囊性纤维化和CFTR基因

1 背景

2 发病率

3 临床表现

4 诊断

5 CFTR基因及其突变

5.1 介绍

5.2 DF508突变

5.3 CFTR基因突变谱

5.4 基因型与表型的相关性

6 CFTR蛋白及其功能

6.1 CFTR蛋白的结构

6.2 氯离子通道功能

6.2.1 氯离子通道功能

6.2.2 CFTR蛋白，一种多功能蛋白

6.3 CFTR基因突变与氯离子通道功能的相关性

6.3.1 第1类：突变改变蛋白质的产生

6.3.2 第2类：突变干扰细胞蛋白质的成熟过程

6.3.3 第3类：突变干扰氯离子通道的调节

6.3.4 第4类：突变改变氯离子通道的传导

6.3.5 第5类：突变改变mRNA的稳定性

6.3.6 第6类：突变改变成熟蛋白质的稳定性

1 背景

      囊性纤维化（CF）的早期描述可以追溯到30年代末。1936年，Fanconi确定了先天性胰腺CF与支气管扩张之间的联系，不久之后，Andersen于1938年给出了完整的关于CF的解剖病理学描述。

      1953年，Di Sant'Agnese描述了CF患儿的汗水中有过量的氯化钠。 很快，这一发现很快导致了汗液氯化物测试的使用，迄今为止，这是该疾病唯一可靠的诊断试验。

      80年代初，Quinton（Quinton 1983）准确地描述了盐类运输的异常，他解释了在受影响的汗腺上皮细胞中的氯离子(氯离子)渗透性的缺陷，后来Knowles（Knowles 1983）在呼吸道上皮细胞中也观察到相同的现象。

      1989年，与CF相关的CFTR基因已被分离。该基因位于7q31，包含27个外显子。该蛋白质由1480个氨基酸组成。

2 发病率

      CF是最常见的常染色体隐性遗传致死性疾病，在欧洲原住民中最严重，平均每2500个活产婴儿（= q2）中的一个患有此病，即25个人（= 2pq）中的一个是该疾病的携带者。但是，该频率根据患者的地理和种族而变化

3 临床表现

      CF的临床表现在不同家族的个体之间以及同一家族的个体之间有所不同。在大多数情况下，该病是在青春期之前被诊断出来的，但有些病例直到成年后仍无症状。在临床和生物学上，不可能将杂合子与未携带CF突变的个体区分开。

      临床表现随年龄而变化。在10％的新生儿患者中，它表现为胎粪性肠梗阻（由于胎粪异常粘稠而引起肠梗阻）。后来，症状学涉及呼吸和消化系统，表现为反复的呼吸道感染和吸收不良的迹象。

      主要累及呼吸系统。它与支气管阻塞有关，因为支气管内充满了粘稠的粘液，有利于微生物的生长。这就解释了机会致病菌引起反复呼吸道感染的原因。

      在85%的患者中发现消化道受累伴胰外分泌功能不全(酶生产缺陷)，导致胰管阻塞，从而导致脂蛋白吸收不良。胰腺外分泌的状态PI(胰腺功能不全)或PS(胰腺功能充足)是表型严重程度的标志，前者较后者严重。(Kerem 1990)

      汗腺的异常导致在汗液中有分泌过多的氯化钠，这种盐的流失通常会导致在热环境下的急性脱水。

      这种疾病涉及其他一些器官，特别是生殖系统和肝脏。

      由梗阻性无精子症引起的输精管萎缩和缺失使98%的男性不育，另一方面，受影响的女性中有80％可以生育。

      30%的病例肝脏受累始于肝肿大，9%的肝脏受累始于肝功能不全。这是由于肝内或肝外胆道受到胰腺水平的压迫而阻塞所致。在2-5%的病例中，这会进一步导致胆汁性肝硬化。

