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嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子

嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子

嚢胞性線維症 コンダクタンス 制御因子(CFTR)CFTR 遺伝子によってコードされる脊椎動物における膜タンパク質及び塩化物チャネルです。

CFTR遺伝子は、上皮細胞膜を越えて塩化物イオンを伝導するABCトランスポータークラスのイオンチャネルタンパク質をコードします。塩素イオンチャネル機能に影響を与えるCFTR遺伝子の変異は、肺、膵臓、および他の臓器の上皮液輸送の調節不全を引き起こし、嚢胞性線維症をもたらします。合併症には、頻繁な呼吸器感染症を伴う肺の粘液の肥厚、および栄養失調と糖尿病を引き起こす膵機能不全が含まれます。これらの状態は、慢性的な障害と平均余命の短縮につながります。男性患者では、進行中の輸精管(精索)および精巣上体の進行性閉塞および破壊は、異常な管腔内分泌に起因するようであり、輸精管の先天性欠如および男性不妊を引き起こします。

遺伝子

ヒトCFTRタンパク質をコードする遺伝子は、染色体7、位置q31.2の長腕にあります。塩基対116,907,253から塩基対117,095,955まで。 CFTRオーソログは、顎のある脊椎動物で発生します。

CFTR遺伝子は、核DNAの系統発生マーカーとして動物で使用されています。この遺伝子の大きなゲノム配列は、哺乳類の主要なグループの系統発生を調査するために使用され、胎盤の秩序を4つの主要なクレードに分類することを確認しました:Xenarthra、Afrotheria、Laurasiatheria、Euarchonta plus Glires。

突然変異

ほぼ1000個の嚢胞性線維症の原因となる変異が報告されています。最も一般的な変異であるDeltaF508(ΔF508)は、3つのヌクレオチドの欠失(Δ)に起因し、タンパク質の508番目の位置でアミノ酸フェニルアラニン(F)が失われます。その結果、タンパク質は正常に折り畳まれず、より迅速に分解されます。突然変異の大多数はまれです。突然変異の分布と頻度は、集団間で異なり、遺伝的スクリーニングとカウンセリングに影響を及ぼします。

突然変異は、CFTR遺伝子の置換、重複、欠失、または短縮で構成されます。これにより、機能しないタンパク質、効率が低下するタンパク質、より迅速に分解されるタンパク質、または不十分な数のタンパク質が生じる可能性があります。

CFTR遺伝子の変異は、ヘテロ接合体の個体に選択的な利点を与える可能性があるという仮説が立てられています。 CFTRタンパク質の変異型を発現する細胞は、腸チフスの病原体であるチフス菌による侵入に耐性があり、変異CFTRの単一コピーを保有するマウスは、コレラ毒素に起因する下痢に耐性があります。

白人の間で最も一般的な突然変異は次のとおりです。

  • ΔF508
  • G542X
  • G551D
  • N1303K
  • W1282X

DeltaF508

DeltaF508ΔF508 )、フルネームCFTRΔF508またはF508del-CFTR (rs113993960)は、染色体7上のCFTR遺伝子の位置507および508にまたがる3つのヌクレオチドの欠失を含むCFTR遺伝子内の特定の突然変異であり、最終的にはアミノ酸フェニルアラニンの単一コドン(F)。 CFTRΔF508変異を持つ人は、このフェニルアラニン残基を欠き、適切に折りたたむことができない異常なCFTRタンパク質を産生します。このタンパク質は、さらなる処理のために小胞体を逃れません。この変異の2つのコピー(各親から継承された1つ)を持つことは、嚢胞性線維症(CF)の最も一般的な原因であり、世界中の症例の3分の2近くを占めています。

効果

CFTRタンパク質は、主に膵臓、腸管および呼吸器の上皮、およびすべての外分泌腺の細胞で発現しています。適切に折りたたまれると、細胞膜に運ばれ、そこで細胞から塩素イオンを放出するチャネルを開く原因となる膜貫通タンパク質になります。また、同時に別のチャネルタンパク質によるナトリウムイオンの取り込みを阻害します。これらの機能は両方とも、浸透により細胞から水を引き出すイオン勾配を維持するのに役立ちます。 ΔF508変異は、CFTRのミスフォールディングとERでの最終的な劣化をもたらします。変異の2つの補体を持つ生物では、タンパク質は細胞膜に完全に存在せず、これらの重要なイオン輸送機能は実行されません。

