардағы мембраналық ақуыз және аниондық канал. Генетик Лэп Чи Цуи және оның командасы 1989 жылы CFTR генін цистикалық фиброз (CF) ауруымен байланысты ген ретінде анықтады. CFTR гені ABC тасымалдаушы класына жататын иондық канал ақуызын кодтайды, ол эпителий жасушаларының мембраналары арқылы хлорид және бикарбонат иондарын өткізеді. CFTR генінің аниондық каналдың жұмысына әсер ететін мутациялары өкпе, бүйрек безі және басқа да органдардағы эпителийлік қабықша сұйықтығының (шырыш) тасымалының бұзылуына алып келеді, нәтижесінде цистикалық фиброз пайда болады. Асқынуларға өкпедегі қалың шырыш, жиі респираторлық инфекциялар, бүйрек безінің жеткіліксіздігі, нашар тамақтану және диабет жатады. Бұл жағдайлар созылмалы мүгедектікке және қысқарған өмір сүруге әкеледі. Еркек пациенттерде дамып келе жатқан тұқым қозғалтқыштары (спермалық бау) мен эпидидимистің прогрессивті бітелуі және зақымдануы аномальді ішкі люменді секрециялардың салдарынан туындайды, бұл тұқым қозғалтқыштарының туа біткеннен жоқ болуына және еркектерде сүйексіздікке алып келеді, сонымен қатар май қышқылдарының тепе-теңдігінің бұзылуымен байланысты.
Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a membrane protein and anion channel in vertebrates that is encoded by the CFTR gene. Geneticist Lap Chee Tsui and his team identified the CFTR gene in 1989 as the gene linked with CF (cystic fibrosis). The CFTR gene codes for an ABC transporter class ion channel protein that conducts chloride and bicarbonate ions across epithelial cell membranes. Mutations of the CFTR gene affecting anion channel function lead to dysregulation of epithelial lining fluid (mucus) transport in the lung, pancreas and other organs, resulting in cystic fibrosis. Complications include thickened mucus in the lungs with frequent respiratory infections, and pancreatic insufficiency giving rise to malnutrition and diabetes. These conditions lead to chronic disability and reduced life expectancy. In male patients, the progressive obstruction and destruction of the developing vas deferens (spermatic cord) and epididymis appear to result from abnormal intraluminal secretions, causing congenital absence of the vas deferens and male infertility, and found associated with an imbalance of fatty acids.
Ген
Адамның CFTR ақуызын кодтайтын ген 7-шы хромосоманың ұзын қолда, q31.2 позициясында орналасқан. Бұл мутациялар тікенекті омыртқалыларда кездеседі. Әрбір адам CFTR (цистофиброздың трансмембраналық өткізгіштігін реттегіш) генінің екі данасын мұраға алады. Дегенмен, мұраға алған даналардың кейбірі өзгерген болуы мүмкін. Қазірге дейін CFTR генімен 700-ден астам ерекше мутация байланыстырылған. Цистоздық фиброзбен ауырған адам CFTR генінің екі кемістік данасын мұраға алады. Бұл мутациялар гетерозиготалық болуы мүмкін, яғни екі түрлі мутацияны қамтиды, немесе гомозиготалық болуы мүмкін, яғни бірдей мутацияны қамтиды. Delta F508 ең көп кездесетін мутация, ол барлық мутациялардың 70% астамын құрайды. Delta F508 бойынша гомозиготалық жағдайда ауырған адамдарда көбінесе ұйқы безінің жеткіліксіздігі байқалады. CFTR гені жануарларда ядролық ДНК филогенетикалық маркері ретінде қолданылды және плаценталық топтардың төрт негізгі кладка бірігуін растады: Ксенартра, Афротерия, Лауразиатерия және Эуархонта плюс Глирес.
DeltaF508
DeltaF508 (ΔF508), толық атауы CFTRΔF508 немесе F508del CFTR (rs113993960), – CFTR генінің 7-хромосомасындағы 507 және 508 аминқышқылдарының кодондарын қамтитын үш нуклеотидтің жойылуын қамтитын нақты мутация. CFTRΔF508 мутациясы бар адам фенилаланин қалдығын жоғалтқан және дұрыс бүктелмейтін аномальды CFTR ақуызын өндіреді. Бұл мутацияланған ақуыздың көп бөлігі эндоплазмалық тордан кейін өңдеуге шыға алмайды. Плазмалық мембранаға жеткен шамалы мөлшері тұрақсыз болады және аниондық каналдар сирек ашылады. Бұл мутацияның екі көшірмесін (әр ата-анадан біреуін мұра еткен) цистикалық фиброздың (ЦФ) ең көп кездесетін себебі құрайды және әлемдегі мутациялардың үштен екісіне жауап береді.
