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.

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.