ΔF508変異を持つ遺伝子のホモ接合ペアを持つことにより、CFTRタンパク質が細胞膜内で正常な位置を占めるのを防ぎます。これは、細胞内の水分保持の増加、細胞外空間の対応する脱水、および身体のさまざまな部分に対する関連するカスケードを引き起こします。これらの影響には、次のものが含まれます。罹患臓器の上皮内のより厚い粘膜。より厚い粘液および粘膜の自由な動きの阻害の結果としての狭い呼吸気道の閉塞;胎児の発達中の粘液の厚さの増加による輸精管の先天的欠如;粘液による膵管の閉塞による膵機能不全;細菌が繁殖する場所で、栄養分が豊富な粘稠な粘液が蓄積するため、呼吸器感染のリスクが高まります。これらは、遺伝性疾患である嚢胞性線維症の症状です。ただし、この障害を引き起こすのはΔF508だけではありません。

ヘテロ接合キャリア(ΔF508の単一コピーを持つ)であると、誤動作またはCFTRタンパク質の不在が細胞膜全体で安定したイオン勾配を維持できないため、下痢時の水分損失が減少します。通常、影響を受ける細胞内にはCl-とNa +イオンの両方が蓄積し、細胞外に低張液を作り、浸透により細胞内に水が拡散します。いくつかの研究は、ヘテロ接合キャリアがさまざまな症状のリスクが高いことを示しています。例えば、嚢胞性線維症のヘテロ接合性は気道反応性の増加と関連しており、ヘテロ接合体は肺機能の低下のリスクがあることが示されています。喘鳴のヘテロ接合体は、肺機能の低下または慢性閉塞性肺疾患の発症および進行のリスクが高いことが示されています。嚢胞性線維症の1つの遺伝子は、感染がなくても軽度の肺異常を引き起こすのに十分です。

機構

CFTR遺伝子は、染色体7の長腕のq31.2の位置にあり、最終的に1,480個のアミノ酸の配列をコードします。通常、遺伝子の507番目の位置にある3つのDNA塩基対ATC(反対鎖のTAGとペア)は、イソロイシンのmRNAコドンAUCのテンプレートを形成し、3つのDNA塩基対TTT(AAAとペアになっている)は隣接する508番目の位置にありますフェニルアラニンのコドンUUUのテンプレートを作成します。 ΔF508変異は、位置507からの最初の2つのTAペアとともに位置507からのCGペアの削除であり、位置507にDNA配列ATT(TAAとペア)を残し、mRNAコドンAUUに転写されます。 AUUはイソロイシンもコードするため、507位のアミノ酸は変化せず、変異の正味の効果は、508位のフェニルアラニンのコドンをもたらす配列の削除(「Δ」)と同等です。

有病率

ΔF508は、白人30人に約1人の割合で染色体7の少なくとも1つのコピーに存在します。両方のコピーに変異が存在すると、常染色体劣性疾患の嚢胞性線維症が引き起こされます。科学者は、元の突然変異が北ヨーロッパで52,000年以上前に発生したと推定しています。若い対立遺伝子の年齢は、過去の選択の結果かもしれません。自然選択によって有害な突然変異が維持されている理由に関する1つの仮説は、コレラ中の水分損失を減らすことで単一のコピーがプラスの効果をもたらす可能性があることですが、病原性コレラ菌のヨーロッパへの導入は18世紀後半まで行われていませんでした。 CFTRは腸チフス菌への腸チフス菌の受容体として作用することが示されているため、CFキャリア(ΔF508のヘテロ接合体)は腸チフスに対する耐性が高いというもう1つの理論があります。