Әсерлер
CFTR ақуызы көбінесе бүйрек безінің, ішек және тыныс алу жолдары эпителийлерінің, сондай-ақ барлық экзокринді бездердің жасушаларында экспрессияланады. Дұрыс бүлінген кезде ол жасуша мембранасына жеткізіледі, онда хлорид және бикарбонат иондарының жасушалардан шығуына мүмкіндік беретін сулы арналарды құрайтын трансмембраналық белокқа айналады; сонымен қатар, басқа арналық белоктың натрий иондарын сіңіруін тежейді. Бұл екі функция да иондық градиентті сақтауға көмектеседі, бұл осмоз арқылы жасушалардан судың шығуына себеп болады. ΔF508 мутациясы CFTR ақуызының дұрыс бүлінуіне және ER-де оның ыдырауына әкеледі. Мутацияның екі данасы бар организмдерде ақуыз жасуша мембранасында дерлік жоқ болады, сондықтан осы маңызды иондық тасымалдау функциялары орындалмайды. ΔF508 мутациясы бойынша гомозиготалық ген жұбының болуы CFTR ақуызының жасуша мембранасындағы қалыпты орнына ие болуына кедеріс келтіреді. Бұл жасушаларда судың сақталуын арттырады, жасуша сыртындағы кеңістіктің дегидратациясына және дененің әртүрлі бөліктеріне әсер ететін тізбектей реакцияларға әкеледі. Бұл әсерлерге: зардап шеккен органдардың эпителийіндегі шырышты қабықтардың қалыңдауы; қалың шырыш салдарынан тыныс алу жолдарының тарылуы және шырыштың еркін қозғалуының бұзылуы; ұрықтың даму кезінде шырыш қабықтың қалыңдауына байланысты үрімше безінің туа біткен жоқтығы; панкреатикалық каналдың шырышпен бітелуінен туындаған бүйрек безінің жеткіліксіздігі; бактериялар өсетін қалың, қоректік заттарға толы шырыш жиналуынан туындаған тыныс алу жолдары инфекциясының жоғары тәуекелі жатады. Бұл кістік фиброздың, генетикалық аурудың белгілері; алайда ΔF508 осы ауруды тудыратын жалғыз мутация емес. Гетерозиготалық тасымалдаушы (ΔF508 мутациясының бір данасын ұстанушы) болғандықтан диарея кезінде судың жоғалуы төмендейді, себебі бұзылған немесе жоқ CFTR ақуыздары жасуша мембраналары арқылы тұрақты иондық градиентті сақтай алмайды. Типтік жағдайда, зардап шеккен жасушалардың ішінде Cl− және Na+ иондарының байланысуы гипотониялық ерітіндіні жасушалар сыртында құрады және осмоз арқылы судың жасушаларға диффузиялануына себеп болады. Бірнеше зерттеулер гетерозиготалық тасымалдаушылардың әртүрлі симптомдарға бейім екенін көрсетеді. Мысалы, кістік фиброз бойынша гетерозиготизм тыныс жолдарының жоғары реактивтігімен байланысты екені көрсетілді, ал гетерозиготалар нашар өкпе функциясына ұшырауы мүмкін. Хетерозиготалардың үскірікпен байланысты нашар өкпе функциясының дамуы және созылмалы обструктивті өкпе ауруының прогрессиясы үшін жоғары тәуекелге ұшырағаны анықталды. Кістік фиброзға арналған бір ген инфекция болмаған жағдайда да өкпедегі жеңіл бұзылыстарды тудыруға жеткілікті.
