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El regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística ( CFTR ) es una proteína de membrana y un canal de cloruro en los vertebrados que está codificado por el gen CFTR . [5] [6]

El gen CFTR codifica una proteína de canal iónico de clase transportadora ABC que conduce iones cloruro [7] a través de las membranas de las células epiteliales . Las mutaciones del gen CFTR que afectan la función del canal de iones cloruro conducen a una desregulación del transporte de líquido epitelial en el pulmón, páncreas y otros órganos, lo que resulta en fibrosis quística . Las complicaciones incluyen moco espesado en los pulmones con frecuentes infecciones respiratorias e insuficiencia pancreática que da lugar a desnutrición y diabetes. Estas condiciones conducen a una discapacidad crónica y una reducción de la esperanza de vida. En los pacientes masculinos, la obstrucción progresiva y la destrucción de los conductos deferentes en desarrollo (cordón espermático) y el epidídimo parecen ser el resultado de secreciones intraluminales anormales, [8] que causan ausencia congénita de los conductos deferentes e infertilidad masculina.

Gene

La ubicación del gen CFTR en el cromosoma 7

El gen que codifica la proteína CFTR humana se encuentra en el cromosoma 7 , en el brazo largo en la posición q31.2. [6] desde el par de bases 116.907.253 al par de bases 117.095.955. Los ortólogos CFTR [9] ocurren en los vertebrados con mandíbula . [10]

El gen CFTR se ha utilizado en animales como marcador filogenético de ADN nuclear . [9] Se han utilizado grandes secuencias genómicas de este gen para explorar la filogenia de los principales grupos de mamíferos , [11] y se confirmó la agrupación de órdenes placentarios en cuatro clados principales: Xenarthra , Afrotheria , Laurasiatheria y Euarchonta más Glires .

Mutaciones

Se han descrito casi 1000 mutaciones causantes de fibrosis quística . [12] La mutación más común, DeltaF508 (ΔF508) resulta de una deleción (Δ) de tres nucleótidos que resulta en una pérdida del aminoácido fenilalanina (F) en la posición 508 de la proteína. [13] Como resultado, la proteína no se pliega normalmente y se degrada más rápidamente. La gran mayoría de mutaciones son poco frecuentes. La distribución y frecuencia de las mutaciones varía entre las diferentes poblaciones, lo que tiene implicaciones para la detección y el asesoramiento genéticos.

El descubrimiento de fármacos con fines terapéuticos para abordar la FQ en todos los pacientes es complicado debido a la gran cantidad de mutaciones que causan enfermedades. Idealmente, se requiere una biblioteca de líneas celulares y ensayos basados ​​en células correspondientes a todos los mutantes para seleccionar fármacos candidatos ampliamente activos. Pueden usarse métodos de ingeniería celular que incluyen sondas de señalización de oligonucleótidos fluorogénicos para detectar y aislar líneas celulares clonales para cada mutante. [14]

Las mutaciones consisten en reemplazos, duplicaciones, deleciones o acortamientos en el gen CFTR. Esto puede resultar en proteínas que pueden no funcionar, trabajar con menos eficacia, degradarse más rápidamente o estar presentes en cantidades inadecuadas. [15]

Se ha planteado la hipótesis de que las mutaciones en el gen CFTR pueden conferir una ventaja selectiva a los individuos heterocigotos. Las células que expresan una forma mutante de la proteína CFTR son resistentes a la invasión de la bacteria Salmonella typhi , el agente de la fiebre tifoidea , y los ratones que portan una sola copia de CFTR mutante son resistentes a la diarrea causada por la toxina del cólera. [dieciséis]

Las mutaciones más comunes que causan fibrosis quística e insuficiencia pancreática en humanos son: [17]

