Введение
Белки млекопитающих, обнаруженные у человека. Регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе (CFTR) — это мембранный белок и анионный канал у позвоночных, кодируемый геном CFTR. Генетик Лап Чи Цуй и его команда идентифицировали ген CFTR в 1989 году как ген, связанный с муковисцидозом (кистозным фиброзом). Ген CFTR кодирует ионный канал, принадлежащий к классу ABC-транспортеров, который обеспечивает транспорт ионов хлора и бикарбоната через мембраны эпителиальных клеток. Мутации гена CFTR, влияющие на функцию анионных каналов, приводят к нарушению регуляции транспорта жидкости, выстилающей эпителий (слизи), в легких, поджелудочной железе и других органах, что является причиной муковисцидоза. Осложнения включают утолщение слизи в легких, приводящее к частым респираторным инфекциям, и недостаточность поджелудочной железы, вызывающую недоедание и диабет. Эти состояния приводят к хронической инвалидности и снижению продолжительности жизни. У мужчин прогрессирующая обструкция и разрушение развивающихся семявыносящих протоков и придатка яичка, по-видимому, являются результатом аномальных внутрипросветных секреций, вызывающих врожденное отсутствие семявыносящих протоков и мужское бесплодие, а также связаны с нарушением баланса жирных кислот.
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
Ген, кодирующий белок CFTR человека, находится на хромосоме 7, на длинном плече в позиции q31.2. Это встречается у челюстноротых позвоночных. Каждый человек наследует две копии гена CFTR (регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе). Однако некоторые унаследованные копии подверглись изменениям. На сегодняшний день с геном CFTR ассоциировано более 700 различных мутаций. Человек с муковисцидозом наследует две дефектные копии гена CFTR. Эти мутации могут быть гетерозиготными, то есть включать две различные мутации, и гомозиготными, то есть содержать одну и ту же мутацию. Дельта F508 – наиболее распространенная мутация, составляющая более 70% от всех мутаций. У людей, гомозиготных по дельте F508, часто наблюдается панкреатическая недостаточность. Ген CFTR использовался у животных в качестве ядерного ДНК-филогенетического маркера и подтвердил объединение плацентарных отрядов в четыре основных клады: Ксенартры, Афротерии, Лоразиатерии и Эуархонты плюс Глиры.
DeltaF508
DeltaF508 (ΔF508), полное название CFTRΔF508 или F508del CFTR (rs113993960), – это специфическая мутация в гене CFTR, заключающаяся в делеции трех нуклеотидов, охватывающих кодоны для аминокислотных позиций 507 и 508 гена CFTR на 7-й хромосоме, что приводит к потере одного кодона для аминокислоты фенилаланина (F). Человек с мутацией CFTRΔF508 производит аномальный белок CFTR, лишенный этого остатка фенилаланина и не способный к правильной укладке. Большая часть этого мутировавшего белка не покидает эндоплазматическую сеть для дальнейшей обработки. Небольшое количество, достигающее плазматической мембраны, дестабилизируется, и анионный канал открывается нечасто. Наличие двух копий этой мутации (по одной от каждого родителя) является наиболее частой причиной муковисцидоза (КФ), обуславливая почти две трети всех мутаций в мире.