Механизм
CFTR гені 7-ші хромосоманың ұзын қолшатырында, q31.2 позициясында орналасқан және 1480 аминқышқылының тізбесін кодтайды. Кәдімгі жағдайда геннің 507-ші орнындағы АТС (қарсы тізбектегі ТАГ-мен жұптасқан) үш ДНК негіз жұбы изолейцин үшін АУС мРНК кодонының қалыбын құрайды, ал жанындағы 508-ші орнындағы ТТТ (ААА-мен жұптасқан) үш ДНК негіз жұбы фенилаланин үшін УУУ кодонының қалыбын құрайды. ΔF508 мутациясы – 507-ші орындағы ЦГ жұбының және 508-ші орындағы алғашқы екі ТА жұбының жойылуы, нәтижесінде 507-ші орындағы АТТ (ТАА-мен жұптасқан) ДНК тізбегі қалады, ол АУУ мРНК кодонына транскрипцияланады. АУУ сондай-ақ изолейцинды кодтайтындықтан, 507-ші орындағы аминқышқылы өзгермейді, ал мутацияның жалқы әсері – 508-ші орында фенилаланин кодонын құрайтын тізбектің жойылуына ("Δ") балама болады.
Ауру таралуы
ΔF508 шамамен 30 европалықтың бірінде 7-хромосоманың кем дегенде бір көшірмесінде кездеседі. Мутацияның екі көшірмеде де болуы аутосомалық рецессивті ауру – кістоздық фиброзды (муковисцидоз) тудырады. Ғалымдар бастапқы мутацияның 52 000 жыл бұрын Солтүстік Еуропада пайда болғанын жорамалдаған, бірақ басқа этникалық топтардың кістоздық фиброзбен ауыратын науқастарында да бұл мутация кездеседі. Аллельдің жас болуы бұрынғы табиғи іріктелудің нәтижесі болуы мүмкін. Табиғи іріктелу арқылы бұл зиянды мутацияның сақталу себебінің бірі – бір көшірмесі холера кезінде судың жоғалуын азайту арқылы пайдалы әсер көрсетуі мүмкін, бірақ патогенді Вибрио холера бактериясы Еуропаға 18-ші ғасырдың соңында ғана енген. Тағы бір теория бойынша, КФ тасымалдаушылары (ΔF508 бойынша гетерозиготтар) қызбаға төзімдірек болуы мүмкін, себебі CFTR Salmonella typhi бактериясының ішек эпителий жасушаларына енуіне рецептор ретінде қатысады екен. Кістоздық фиброз ΔF508 гетерозиготтары астмасы бар адамдар арасында көптеп кездесуі мүмкін және олар мутация тасымалдаушы емес адамдарға қарағанда нашар өкпе функциясына ие болуы мүмкін. Бір CF мутациясын тасымалдаушы адамдарда созылмалы риносинуситтің таралуы жалпы халықтан жоғары. Еуропадағы кістоздық фиброз жағдайларының шамамен 50% гомозиготалық ΔF508 мутацияларына байланысты (бұл аймаққа қарай өзгереді), ал ΔF508 аллельдік жиілігі шамамен 70% құрайды. Қалған жағдайлардың себебі 1500-ден астам басқа мутациялар, оның ішінде R117H, 1717 1G>A және 2789+56G>A. Бұл мутациялар бір-бірімен немесе ΔF508 мутациясының бір көшірмесімен біріктірілгенде КФ симптомдарын тудыруы мүмкін. Генотип КФ ауырлығымен тікелей байланысты емес, бірақ белгілі бір симптомдар нақты мутациялармен байланысты.
Орналасуы мен қызметі
CFTR гені оның гендік құрамын кодтайтын 27 экзоннан тұрады және 7 хромосоманың ұзын (q) қолында 31.2 локуста орналасқан. Экзон – бұл ақуыз құрылымының кодын беретін ДНК фрагменттері. Кейінгі гидролиз (канондық белсенді орында, 2-орында, NBD2-нің Уокер мотивтерімен қоса) NBD димерін тұрақсыздандырады және анион өткізгіш жолы жабылатын ішкі конформацияға оралуына жағдай жасайды. Сонымен қатар, еркек репродуктивті жолдарда да табылады. Өкпедегі тыныс жолдарында CFTR ең жоғары деңгейде өкпе ионоциттері деп аталатын сирек кездесетін мамандықталған жасушаларда экспрессияланады. Теріде CFTR майлы және эккрин тер бездерінде күшті экспрессияланады. Эккрин бездерінде CFTR осы тер бездерінің өзекшесін құрайтын эпителий жасушаларының апикальды мембранасында орналасқан. Бұл жасушалар эпителийден ауа жолының беткі қабатындағы сұйықтыққа және шырышқа иондарды (теріс зарядталған) шығарады. Оң зарядталған натрий иондары пассивті түрде ілесіп, шырыштағы жалпы электролит концентрациясын арттырады, нәтижесінде осмос арқылы жасушадан су шығарылады. Бронхтар мен жұмыртқалық түтікшелерді жабатын қозғалмалы кірпікшелері бар эпителий жасушаларында CFTR апикальды жасушалық мембранада орналасқан, бірақ кірпікшелерде емес. Бұл жасушалардың резорбциялық өзекшеге иондарды тасымалдауына байланысты тердегі тұз концентрациясы артады. Бұл цистикалық фиброзды анықтау үшін қолданылатын клиникалық маңызды терлеу сынағының негізі болып табылады және көбінесе генетикалық скринингпен бірге диагностикалық мақсатта қолданылады.
