備課素材：CFTR氯離子通道與囊性纖維化病-高一下學(xué)期生物人教版必修2

CFTR氯離子通道與囊性纖維化病人教版高中生物學(xué)教材有3次提到了囊性纖維化及其病因，介紹都較為簡略：為什么氯離子轉(zhuǎn)運異常會導(dǎo)致支氣管中黏液增多？為什么汗液中氯離子和鈉離子的濃度會升高？1987年,世界著名分子遺傳學(xué)家徐立之等將囊性纖維化致病基因定位于人類的第7號染色體長臂。1989年,Riordan等在尋找囊性纖維化疾病基因時意外發(fā)現(xiàn)了囊性纖維化跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)因子（CFTR）,并且首先克隆了CFTR基因。1991年,CFTR被確定為氯離子選擇性通道,從而開始了對CFTR作為氯離子通道的系統(tǒng)研究。CFTR的調(diào)節(jié)機(jī)制CFTR是一種cAMP/PKA依賴的上皮氯離子通道。允許氯離子順電化學(xué)梯度跨膜轉(zhuǎn)運。

1、CGHR的結(jié)構(gòu)CFTR氯離子通道是ABC轉(zhuǎn)運蛋白超家族中的一員。CFTR基因位于人類的第7號常染色體長臂（7q31.2）上，全長250000bp,包含27個外顯子,成熟的mRNA長度為6129個堿基，其中4443為可編碼序列，成熟的CFTR糖蛋白全長1480個氨基酸殘基。CFTR包含5個結(jié)構(gòu)域（圖1）:2個跨膜結(jié)構(gòu)域MSD1和MSD2、2個核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域NBD1和NBD2、1個調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域R。每個MSD含有6個跨膜的，螺旋，這6個螺旋組成了氯離子通道。每個NBD都含有保守的WalkerA、WalkerB和LSGGQ基序。WalkeBA和WalkerB基序能與ATP結(jié)合,并通過ATP結(jié)合、水解調(diào)節(jié)氯離子通道的門控性。調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域R含有蛋白激酶A（PKA）和蛋白激酶C（PKC）所共有的磷酸化位點以及許多帶電的氨基酸，當(dāng)R被PKA磷酸化時，可以激活CFTR。轉(zhuǎn)運蛋白不同的是CFTR允許氯離子雙向轉(zhuǎn)運,而不是定向轉(zhuǎn)運。當(dāng)胞內(nèi)氯離子濃度升髙，激活cAMP依