嚢胞性線維症ΔF508ヘテロ接合体は、喘息のある個人の間で過剰に表現される可能性があり、非保因者よりも肺機能が低い場合があります。単一のCF突然変異の保因者は、一般集団よりも慢性副鼻腔炎の有病率が高い。ヨーロッパの嚢胞性線維症症例の約50%は、ホモ接合型のΔF508変異によるものです(これは地域によって大きく異なります)が、ΔF508の対立遺伝子頻度は約70%です。残りの症例は、R117H、1717-1G> A、および2789 + 56G> Aを含む1,500を超える他の突然変異によって引き起こされます。これらの変異は、互いに組み合わされた場合、またはΔF508の単一のコピーと組み合わされた場合でも、CF症状を引き起こすことがあります。特定の症状は特定の突然変異に関連しているが、遺伝子型はCFの重症度と強く相関していない。

構造

CFTR遺伝子の長さは約189 kbで、27個のエクソンと26個のイントロンがあります。 CFTRは、1480個のアミノ酸を持つ糖タンパク質です。タンパク質は5つのドメインで構成されています。 2つの膜貫通ドメインがあり、それぞれに6つのスパンのアルファヘリックスがあります。これらはそれぞれ、細胞質内のヌクレオチド結合ドメイン(NBD)に接続されています。最初のNBDは、他のABCトランスポーターには存在しないCFTRのユニークな機能である調節「R」ドメインによって、2番目の膜貫通ドメインに接続されています。イオンチャネルは、そのRドメインがPKAによってリン酸化されており、ATPがNBDに結合している場合にのみ開きます。タンパク質のカルボキシル末端は、PDZ相互作用ドメインによって細胞骨格に固定されています。 警告 :上部に含まれる結晶構造は完全なCFTRチャンネルではありません(漫画版は問題ありません)。チャネル構造の正しいPDBアクセッション番号は5UAKです。示されている構造(PDB#1XMI)は、トランスポーターの最初のヌクレオチド結合ドメイン(NBD1)である変異したNBD1のホモ五量体アセンブリを示しています。

場所と機能

CFTRはリン酸化およびATP依存性陰イオンチャネルとして機能し、特定の陰イオン(Cl-など)のコンダクタンスを増加させて電気化学勾配を流します。 CFTRのATP駆動の立体構造変化は、電気化学的勾配に沿った陰イオンの膜貫通流を可能にするためにゲートを開閉します。これは、ATP駆動の立体構造変化が細胞膜を横切る上り坂の基質輸送を促進する他のABCタンパク質とは対照的です。基本的に、CFTRは、開いた立体構造にあるときに漏れる「壊れた」ABCトランスポーターとして進化したイオンチャネルです。

CFTRには2つの膜貫通ドメインがあり、それぞれがヌクレオチド結合ドメインにリンクしています。 CFTRには、規制ドメインと呼ばれる別のドメインも含まれています。 ABCトランスポータースーパーファミリーの他のメンバーは、原核生物の栄養素の取り込み、または真核生物のさまざまな基質の輸出に関与しています。 ABCトランスポーターは、ATP加水分解の自由エネルギーを細胞膜を横切る基質の上り坂運動に変換するように進化しました。それらには2つの主な立体構造があります。1つはカーゴ結合部位がサイトゾルまたは内側を向いている場所(ATPなし)、もう1つは外側を向いている場所(ATP結合)です。 ATPは各ヌクレオチド結合ドメインに結合し、その結果、その後のNBDの二量体化が起こり、膜貫通ヘリックスの再配列が起こります。これにより、貨物バインディングサイトのアクセス可能性が内向きの位置から外向きの位置に変わります。 ATPの結合とそれに続く加水分解により、貨物結合部位の代替暴露が促進され、電気化学的勾配に対する貨物の単方向輸送が保証されます。 CFTRでは、内向きの立体配座と外向きの立体配座を交互に切り替えると、チャネルゲーティングが発生します。特に、NBDの二量体化(ATP結合により好まれる)は、陰イオンのための開いた膜貫通経路が形成される外向きの立体構造への移行に結合します。後続の加水分解(標準的な活性部位、NBD2のウォーカーモチーフを含む部位2)では、NBDダイマーが不安定になり、陰イオン透過経路が閉じられている内向きの立体構造に戻りやすくなります。