Қатынасты жағдайлар
Жүрек жолдарының екі жақты туа біткен жетіспеушілігі: Жүрек жолдарының екі жақты туа біткен жетіспеушілігі бар еркектерде көбінесе CFTR генінің бір көшірмесінде жеңіл мутация (геннің ішінара жұмыс істеуіне мүмкіндік беретін өзгеріс) және CFTR генінің екінші көшірмесінде кистоздық фиброзға себеп болатын мутация болады. Кистоздық фиброз: CFTR генінде 1800-нен астам мутация табылды, бірақ олардың көпшілігі кистоздық фиброзбен байланысты емес. Көптеген мутациялар CFTR ақуызындағы бір аминқышқылын (ақуыздардың құрылыс блогы) басқа аминқышқылымен алмастырады немесе CFTR геніндегі ДНК-ның шағын бөлігін жояды. Ең көп таралған мутация, ΔF508 деп аталатын мутация, CFTR ақуызының 508-ші орнындағы бір аминқышқылының (фенилаланин) жойылуы (Δ) болып табылады. Бұл өзгертілген ақуыз жасалғаннан кейін көп ұзамай ыдырайды, сондықтан жасуша мембранасына жетпейді. CFTR геніндегі барлық ауруға себеп болатын мутациялар каналдың дұрыс жұмыс істеуіне кедергі келтіреді, нәтижесінде тұз бен судың жасушаларға кіруі мен олардан шығуы бұзылады. Бұл бөгеттің салдарынан өкпе, ұйқы без және басқа да мүшелердің жолдарын жабатын жасушалар тым қалың, жабысқақ шырыш өндіреді. Бұл шырыш тыныс жолдары мен бездерді бітеп, кистоздық фиброздың ерекше белгілері мен симптомдарын тудырады. Сонымен қатар, тек жұқа шырышты ғана кірпікшелер арқылы шығаруға болады, ал қалың шырыш шығарылмайды, сондықтан ол созылмалы инфекцияларға себеп болатын бактерияларды ұстап тұрады. Холера: Холера токсинінің әсерінен болатын ADP рибозиляциясы циклдық AMP өндірісін арттырады, бұл өз кезегінде CFTR каналын ашады, нәтижесінде Cl− артық секрецияланады. Na+ және H2O Cl− ілесінде ұсақ ішекке өтеді, бұл сусыздануға және электролиттердің жоғалуына әкеледі.
Дәрілік мақсат
CFTR осымен байланысты жағдайларды емдеу жолындағы ізденістерде дәрілік мақсат ретінде зерттелді. Ивакафтор (саудалық атауы Kalydeco, VX 770 ретінде әзірленген) – 2012 жылы CFTR-де нақты мутациялары бар кистоздық фиброзбен ауыратын адамдар үшін FDA бекіткен дәрі. Ивакафторды Vertex Pharmaceuticals компаниясы Кистоздық Фиброз Фондымен бірлесіп әзірледі және бұл аурудың көріністерін емес, оның түпкі себебін емдеуге бағытталған алғашқы дәрі. "2012 жылдың ең маңызды жаңа дәрісі" және "тамаша дәрі" деп аталған бұл дәрілердің ең қымбаттарының бірі, құны жылына бірнеше мың доллардан асып, Vertex компаниясына жоғары бағасы үшін сын тудырды.