Эффекты
Белок CFTR в основном экспрессируется в клетках поджелудочной железы, кишечного и дыхательного эпителия, а также во всех экзокриновых железах. При правильной складке он транспортируется к клеточной мембране, где становится трансмембранным белком, формирующим водные каналы, обеспечивающие выход ионов хлорида и бикарбоната из клеток; он также одновременно ингибирует поглощение ионов натрия другим канальным белком. Обе эти функции способствуют поддержанию ионного градиента, который вызывает осмотический отток воды из клеток. Мутация ΔF508 приводит к неправильной складке CFTR и его последующей деградации в эндоплазматической сети (ER). В организмах с двумя копиями мутации белок практически полностью отсутствует в клеточной мембране, и эти важные функции транспорта ионов не выполняются. Наличие гомозиготной пары генов с мутацией ΔF508 препятствует нормальному расположению белка CFTR в клеточной мембране. Это вызывает усиленное удержание воды в клетках, соответствующее обезвоживание внеклеточного пространства и каскад связанных с этим эффектов в различных органах и системах. Эти эффекты включают: утолщение слизистых оболочек эпителия пораженных органов; обструкцию узких дыхательных путей из-за более густой слизи и подавление подвижности ресничек; врожденное отсутствие семявыносящих протоков из-за повышенной вязкости слизи в период внутриутробного развития; панкреатическую недостаточность из-за закупорки протока поджелудочной железы слизью; и повышенный риск респираторных инфекций из-за накопления густой, богатой питательными веществами слизи, благоприятной для роста бактерий. Это симптомы муковисцидоза, генетического заболевания; однако, ΔF508 – не единственная мутация, вызывающая это заболевание. Гетерозиготное носительство (наличие одной копии ΔF508) приводит к снижению потери воды при диарее, поскольку неисправные или отсутствующие белки CFTR не могут поддерживать стабильные ионные градиенты через клеточные мембраны. Происходит типичное связывание ионов Cl− и Na+ внутри пораженных клеток, создавая гипотонический раствор снаружи клеток и вызывая диффузию воды в клетки посредством осмоса. Ряд исследований показывает, что гетерозиготные носители подвержены повышенному риску развития различных симптомов. Например, установлено, что гетерозиготность по муковисцидозу связана с повышенной реактивностью дыхательных путей, и гетерозиготы могут быть подвержены риску снижения функции легких. У гетерозигот с хрипами выявлен более высокий риск нарушения функции легких, а также развития и прогрессирования хронической обструктивной болезни легких. Даже одного гена муковисцидоза достаточно для развития легких аномалий легких, даже при отсутствии инфекции.
Механизм
Ген CFTR расположен на длинном плече хромосомы 7, в позиции q31.2, и кодирует последовательность из 1480 аминокислот. В норме три пары оснований ДНК АТЦ (спаренные с ТАГ на комплементарной нити) в 507-й позиции гена служат матрицей для кодона мРНК АУЦ, кодирующего изолейцин, а три пары оснований ДНК ТТТ (спаренные с ААА) в соседней 508-й позиции служат матрицей для кодона УУУ, кодирующего фенилаланин. Мутация ΔF508 представляет собой делецию пары оснований ЦГ с 507-й позиции и первых двух пар оснований ТА с 508-й позиции, в результате чего в 507-й позиции остается последовательность ДНК АТТ (спаренная с ТАА), которая транскрибируется в кодон мРНК АУУ. Поскольку АУУ также кодирует изолейцин, аминокислота в 507-й позиции не изменяется, и чистый эффект мутации эквивалентен делеции ("Δ") последовательности, приводящей к кодону для фенилаланина в 508-й позиции.
Распространенность
ΔF508 присутствует как минимум в одной копии хромосомы 7 примерно у одного из 30 представителей европеоидной расы. Наличие мутации в обеих копиях вызывает аутосомно-рецессивное заболевание – кистозный фиброз. Ученые оценивают, что исходная мутация возникла более 52 000 лет назад в Северной Европе, хотя мутация также обнаружена у пациентов с муковисцидозом других этнических групп. Небольшой возраст аллеля может быть следствием предшествующего отбора. Одна из гипотез, объясняющих, почему эта в остальном вредная мутация сохранилась благодаря естественному отбору, заключается в том, что одна копия может оказывать положительное влияние, уменьшая потерю воды при холере, хотя внедрение патогенного Vibrio cholerae в Европу произошло лишь в конце XVIII века. Другая теория предполагает, что носители КФ (гетерозиготы по ΔF508) обладают большей устойчивостью к брюшному тифу, поскольку было показано, что CFTR функционирует как рецептор для бактерий Salmonella typhi, облегчая их проникновение в эпителиальные клетки кишечника. Гетерозиготы ΔF508 по кистозному фиброзу могут быть представлены в большем количестве среди людей, страдающих астмой, и могут иметь менее выраженную функцию легких по сравнению с неносителями. У носителей одной мутации КФ чаще встречается хронический риносинусит, чем в общей популяции. Примерно 50% случаев кистозного фиброза в Европе обусловлены гомозиготными мутациями ΔF508 (это значительно варьируется в зависимости от региона), в то время как частота аллеля ΔF508 составляет около 70%. Оставшиеся случаи вызваны более чем 1500 другими мутациями, включая R117H, 1717 1G>A и 2789+56G>A. Эти мутации, в комбинации друг с другом или даже с одной копией ΔF508, могут вызывать симптомы КФ. Генотип не имеет сильной корреляции с тяжестью КФ, хотя определенные симптомы связаны с конкретными мутациями.