DeltaF508

DeltaF508 ( ΔF508 ), nombre completo CFTRΔF508 o F508del-CFTR ( rs113993960 ), es una mutación específica dentro del gen CFTR que implica una deleción de tres nucleótidos que abarcan las posiciones 507 y 508 del gen CFTR en el cromosoma 7, que finalmente resulta en la pérdida de un solo codón para el aminoácido fenilalanina (F). Una persona con la mutación CFTRΔF508 producirá una proteína CFTR anormal que carece de este residuo de fenilalanina y que no puede plegarse correctamente. Esta proteína no escapa del retículo endoplásmico.para su posterior procesamiento. Tener dos copias de esta mutación (una heredada de cada padre) es, con mucho, la causa más común de fibrosis quística (FQ), responsable de casi dos tercios de las mutaciones en todo el mundo. [18]

Efectos

La proteína CFTR se expresa en gran medida en las células del páncreas, el epitelio intestinal y respiratorio y todas las glándulas exocrinas. Cuando se pliega correctamente, se transporta a la membrana celular, donde se convierte en una proteína transmembrana responsable de abrir los canales que liberan iones de cloruro de las células; también inhibe simultáneamente la captación de iones de sodio por otra proteína de canal. Ambas funciones ayudan a mantener un gradiente de iones que hace que la ósmosis extraiga agua de las células. [19] La mutación ΔF508 conduce al plegamiento incorrecto de CFTR y su eventual degradación en el RE.. En organismos con dos complementos de la mutación, la proteína está completamente ausente de la membrana celular y estas funciones críticas de transporte de iones no se llevan a cabo. [20]

Tener un par de genes homocigotos con la mutación ΔF508 evita que la proteína CFTR asuma su posición normal en la membrana celular. Esto provoca una mayor retención de agua en las células, la correspondiente deshidratación del espacio extracelular y una cascada de efectos asociada en varias partes del cuerpo. Estos efectos incluyen: membranas mucosas más gruesas en el epitelio de los órganos afectados; obstrucción de las vías respiratorias estrechas como resultado de una mucosa más espesa y la inhibición del libre movimiento de las mucocilias; ausencia congénita de los conductos deferentesdebido al aumento del grosor del moco durante el desarrollo fetal; insuficiencia pancreática debido al bloqueo del conducto pancreático con moco; y un mayor riesgo de infección respiratoria debido a la acumulación de moco espeso y rico en nutrientes donde prosperan las bacterias. Estos son los síntomas de la fibrosis quística , un trastorno genético; sin embargo, ΔF508 no es la única mutación que causa este trastorno.

Ser un portador heterocigoto (que tiene una sola copia de ΔF508) da como resultado una menor pérdida de agua durante la diarrea porque las proteínas CFTR que funcionan mal o ausentes no pueden mantener gradientes iónicos estables a través de las membranas celulares. Por lo general, hay una acumulación de iones Cl - y Na + dentro de las células afectadas, lo que crea un efecto hipotónico.solución fuera de las células y haciendo que el agua se difunda dentro de las células por ósmosis. Varios estudios indican que los portadores heterocigotos tienen un mayor riesgo de sufrir diversos síntomas. Por ejemplo, se ha demostrado que la heterocigosidad para la fibrosis quística se asocia con una mayor reactividad de las vías respiratorias y los heterocigotos pueden tener riesgo de mala función pulmonar. Se ha demostrado que los heterocigotos con sibilancias tienen un mayor riesgo de mala función pulmonar o desarrollo y progresión de enfermedad pulmonar obstructiva crónica . Un gen de la fibrosis quística es suficiente para producir anomalías pulmonares leves incluso en ausencia de infección. [21]

Mecanismo

El gen CFTR se encuentra en el brazo largo del cromosoma 7, en la posición q31.2, y finalmente codifica una secuencia de 1480 aminoácidos. Normalmente, los tres pares de bases de ADN ATC (emparejados con TAG en la hebra opuesta) en la posición 507 del gen forman la plantilla para el codón de ARNm AUC para isoleucina , mientras que los tres pares de bases de ADN TTT (emparejados con AAA) en la posición 508 adyacente forman la plantilla para el codón UUU de fenilalanina . [22] La mutación ΔF508 es una deleción del par CG de la posición 507 junto con los dos primeros pares de TA de la posición 508, dejando la secuencia de ADN ATT (emparejada con TAA) en la posición 507, que se transcribeen el codón de ARNm AUU. Dado que AUU también codifica isoleucina, el aminoácido de la posición 507 no cambia y el efecto neto de la mutación es equivalente a una deleción ("Δ") de la secuencia que da como resultado el codón de fenilalanina en la posición 508. [23]