賴的蛋白激酶最終可使通道打開，胞外的氯離子濃度升高也可以促進(jìn)通道打開。MSD1和MSD2共同構(gòu)成了對氯離子具有選擇性的通道。MSD的部分氨基酸構(gòu)成了對氯離子的選擇性運輸，如帶有正電荷的K95、R134、R334、K335、R347和R1030在物種間具有高度保守性，它們的突變會影響到通道對氯離子的通透性。CFTR氯離子通道的門控性主要通過兩個NBD來調(diào)節(jié)。NBD1和NBD2組成頭尾相對的二聚體，在接觸面上形成2個ATP結(jié)合位點，其中一個是由NBD1的WalkeBA基序與NBD2的LSGGQ基序形成的（位點1）,另一個是由NBD2的WalkeBA基序與NBD1的LSGGQ基序形成的（位點2）。CFTR氯離子通道開放的基本步驟是：R結(jié)構(gòu)域必須先由cAMP介導(dǎo)的PKA磷酸化;ATP與兩個NBD結(jié)合，改變CFTR立體構(gòu)象,NBD1和NBD2形成緊密結(jié)合的二聚體,使CFTR氯離子通道開放,氯離子外流;結(jié)合于NBD2的ATP水解,ATP的水解和水解產(chǎn)物Pi的喪失使相對穩(wěn)定的開路狀態(tài)變得不穩(wěn)定。隨后,緊密結(jié)合的二聚體界面被破壞,通道關(guān)閉。R結(jié)構(gòu)域通過磷酸化和調(diào)節(jié)NBD對ATP的結(jié)合和水解能力，調(diào)控通道的門控。R結(jié)構(gòu)域含有大量可被磷酸化的位點（如絲氨酸、蘇氨酸等），它們可以被PKA或PKC磷酸化，同時這些位點也受到磷酸酶的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)可逆磷酸化調(diào)節(jié)。當(dāng)R結(jié)構(gòu)域中的絲氨酸被磷酸化后,可以有效地促進(jìn)兩個NBD結(jié)構(gòu)域的二聚體化，同時還增加了它們對ATP的結(jié)合和水解能力。CFTR氯離子通道的關(guān)閉則與R結(jié)構(gòu)域的去磷酸化相關(guān)。CFTR與囊性纖維化CFTR廣泛分布于多種組織器官，如肺、肝、胰腺、呼吸道、腸道、膽道、生殖道、心臟和血管平滑肌等。CFTR對電解質(zhì)和水分的分泌和吸收發(fā)揮著非常重要的作用。CFTR基因突變是引起囊性纖維化（CF）臨床癥狀的分子基礎(chǔ)。目前已報道超過1900種基因突變。常見的類型有氨基酸刪除（-F508、-1507等）、氨基酸代換（錯義突變）、翻譯提前終止（無義突變）、插入或刪除1到2個堿基而引起的移碼突變，此外還有內(nèi)含子堿基突變影響外顯子拼接而翻譯出缺陷的蛋白質(zhì)。上述突變最常見的是CFTR第508位苯丙氨酸缺失，引起蛋白質(zhì)異常折疊，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的泛素連接酶復(fù)合體可以有效地識別AF508-CFTR，從而將其降解。因此AF508-CFTR無法到達(dá)細(xì)胞膜形成氯離子通道,即使少量到達(dá)細(xì)胞膜也無法有效打開通道,從而造成氯離子運輸嚴(yán)重障礙。這種突變引起的后果最為嚴(yán)重,約占所有突變的70%,是CFTR基因突變的主要類型。多種與人類CF癥狀或發(fā)病機(jī)理類似的轉(zhuǎn)AF508-CFTR基因模型和AF508-CFTR基因敲除模型已成功建立（如豬、雪貂、小鼠和細(xì)胞系等），以用作CF診斷、治療和藥物研發(fā)。1.CF患者肺部感染及炎癥呼吸道表面附有黏液纖毛清除系統(tǒng)，主要由纖毛細(xì)胞、黏液層、漿液層、杯狀細(xì)胞與漿液細(xì)胞組成，其中黏液層和漿液層合稱為呼吸道表面液體（ASL）。ASL是抵抗病原體侵入機(jī)體的第一道防線，當(dāng)有害因子吸入呼吸道時，黏附于黏液層，由上皮纖毛細(xì)胞的纖毛在漿液層中作周期性擺動,將黏附于黏液層的有害因子和異物排出呼吸道。ASL中的抗菌肽、抗氧化因子、防御素和溶菌酶等免疫因子，不僅有抗菌、抗損傷作用，而且介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，是呼吸道免疫防御的重要環(huán)節(jié)。CF患者的一個典型特征就是呼吸道上覆黏稠、增厚的黏液，黏液不能被黏液纖毛清除系統(tǒng)清除,最終導(dǎo)致包括銅綠假單胞菌在內(nèi)的少數(shù)機(jī)會性細(xì)菌對氣道的定植和感染，同時機(jī)體產(chǎn)生特異性的抗體，抗體和細(xì)菌結(jié)合后使大量的中性粒細(xì)胞聚集于病變部位，釋放大量的蛋白酶，引起免疫介導(dǎo)的病變部位的炎癥反應(yīng)，但失衡的免疫調(diào)節(jié)無法清除外在感染，反而通過多種機(jī)制進(jìn)一步損傷氣管結(jié)構(gòu),最終發(fā)展為不可逆的支氣管擴(kuò)張。在呼吸道CFTR主要表達(dá)于呼吸道上皮細(xì)胞和黏膜下腺體細(xì)胞的頂膜側(cè)。呼吸道上皮的CFTR和上皮鈉通道（ENaC）可通過控制水、鹽跨膜轉(zhuǎn)運來調(diào)節(jié)ASL的成分、厚度及黏液一纖毛擺動的速率。生理情況下,CFTR氯離子通道激活后，氯離子與ATP排出到呼吸道管腔,ATP又可激活外向整流氯離子通道（0RCC）和鈣激活氯離子通道（CaCCs）,氯離子通過CFTR、0RCC與CaCCs等離子通道流出細(xì)胞，并且為水分子的流出提供了滲透動力。CF患者異常的CFTR不能正常分泌氯離子和ATP,上述氯離子通道受阻，氯離子在細(xì)胞內(nèi)積累。在CFTR缺陷的情況下,ENaC通道被上調(diào)，呼吸道上皮ENaC功能增強(qiáng)，通過ENaC吸收鈉離子增加，黏液中過多的鈉離子轉(zhuǎn)移進(jìn)細(xì)胞,破壞了細(xì)胞的電解質(zhì)平衡,水分從黏液中轉(zhuǎn)移進(jìn)細(xì)胞和血液中去,使黏液丟失水分而變得稠厚.CFTR基因突變導(dǎo)致上皮氯離子分泌減少，鈉離子吸收增加$然而,這些改變的離子轉(zhuǎn)運過程與CF肺病之間的機(jī)制還不清楚。有關(guān)CF肺病的發(fā)病機(jī)制還有高鹽假說：CF患者ASL中氯化鈉的濃度高于正常人,高濃度的氯化鈉使ASL中的抗菌物質(zhì)失活，從而損傷了呼吸道的自我防御體系。2.CF患者汗液中氯化鈉濃度升高正常情況下，汗腺分泌汗液后經(jīng)由導(dǎo)管排泄到皮膚表面，汗液中的部分離子（如氯離子、鈉離子）可由導(dǎo)管重吸收。人體汗液中氯化鈉的濃度是由汗腺分泌和導(dǎo)管重吸收氯離子、鈉離子的平衡決定的。汗腺主要通過兩條途徑分泌氯離子：一種是CFTR,另一種是CaCCs。即使在沒有CFTR的情況下，氯離子也會通過CaCCs分泌到汗液中。在汗腺導(dǎo)管上,CFTR和ENaC位于導(dǎo)管細(xì)胞的頂膜,ENaC的主要功能是重吸收汗液中的鈉離子，而CFTR負(fù)責(zé)重吸收汗液中的氯離子。由于氯離子內(nèi)流所造成的電化學(xué)梯度，鈉離子