Jeden kanał a tyle problemów, czyli genetyka mukowiscydozy.07.04.2011

autor: Tomasz Woźniak
słowa kluczowe: genetyka, mukowiscydoza

1row

ryc. 1. Domena wiążąca nukleotyd białka CFTR, PDBID: 1ROW, rysunek wygenerowano za pomocą programu PyMol

Mukowiscydoza to choroba genetyczna wywoływana przez mutacje w genie CFTR. Jest to częsta choroba genetyczna, w populacji kaukaskiej pojawia się średnio raz na 2500 narodzin. Objawia się ona całym szeregiem objawów, poczynając od nadmiernej produkcji śluzu a na problemach związanych z produkcją enzymów trzustkowych kończąc. Na szczęście w ostatnich dziesięcioleciach przewidywana długość życia wydłużyła się z około 1 roku w 1960, do 40 lat w 2002 roku.

Mutacja w genie CFTR, powodująca mukowiscydozę, ma charakter recesywny, więc aby pojawił się stan chorobowy, potrzebne są dwa zmutowane allele tego genu. Ponieważ mukowiscydoza podlega dziedziczeniu zgodnie z prawami Mendla, to jeśli oboje rodzice są nosicielami zmutowanych alleli, wtedy każde z ich dzieci ma 25% szans na rozwinięcie choroby (ryc. 2). Choroba ta powodowana jest mutacjami w genie CFTR kodującym białko, będące kanałem chlorkowym zależnym do cAMP (cykliczny fosforan adenozyny). Innymi słowy białko to umożliwia przepływ jonów Cl- przez błonę komórkową w zależności od stężenia cAMP. Białko to jest białkiem transbłonowym o masie 168 kDa, zbudowanym z 1480 aminokwasów. Gen tego białka zawiera 27 egzonów. Badając jego sekwencję u różnych osób, udało się zidentyfikować ponad 1000 różnych mutacji. W większości są one zlokalizowane w domenach NDB (ang. Nucleotide Binding Domain - domena wiążąca nukleotyd) i R (ang. Regulatory domain - domena regulatorowa). Najwięcej, bo aż 70% mutacji znaleziono w pozycji δF508. Z pozostałych mutacji, jedynie G542X, N1303K, G551D, W1282X przekraczają jeden procent.

schemat genetyka

ryc.2 Krzyżówka genetyczna ukazująca rozkład alleli u dzieci dwojga nosicieli zmutowanych genów.

Białko CFTR należy do rodziny białek ABC (ang. ATP binding cassette), do której wchodzi między innymi białko MDR (ang. multiple drug resistance protein - białko oporności wielolekowej). Zbudowane jest z dwóch homologicznych połówek, połączonych domeną regulatorową (ryc. 3).


Mutacje w genie CFTR można podzielić na kilka głównych kategorii:

  • Mutacje typu I: Są to mutacje mające wpływ na biosyntezę białka (transkrypcję i translację). Są to mutacje zmiany sensu (14%), zmiany ramki odczytu (22%), powodujące nieprawidłowe składanie mRNA (8%) w tym "wycięcie" egzonu 9. Wśród mutacji typu I można znaleźć takie, które odpowiadają zarówno za najcięższe jak i najlżejsze objawy.
  • Mutacje typu II: Są to mutacje wpływające na dojrzewanie białek. Po translacji białko musi ulec zwinięciu w sposób umożliwiający przyjęcie właściwej sobie struktury przestrzennej. Ponieważ struktura ta jest zależna od sekwencji, to niektóre z mutacji powodują niemożliwość zwinięcia się do prawidłowej formy. Do tej grupy zaliczyć można najczęstszą mutację w genie δF508 w pierwszej domenie wiążącej nukleotyd.
  • Mutacje typu III: Są to mutacje wpływające na regulację przepływu jonów przez cAMP, wszystkie są zlokalizowane w obrębie domeny wiążącej nukleotyd. Białka zawierające tego rodzaju mutacje nie reagują na obecność cAMP i nie umożliwiają przepływu jonów chlorkowych przez błonę.
  • Mutacje typu IV: Mutacje tego typu wpływają na przepływ jonów chlorkowych. Zlokalizowane są w obrębie domen transbłonowych (tworzących kanał) i w różnym stopniu wpływają na możliwość przepływu jonów.
  • Mutacje wpływające na stabilność białka: Jest to klasa sugerowana dla mutacji w wyniku których białko pozbawione zostaje co najmniej 70 reszt aminokwasowych z C końca. Nie wpływa to na funkcjonowanie białka, ale powoduje jego mniejszą stabilność. Mutacje tego typu zaliczane są do mutacji "łagodnych".


struktura białka CFTR


ryc. 3 proponowana struktura białka CFTR w błonie

Genotyp-fenotyp, złożoność problemu:

Jeśli chodzi o zależność przebiegu choroby od jej genetyki, to jest to niezwykle złożona kwestia, w związku z czym poniżej przedstawię tylko kilka wybranych aspektów.

W mukowiscydozie efekty trzustkowe korelują dobrze z aspektami genetycznymi. Pacjenci mający "wystarczające" funkcje trzustkowe mają co najmniej jedną z mutacji łagodną (np. mutacja wpływająca na stabilność białka), podczas gdy pacjenci z niewystarczającą funkcją trzustki mają obie mutacje "poważne". W przypadku dolegliwości płucnych zależność taka nie jest dobrze widoczna.

Ponadto, w przypadku wystąpienia dwóch mutacji jednocześnie sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana. Obecność drugiej mutacji może mieć efekt kompensujący do pierwszej, lub jeszcze bardziej pogłębiać chorobę. Przykładem na to może być mutacja R553Q, która w pewnym stopniu niweluje wpływ mutacji δF508 oraz dwie "łagodne" mutacje R347H i D979A, które występując razem powodują ciężki stan chorobowy.

Natężenie objawów może w dużym stopniu zależeć od różnego rodzaju regulatorów. Przykładem może być regulacja TNF-α. Zwiększona ekspresja genu TNF-α może prowadzić do silniejszych objawów mukowiscydozy.

Mukowiscydoza może też współwystępować z innymi chorobami. Przykładowo bardzo często osoby chorujące na wrodzony obustronny zanik nasieniowodów (ang. congenital bilateral absence of the vas deferens (CBAVD)) mają też mutację w genie CFTR, choć bez typowych dla mukowiscydozy objawów.

Przytoczone tu informacje i przykłady nie wyczerpują tak złożonego tematu jakim są genetyczne aspekty mukowiscydozy, jednak pozwalają nieco lepiej zrozumieć tą niezwykle ciężką chorobę. Być może za kilka lat, dzięki dobrej znajomości genetyki tej choroby powstaną nowe generacje leków, które umożliwią całkowite pozbycie się jej objawów.

Literatura:

  1. The Phenotypic Consequences of CFTR Mutations Rebecca K. Rowntree and Ann Harris, Paediatric Molecular Genetics

ISSN 1689-7730