Prevalencia

ΔF508 está presente en al menos una copia del cromosoma 7 en aproximadamente uno de cada 30 caucásicos . La presencia de la mutación en ambas copias provoca la enfermedad autosómica recesiva fibrosis quística. Los científicos han estimado que la mutación original ocurrió hace más de 52.000 años en el norte de Europa . La edad del alelo joven puede ser consecuencia de una selección pasada. Una hipótesis de por qué la selección natural ha mantenido la mutación, que de otro modo sería perjudicial, es que una sola copia puede presentar un efecto positivo al reducir la pérdida de agua durante el cólera , aunque la introducción del patógeno Vibrio cholerae en Europa no se produjo hasta finales del siglo XVIII. [24]Otra teoría postula que los portadores de FQ (heterocigotos para ΔF508) son más resistentes a la fiebre tifoidea , ya que se ha demostrado que CFTR actúa como un receptor para que la bacteria Salmonella typhi ingrese a las células epiteliales intestinales. [25]

Los heterocigotos ΔF508 de fibrosis quística pueden estar sobrerrepresentados entre las personas con asma y pueden tener una función pulmonar más deficiente que los no portadores. [26] [27] Los portadores de una sola mutación de la FQ tienen una prevalencia más alta de rinosinusitis crónica que la población general. [28] Aproximadamente el 50% de los casos de fibrosis quística en Europa se deben a mutaciones homocigóticas de ΔF508 (esto varía mucho según la región), [29] mientras que la frecuencia alélica de ΔF508 es de aproximadamente el 70%. [30]Los casos restantes son causados ​​por más de 1,500 otras mutaciones, incluidas R117H, 1717-1G> A y 2789 + 56G> A. Estas mutaciones, cuando se combinan entre sí o incluso con una sola copia de ΔF508, pueden causar síntomas de FQ. El genotipo no está fuertemente correlacionado con la gravedad de la FQ, aunque se han relacionado síntomas específicos con ciertas mutaciones.

Estructura

La estructura general del CFTR humano en la conformación desfosforilada libre de ATP. Los dominios están etiquetados. Hecho de PDB 5UAK [1]

El gen CFTR tiene aproximadamente 189 kb de longitud, con 27 exones y 26 intrones . [31] CFTR es una glicoproteína con 1480 aminoácidos . La proteína consta de cinco dominios. Hay dos dominios transmembrana, cada uno con seis tramos de hélices alfa . Cada uno de ellos está conectado a un dominio de unión a nucleótidos (NBD) en el citoplasma. El primer NBD está conectado al segundo dominio transmembrana mediante un dominio "R" regulador que es una característica única de CFTR, no presente en otros transportadores ABC . El canal iónico solo se abre cuando su dominio R ha sido fosforilado por PKA y ATPestá vinculado a los NBD. [32] El carboxilo terminal de la proteína está anclado al citoesqueleto por un dominio de interacción PDZ . [33] La estructura mostrada (PDB # 1XMI) muestra un ensamblaje homopentamérico de NBD1 mutado, el primer dominio de unión a nucleótidos (NBD1) del transportador.

Ubicación y función

La proteína CFTR es una proteína de canal que controla el flujo de iones H 2 O y Cl - dentro y fuera de las células dentro de los pulmones. Cuando la proteína CFTR funciona correctamente, como se muestra en el Panel 1, los iones fluyen libremente dentro y fuera de las células. Sin embargo, cuando la proteína CFTR funciona mal como en el Panel 2, estos iones no pueden salir de la célula debido a los canales CFTR bloqueados. Esto ocurre en la fibrosis quística , caracterizada por la acumulación de moco espeso en los pulmones.