CFTRは、肺、肝臓、膵臓、消化管、および女性と男性の生殖管を含む多くの臓器の上皮細胞に見られます。

肺の気道では、CFTRは肺イオノサイトと呼ばれるまれな特殊な細胞によって最も高度に発現されます。皮膚では、CFTRは皮脂腺およびエクリン汗腺で強く発現しています。エクリン腺では、CFTRはこれらの汗腺の管を構成する上皮細胞の頂端膜に位置しています。

通常、タンパク質は、上皮細胞から気道表面の液体および粘液への塩化物およびチオシアン酸イオンの移動を可能にします(負電荷を持つ)。正に帯電したナトリウムイオンが受動的に続き、粘液中の総電解質濃度を増加させ、浸透により細胞外への水の移動をもたらします。

気管支および卵管の内側を覆う運動性繊毛を有する上皮細胞では、CFTRは繊毛ではなく頂端細胞膜に位置しています。対照的に、ENaC(上皮性ナトリウムチャネル)は繊毛の全長に沿って位置しています。

汗腺では、CFTRに欠陥があると、再吸収管内での塩化ナトリウムとチオシアン酸ナトリウムの輸送が減少し、したがってより汗がかいた汗になります。これは、遺伝的スクリーニングでしばしば診断的に使用される嚢胞性線維症の臨床的に重要な汗テストの基礎です。

相互作用

嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス制御因子は、以下と相互作用することが示されています:

  • DNAJC5、
  • GOPC、
  • PDZK1、
  • PRKCE、
  • SLC4A8、
  • SNAP23、
  • SLC9A3R1、
  • SLC9A3R2、および
  • STX1A、

下痢止め薬のクロフェレマーによって阻害されます。

関連条件

  • 輸精管の先天性両側性欠如:輸精管の先天性両側性欠如の男性は、CFTR遺伝子の一方のコピーに軽度の突然変異(遺伝子の部分的な機能を可能にする変化)が最も多く、もう一方に嚢胞性線維症を引き起こす突然変異がありますCFTRのコピー。
  • 嚢胞性線維症:CFTR遺伝子に1,800を超える突然変異が見つかっていますが、これらの大部分は嚢胞性線維症とは関連していません。これらの変異のほとんどは、CFTRタンパク質内の別のアミノ酸を1つのアミノ酸(タンパク質のビルディングブロック)で置換するか、CFTR遺伝子内の少量のDNAを削除します。 ΔF508と呼ばれる最も一般的な突然変異は、CFTRタンパク質の508の位置にある1つのアミノ酸(フェニルアラニン)の欠失(Δ)です。この改変されたタンパク質は、細胞膜に到達することはありません。 CFTR遺伝子のすべての病気の原因となる変異は、チャネルが適切に機能することを妨げ、塩分と水の細胞内外への移動の妨害につながります。この閉塞の結果、肺、膵臓、およびその他の器官の通路に並ぶ細胞は、異常に厚く粘着性の粘液を生成します。この粘液は気道と腺を塞ぎ、嚢胞性線維症の特徴的な兆候と症状を引き起こします。さらに、繊毛によって除去できるのは薄い粘液のみです。厚い粘液はできないため、慢性感染症を引き起こす細菌を捕捉します。
  • コレラ:コレラ毒素によって引き起こされるADPリボシル化により、サイクリックAMPの産生が増加し、CFTRチャネルが開き、Cl-の過剰分泌が引き起こされます。 Na +とH2OはCl−をたどって小腸に入り、脱水症と電解質の損失をもたらします。

薬物標的

CFTRは、関連する症状の治療法を見つけるための取り組みにおける薬物のターゲットでした。 Ivacaftor(商品名KalydecoVX-770として開発)は、特定のCFTR変異を有する嚢胞性線維症患者向けに2012年にFDAによって承認された薬物です。Ivacaftorは、Cystic Fibrosis Foundationと共同でVertex Pharmaceuticalsによって開発された最初の薬物です病気の症状ではなく根本的な原因を治療します。 「2012年で最も重要な新薬」および「不思議な薬」と呼ばれるこの薬は、最も高価な薬の1つであり、年間300,000米ドル以上の費用がかかり、高コストに対するVertexの批判につながっています。