      预后：如果不治疗，中位生存期为3-5年。

      目前尚无有效的针对CF的治疗方法，但及时诊断和对症治疗可使平均生存期延长至25-30年。

      对症治疗包括呼吸物理治疗、抗生素治疗、支气管扩张剂和粘液溶解剂雾化治疗、肺部症状用蛋白酶抑制剂治疗以及胰腺功能不全用替代胰酶和维生素治疗。

      在晚期阶段，三重（心肺肝）移植显示出令人鼓舞的结果，但主要障碍是供体器官的可获得性。

      在最新的治疗进展中，CF的基因治疗遇到了许多障碍。其他有希望的策略正在研究中，其目的是根据突变类型来补偿CFTR蛋白的生产和/或功能缺陷。

4 诊断

      CF的诊断取决于汗液氯化物试验。即使在今天，它也被认为是CF最可靠的检测方法。现在使用的技术很简单，但需要的汗液量是一个限制因素，尤其在新生儿中出错的风险提高到了30%。

      该测试的值可以根据实验室而有所不同。氯化物的值小于40 mmol / L通常被认为是正常的。

      对于40 ~ 60mmol /L的范围，结果是可疑的，需要重复测试。

      为了确定诊断，在两次单独的汗液测试中，汗液氯浓度必须超过60mmol /l。

      另一种技术是测量皮肤和鼻粘膜之间的生物电势差。它在以下情况下是有价值的：

5 CFTR基因及其突变

5.1 介绍

      CFTR基因是导致这种疾病的原因，它包含27个外显子，它们分布在250 kb的7号染色体(7q31)上，并编码一个6.5 kb的mRNA。

5.2 DF508突变

      最常见的突变是三个核苷酸的缺失，占CF等位基因的70%，导致508位点的苯丙氨酸(DF508)缺失。

      CF的分布存在很大的异质性，存在西北/东南梯度，例如在丹麦与意大利分别发现了88%和50%的DF508病例。

      为了解释这种突变在欧洲人群中的分布，提出了杂合子的选择优势假说。例如，杂合子将被保护免受由细菌肠毒素导致的腹泻引起的脱水。DF508蛋白与上皮表面CFTR表达的减少有关，减少了病原体进入肠上皮的机会，从而提供了针对这种感染的保护。

5.3 CFTR基因突变谱

      自发现CFTR基因(http://www.genet.sickkids.on.ca/cftr/)以来，该基因自克隆以来共发生1200多个突变，其中4个突变(不包括DF508)占2%以上。某些突变的频率在不同的地理区域之间可能会有所不同。(例如W1282X占犹太人CF等位基因的48%，却只占CF等位基因总数的2%)。

      CFTR基因的分子缺陷以点突变为主，其中42%为错义突变，24%为带有移码的小插入/缺失，16%为无义突变，16%为剪接突变，2%为氨基酸缺失。一些主要的缺失也被报道。

      CFTR基因的一个特点是在正常个体中存在一个或多个外显子转录本的缺失。这些转录本是由于异常导致选择性剪接，其中最常见和研究最充分的是9号外显子转录本的缺失(9-)。该外显子的存在与否与位于剪接受体位点附近的8号内含子序列的“多态性”有关。90%左右的7或9T(8号内含子的多聚嘧啶区) 会出现剪接，但是当这个序列的长度是5T是，仅产生10%-40%的正常mRNA，60%-90%的剩余部分将产生一个没有9号外显子的不能产生功能性CFTR蛋白的mRNA。

5.4 基因型与表型的相关性

      大约一半的CF患者是DF508突变纯合子。DF508纯合子是该疾病的一种典型形式，其汗液中的电解质增多，胰腺功能不全和阻塞性肺部病变增加。

      DF508占突变的66%，这些患者中有40%为一个染色体上带有DF508，另一个染色体上有其它CFTR基因突变的复合杂合子。

      一般来说，肺功能、发病年龄和氯盐含量都与特定的基因型有关。

      另一方面，同一家族中不同症状的严重性和多样性说明在CFTR基因水平上的基因型不能单独对表型负责。

      只有A455E突变与肺功能状态密切相关。

      关于胰腺功能，与具有两个剪接突变，无义或移码突变和一些总是导致胰腺功能不全(PI或胰腺功能不全)的错义突变的等位基因的患者相比，有一个或两个错义突变的患者有一个守恒的外分泌胰腺功能(PS或胰腺机能充足)，同样，在一个等位基因上有PI突变，另一个等位基因上有PS突变的患者也有PS表型，如果有PS突变，CFTR蛋白的活性足以实现胰腺功能。