Funciones CFTR como una fosforilación y ATP - gated anión canal , aumentando la conductancia para ciertos aniones (por ejemplo, Cl - ) fluya hacia abajo de su gradiente electroquímico . Los cambios conformacionales impulsados ​​por ATP en CFTR abren y cierran una puerta para permitir el flujo transmembrana de aniones por su gradiente electroquímico . [34] Esto en contraste con otras proteínas ABC , en las que los cambios conformacionales impulsados ​​por ATP alimentan el transporte de sustrato cuesta arriba a través de las membranas celulares. Esencialmente, CFTR es un canal de iones que evolucionó como un 'roto'Transportador ABC que gotea cuando está en conformación abierta .

Los CFTR tienen dos dominios transmembrana, cada uno vinculado a un dominio de unión a nucleótidos. CFTR también contiene otro dominio llamado dominio regulatorio. Otros miembros de la superfamilia de transportadores ABC están involucrados en la absorción de nutrientes en procariotas o en la exportación de una variedad de sustratos en eucariotas. Los transportadores ABC han evolucionado para transducir la energía libre de la hidrólisis de ATP al movimiento ascendente de sustratos a través de la membrana celular. Tienen dos conformaciones principales, una en la que el sitio de unión de la carga está orientado hacia el citosol o hacia adentro (libre de ATP) y otra en la que está orientado hacia afuera (ligado a ATP). El ATP se une a cada dominio de unión de nucleótidos, lo que da como resultado la posterior dimerización de NBD, lo que conduce al reordenamiento de las hélices transmembrana.Esto cambia la accesibilidad del sitio de encuadernación de la carga de una posición orientada hacia adentro a una que mira hacia afuera. La unión de ATP, y la hidrólisis que sigue, impulsa la exposición alternativa del sitio de unión de la carga, asegurando un transporte unidireccional de la carga contra ungradiente electroquímico . En CFTR, alternar entre una conformación que mira hacia adentro y una que mira hacia afuera da como resultado la compuerta del canal. En particular, la dimerización de NBD (favorecida por la unión de ATP) se acopla a la transición a una conformación orientada hacia afuera en la que se forma una ruta transmembrana abierta para los aniones. La hidrólisis posterior (en el sitio canónico activo, sitio 2, incluidos los motivos de Walker de NBD2) desestabiliza el dímero NBD y favorece el retorno a la conformación orientada hacia adentro, en la que se cierra la vía de permeación de aniones. [34]

El CFTR se encuentra en las células epiteliales de muchos órganos, incluidos el pulmón , el hígado , el páncreas , el tracto digestivo y el tracto reproductivo femenino [35] y masculino . [36] [37]

En las vías respiratorias del pulmón, el CFTR se expresa en mayor medida por células especializadas poco comunes llamadas ionocitos pulmonares . [38] [39] [40] En la piel, el CFTR se expresa fuertemente en las glándulas sudoríparas sebáceas y ecrinas . [41] En las glándulas ecrinas, CFTR se encuentra en la membrana apical de las células epiteliales que forman el conducto de estas glándulas sudoríparas. [41]

Normalmente, la proteína permite el movimiento de iones cloruro y tiocianato [42] (con carga negativa) desde una célula epitelial hacia el líquido y el moco de la superficie de las vías respiratorias . Los iones de sodio cargados positivamente siguen pasivamente, aumentando la concentración total de electrolitos en el moco, lo que resulta en el movimiento del agua fuera de la célula a través de la ósmosis .

