CFTR氯離子通道與囊性纖維化病

王利平

(內蒙古烏蘭察布市涼城縣第一中學 烏蘭察布 013750)

人教版高中生物學教材有3次提到了囊性纖維化及其病因，介紹都較為簡略。為什么氯離子轉運異常會導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家徐立之(Lap-Chee Tsui)等[1]將囊性纖維化(CF)致病基因定位于人類的第7號染色體長臂。1989年，Riordan等[2]在尋找CF疾病基因時意外發現了囊性纖維化跨膜轉導調節因子(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研究。

1 CFTR的結構

CFTR氯離子通道是ABC轉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250 000 bp，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個結構域(圖1)，2個跨膜結構域MSD1和MSD2、 2個核苷酸結合結構域NBD1和NBD2、 1個調節結構域R。每個MSD含有6個跨膜的α螺旋，這6個螺旋組成了氯離子通道。每個NBD都含有保守的Walker A、 WalkerB和LSGGQ基序。Walker A和Walker B基序能與ATP結合，并通過ATP結合、水解調節氯離子通道的門控性。調節結構域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R被PKA磷酸化時，可以激活CFTR。

圖1 CFTR氯離子通道的結構模型[3]

2 CFTR的調節機制

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梯度跨膜轉運。與其他ABC轉運蛋白不同的是CFTR允許氯離子雙向轉運，而不是定向轉運。當胞內氯離子濃度升髙，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通道打開。MSD1和MSD2共同構成了對氯離子具有選擇性的通道。MSD的部分氨基酸構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來調節。NBD1和NBD2組成頭尾相對的二聚體，在接觸面上形成2個ATP結合位點，其中一個是由NBD1的Walker A基序與NBD2的LSGGQ基序形成的(位點1)，另一個是由NBD2的Walker A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結構域必須先由cAMP介導的PKA磷酸化；ATP與兩個NBD結合，改變CFTR立體構象，NBD1和NBD2形成緊密結合的二聚體，使CFTR氯離子通道開放，氯離子外流；結合于NBD2的ATP水解，ATP的水解和水解產物Pi的喪失使相對穩定的開路狀態變得不穩定。隨后，緊密結合的二聚體界面被破壞，通道關閉。

R結構域通過磷酸化和調節NBD對ATP的結合和水解能力，調控通道的門控。R結構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節，從而實現可逆磷酸化調節。當R結構域中的絲氨酸被磷酸化后，可以有效地促進兩個NBD結構域的二聚體化，同時還增加了它們對ATP的結合和水解能力。CFTR氯離子通道的關閉則與R結構域的去磷酸化相關。

3 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對電解質和水分的分泌和吸收發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。目前已報道超過1900種基因突變。常見的類型有氨基酸刪除(ΔF508、ΔI507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，此外還有內含子堿基突變影響外顯子拼接而翻譯出缺陷的蛋白質。上述突變最常見的是CFTR第508位苯丙氨酸缺失(ΔF508-CFTR)，引起蛋白質異常折疊，內質網相關的泛素連接酶復合體可以有效地識別ΔF508-CFTR，從而將其降解。因此ΔF508-CFTR無法到達細胞膜形成氯離子通道，即使少量到達細胞膜也無法有效打開通道，從而造成氯離子運輸嚴重障礙。這種突變引起的后果最為嚴重，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癥狀或發病機理類似的轉ΔF508-CFTR基因模型和ΔF508-CFTR基因敲除模型已成功建立(如豬、雪貂、小鼠和細胞系等)，以用作CF診斷、治療和藥物研發。

3.1 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，主要由纖毛細胞、黏液層、漿液層、杯狀細胞與漿液細胞組成，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體的第一道防線，當有害因子吸入呼吸道時，黏附于黏液層，由上皮纖毛細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，而且介導炎癥反應，是呼吸道免疫防御的重要環節。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清除，最終導致包括銅綠假單胞菌在內的少數機會性細菌對氣道的定植和感染，同時機體產生特異性的抗體，抗體和細菌結合后使大量的中性粒細胞聚集于病變部位，釋放大量的蛋白酶，引起免疫介導的病變部位的炎癥反應，但失衡的免疫調節無法清除外在感染，反而通過多種機制進一步損傷氣管結構，最終發展為不可逆的支氣管擴張。在呼吸道CFTR主要表達于呼吸道上皮細胞和黏膜下腺體細胞的頂膜側。呼吸道上皮的CFTR和上皮鈉通道(ENaC)可通過控制水、鹽跨膜轉運來調節ASL的成分、厚度及黏液——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(ORCC)和鈣激活氯離子通道(CaCCs)，氯離子通過CFTR、 ORCC與CaCCs等離子通道流出細胞，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，氯離子在細胞內積累。在CFTR缺陷的情況下，ENaC通道被上調，呼吸道上皮ENaC功能增強，通過ENaC吸收鈉離子增加，黏液中過多的鈉離子轉移進細胞，破壞了細胞的電解質平衡，水分從黏液中轉移進細胞和血液中去，使黏液丟失水分而變得稠厚。

CFTR基因突變導致上皮氯離子分泌減少，鈉離子吸收增加。然而，這些改變的離子轉運過程與CF肺病之間的機制還不清楚。有關CF肺病的發病機制還有高鹽假說： 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中的抗菌物質失活，從而損傷了呼吸道的自我防御體系[4]。必修1教材《分子與細胞》73頁提到的“1996年研究人員發現，肺部細胞外側Na﹢的聚積會使肺易受細菌傷害”與高鹽假說一致。

3.2 CF患者汗液中氯化鈉濃度升高 正常情況下，汗腺分泌汗液后經由導管排泄到皮膚表面，汗液中的部分離子(如氯離子、鈉離子)可由導管重吸收。人體汗液中氯化鈉的濃度是由汗腺分泌和導管重吸收氯離子、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。在汗腺導管上，CFTR和ENaC位于導管細胞的頂膜，ENaC的主要功能是重吸收汗液中的鈉離子，而CFTR負責重吸收汗液中的氯離子。由于氯離子內流所造成的電化學梯度，鈉離子被動地通過ENaC吸收，這減少了水和鹽的損失[5]。在汗腺導管上，ENaC的活性依賴于CFTR，并隨CFTR活性的增加而增強。CFTR缺陷會導致ENaC無法被激活[6， 7]。CF患者，汗腺導管細胞上CFTR功能異常，ENaC也不能被激活。汗液中氯離子重吸收明顯減少，鈉離子不能經ENaC內流，汗液中氯離子、鈉離子濃度明顯升高。