      一个突变的作用可以用在同一等位基因上顺式遗传的第二个突变来修饰。

      8号内含子的多嘧啶束的多态性改变了某些突变的渗透性。

6 CFTR蛋白及其功能

6.1 CFTR蛋白的结构

      CFTR的蛋白质序列由1480个氨基酸组成。

      它由两个重复的基序组成，每个基序由一个包含六个螺旋的亲水跨膜结构域(MSD)和一个与ATP (NBF或核苷酸结合折叠)结合的重要亲水区域组成。这两个基序通过细胞质相连。这两个基序由13号外显子编码的一个胞质(R域)连接，该胞质包含许多带电荷的残基和大多数磷酸化位点（蛋白激酶A和/或C的可能底物）。

      CFTR蛋白的一级结构与膜蛋白家族成员(ABC转运蛋白家族(ATP结合盒))之间存在同源性，ABC转运蛋白家族负责底物在细胞膜上的主动转运，其中ATP水解为能量来源。

6.2 蛋白质的功能

6.2.1 氯离子通道功能

      早期关于CFTR蛋白功能的假设围绕着两种可能性。第一个假设是CFTR蛋白是一个氯离子通道。这一假说与CF上皮细胞顶膜氯离子通透性的缺陷是一致的。另一种观点认为，CFTR蛋白不是离子通道，但它通过与氯离子通道结合，或通过将氯离子通道的调节因子传递到细胞内外，在氯离子通道的调控中发挥作用。随后的结果确定了CFTR蛋白作为氯离子通道的功能。

6.2.2 CFTR蛋白质，一种多功能蛋白质

      CFTR基因的发现者将其称为“跨膜电导调节剂”。事实上，CFTR蛋白还调节其他通道，包括向外整流的氯离子通道(ORCC)、上皮细胞钠离子通道(ENaC)和至少两个向内整流的钾离子通道ROMK1和ROMK2。除了作为通道调节因子外，它还参与ATP的转运，改变胞外/内吞现象，调节细胞内细胞器的pH值。

6.3 CFTR基因突变与氯离子通道功能的相关性

      分子异常对CFTR蛋白及其功能有不同程度的影响。Welsh和Smith提出了这些异常与氯离子通道功能相关的分类(Welsh & Smith 1993)(图3)。

6.3.1 第一类

      突变改变了蛋白质的产生。这些突变导致蛋白质的完全或部分缺失。这类突变包括无义突变和产生过早终止密码子的突变(剪接和移码突变的异常)。在某些情况下，突变的mRNA是不稳定的且不产生蛋白质。在其他情况下，产生的异常蛋白可能不稳定并迅速降解。这就是产生截短蛋白和包含异常序列(剪接或移码的异常)的蛋白的原因。从功能上来说，这些突变体是这些突变体的特征是在受影响的上皮细胞中氯离子通道的电导损失。

6.3.2 第二类

      突变改变细胞的蛋白质成熟。许多突变改变了蛋白质的成熟，从而改变了这些蛋白质向质膜的转运。通过这种方式，蛋白质要么不在质膜上，要么数量很少。这类突变代表大多数CF等位基因(DF508)。

6.3.3 第三类

      突变干扰氯离子通道的调节。这些突变通常位于ATP结合域(NBF1和2)。

6.3.4 第四类

      突变改变氯离子通道的传导。某些跨膜域片段参与离子孔的形成。位于这些区域的错义突变产生一种定位正确的蛋白质，该蛋白质具有cAMP依赖性的氯离子通道活性。但这些通道的特性不同于内源性CFTR通道，其离子通量减小，选择性有所改变。

6.3.5 第五类

      突变会改变mRNA的稳定性。

6.3.6 第六类

      突变改变成熟CFTR蛋白的稳定性。

刘晋华~Sheng Xiao

Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2024-04-19

疾病举例:囊性纤维化

Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209227/