En las células epiteliales con cilios móviles que recubren el bronquio y el oviducto, el CFTR se encuentra en la membrana celular apical pero no en los cilios. [35] Por el contrario, ENaC (canal de sodio epitelial) se encuentra a lo largo de toda la longitud de los cilios. [35]

En las glándulas sudoríparas , el CFTR defectuoso da como resultado una reducción del transporte de cloruro de sodio y tiocianato de sodio [43] en el conducto de reabsorción y, por lo tanto, un sudor más salado. Esta es la base de una prueba de sudor clínicamente importante para la fibrosis quística que a menudo se usa para el diagnóstico con el cribado genético. [44]

Interacciones

Se ha demostrado que el regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística interactúa con:

  • DNAJC5 , [45]
  • GOPC , [46] [47]
  • PDZK1 , [47] [48]
  • PRKCE , [49]
  • SLC4A8 , [50]
  • SNAP23 , [51]
  • SLC9A3R1 , [33] [50] [52] [53] [54] [55]
  • SLC9A3R2 , [56] y
  • STX1A , [51] [57]

Es inhibido por el crofelemer, un fármaco antidiarreico .

Condiciones relacionadas

  • Ausencia congénita bilateral de conductos deferentes : los hombres con ausencia congénita bilateral de conductos deferentes suelen tener una mutación leve (un cambio que permite la función parcial del gen) en una copia del gen CFTR y una mutación que causa fibrosis quística en la otra. copia de CFTR.
  • Fibrosis quística : se han encontrado más de 1.800 mutaciones en el gen CFTR [58], pero la mayoría de ellas no se han asociado con fibrosis quística. [59] La mayoría de estas mutaciones sustituyen un aminoácido (un componente básico de las proteínas) por otro aminoácido en la proteína CFTR o eliminan una pequeña cantidad de ADN.en el gen CFTR. La mutación más común, denominada ΔF508, es una deleción (Δ) de un aminoácido (fenilalanina) en la posición 508 de la proteína CFTR. Esta proteína alterada nunca llega a la membrana celular porque se degrada poco después de su fabricación. Todas las mutaciones que causan enfermedades en el gen CFTR impiden que el canal funcione correctamente, lo que provoca un bloqueo del movimiento de la sal y el agua dentro y fuera de las células. Como resultado de este bloqueo, las células que recubren los conductos de los pulmones, el páncreas y otros órganos producen una mucosidad anormalmente espesa y pegajosa. Este moco obstruye las vías respiratorias y las glándulas, provocando los signos y síntomas característicos de la fibrosis quística. Además, los cilios solo pueden eliminar la mucosidad fina ; el moco espeso no puede, por lo que atrapa las bacterias que dan lugar a infecciones crónicas.
  • Cólera : la ribosilación de ADP causada por la toxina del cólera da como resultado un aumento de la producción de AMP cíclico que a su vez abre el canal CFTR que conduce a la secreción excesiva de Cl - . El Na + y el H 2 O siguen al Cl - hacia el intestino delgado, lo que resulta en deshidratación y pérdida de electrolitos. [60]

Objetivo farmacológico

CFTR ha sido un objetivo farmacológico en los esfuerzos por encontrar tratamientos para afecciones relacionadas. Ivacaftor (nombre comercial Kalydeco , desarrollado como VX-770 ) es un medicamento aprobado por la FDA en 2012 para personas con fibrosis quística que tienen mutaciones específicas de CFTR. [61] [62] Ivacaftor fue desarrollado por Vertex Pharmaceuticals junto con la Cystic Fibrosis Foundation y es el primer fármaco que trata la causa subyacente en lugar de los síntomas de la enfermedad. [63] Llamada "la nueva droga más importante de 2012", [64] y "una droga maravillosa" [65]es uno de los medicamentos más caros, con un costo de más de US $ 300.000 por año, lo que ha llevado a críticas a Vertex por su alto costo.

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Enlaces externos

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  • La proteína reguladora de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística
  • La base de datos de mutaciones de genes humanos - Registros CFTR
  • Base de datos de mutaciones de fibrosis quística
  • Información CFTR del Laboratorio Nacional de Oak Ridge
  • CFTR en OMIM (Centro Nacional de Información Biotecnológica)
  • Descripción general de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : P13569 (regulador de conductancia transmembrana de fibrosis quística humana) en el PDBe-KB .
  • Descripción general de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : P26361 (regulador de conductancia transmembrana de fibrosis quística de ratón) en el PDBe-KB .