Местоположение и функция
Ген CFTR состоит из 27 экзонов, которые кодируют его генетическую структуру и расположены на длинном (q) плече хромосомы 7 в локусе 31.2. Экзоны – это фрагменты ДНК, обеспечивающие код для структуры белка. Последующий гидролиз (в каноническом активном центре, центре 2, включая мотивы Уокера NBD2) дестабилизирует димер NBD и способствует возврату к конформации, обращенной внутрь, при которой путь прохождения анионов блокируется. Ген CFTR экспрессируется в репродуктивных трактах как у женщин, так и у мужчин. В дыхательных путях легких CFTR наиболее интенсивно экспрессируется редкими специализированными клетками, называемыми легочными ионоцитами. В коже CFTR сильно экспрессируется в сальных и экринных потовых железах. В эккриновых железах CFTR локализуется на апикальной мембране эпителиальных клеток, формирующих протоки этих потовых желез. CFTR транспортирует ионы (с отрицательным зарядом) из эпителиальной клетки в жидкость и слизь на поверхности дыхательных путей. Положительно заряженные ионы натрия следуют за ними пассивно, увеличивая общую концентрацию электролитов в слизи, что приводит к выходу воды из клетки посредством осмоса. В эпителиальных клетках с подвижными ресничками, выстилающих бронхи и яйцеводы, CFTR локализуется на апикальной клеточной мембране, но не на самих ресничках. Это приводит к снижению реабсорбции в собирательных протоках почек и, как следствие, к более соленому поту. Это лежит в основе клинически важного потогонного теста при муковисцидозе, который часто используется в диагностике в сочетании с генетическим скринингом.
Сопутствующие условия
Врожденное двустороннее отсутствие деференсовых путей: у мужчин с врожденным двусторонним отсутствием деференсовых путей чаще всего наблюдается умеренная мутация (изменение, допускающее частичное функционирование гена) в одной копии гена CFTR и мутация, вызывающая кистозный фиброз, в другой копии CFTR. Кистозный фиброз: обнаружено более 1800 мутаций в гене CFTR, однако большинство из них не ассоциированы с кистозным фиброзом. Большинство этих мутаций либо заменяют одну аминокислоту (строительный блок белков) на другую в белке CFTR, либо приводят к удалению небольшого участка ДНК в гене CFTR. Наиболее распространенная мутация, называемая ΔF508, представляет собой делецию (Δ) одной аминокислоты (фенилаланина) в позиции 508 белка CFTR. Этот измененный белок не достигает клеточной мембраны, поскольку разрушается вскоре после синтеза. Все мутации в гене CFTR, вызывающие заболевание, нарушают нормальное функционирование канала, приводя к блокированию транспорта солей и воды в клетки и из них. В результате этого блокирования клетки, выстилающие дыхательные пути легких, поджелудочной железы и других органов, производят аномально густую и липкую слизь. Эта слизь закупоривает дыхательные пути и протоки желез, вызывая характерные признаки и симптомы кистозного фиброза. Кроме того, реснички способны удалять только тонкую слизь; густую слизь они не удаляют, что приводит к удержанию бактерий и развитию хронических инфекций. Холера: АДФ-рибозилирование, вызванное холерным токсином, приводит к увеличению продукции циклического АМФ, который, в свою очередь, открывает канал CFTR, вызывая избыточную секрецию Cl−. Na+ и H2O следуют за Cl− в тонкий кишечник, что приводит к обезвоживанию и потере электролитов.
Цель наркотиков
CFTR является мишенью для лекарственных препаратов в попытках найти методы лечения связанных с ним заболеваний. Ивакафтор (торговое название Kalydeco, разработанный как VX 770) – это препарат, одобренный FDA в 2012 году для людей с муковисцидозом, имеющих определенные мутации CFTR. Ивакафтор был разработан компанией Vertex Pharmaceuticals совместно с Фондом борьбы с муковисцидозом и является первым препаратом, воздействующим на первопричину заболевания, а не на его симптомы. Названный «самым важным новым лекарством 2012 года» и «чудо-препаратом», он входит в число самых дорогих лекарств, стоимость которого превышает [сумма] в год, что вызвало критику в адрес Vertex из-за высокой цены.