Protein synthesis. Detail showing protein synthesis using messenger RNA created during DNA transcription.
Муковисцидоз – наследственное заболевание, при котором нарушается работа CFTR белка, который отвечает за транспорт ионов хлора в клетках. Заболевание вызвано мутацией в гене, находящемся в 7й хромосоме. Известно около 1000 различных мутаций этого гена, которые приводят к различным изменениям в белке CFTR: к полному его отсутствию, уменьшению количества, изменению структуры и функции, и, соответственно, обуславливают различное течение заболевания. Подробнее о видах мутаций при МВ и их проявлениях расскажем в это статье.
Синтез белка в клетке
Белок – органическая молекула, состоящая из длинной цепочки аминокислотных остатков, и сворачивающаяся определенным образом. Нарушение последовательности аминокислотных остатков в цепочке приводит к неправильному сворачиванию белка и нарушению его функции.
Синтез белка в клетке многоступенчатый сложный процесс, основную роль в котором играет молекула ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов.
Информация о последовательности аминокислотных остатков в белковой цепочке записана в ДНК в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Каждой аминокислоте белка соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов. Всего в ДНК 4 вида нуклеотидов: пуриновые — аденин (А), гунин (Г) и пиримидиновые — цитозин (Ц) тимин (Т),.
Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК (информационная РНК):
Можно выделить основные этапы синтеза белка:
- Первый этап — синтез матричной РНК (мРНК) происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» — переписывание).
- На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК (транспортной РНК), которые состоят из трех нуклеотидов.
- Третий этап — это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Этап происходит в рибосомах.
- На четвертом этапе происходит образование вторичной (спиральной) и третичной (глобулярной) структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.
- ПК белку присоединяются цепочки сахаров, которые важны для правильного функционирования. Белок транспортируется к месту выполнения им своей функции.
Схематично эти этапы показаны на рисунке.
Ниже показана рибосома (зеленая), ползущая по РНК (синяя), и постепенно появляющаяся аминокислотная цепочка (желтая).
Protein synthesis. Computer artwork of protein being synthesized by a ribosome. Ribosomes are protein particles that are found in cell cytoplasm. Each ribosome has a large and a small subunit. Messenger ribonucleic acid (mRNA, purple) passes between the two subunits and provides the instructions for the assembly of a protein (polypeptide) chain (yellow) from amino acids. The mRNA originates in the cell’s nucleus, and is a copy of the information coded in DNA (deoxyribonucleic acid). The process of protein synthesis from mRNA in ribosomes is known as translation. Different sequences of mRNA produce different proteins.
Итак, в ДНК в последовательности нуклеотидов закодирована информация о структуре будущего белка. Поэтому любое изменение (мутация) в гене (участке ДНК) приводит к изменениям в синтезируемом белке.
Какие существуют классы мутация?
Мутации при МВ подразделяют на 6 классов.
Класс I
Мутации, при которых нарушается синтез мРНК. В результате появляется дефектная, короткая мРНК, и белок CFTR не синтезируется или синтезируется короткий, не полный белок, который не функционирует.
Класс II.
Происходит нарушение формирования вторичной и третичной структуры синтезированного белка и такой белок не достигает мембраны клетки, где должен находиться, а распадается по пути к ней, в цитоплазме. Самая распространенная мутация при муковисцидозе, F508del, относится к этому классу.
В результате мутаций III класса нарушается работа регуляторных доменов CFTR (см подробнее здесь). На клеточной мембране образуется нормальное количество нефункционального белка CFTR.
IV класс мутаций – уменьшается транспорт хлоридов через ионный канал из за слишком быстрого его закрытия. Однако частично каналы работают, то есть сохраняется остаточная функция белка. Мутации IV и последующих классов относят к более «легким».
Класс V мутации приводят к уменьшению количества нормальной мРНК и нормального белка из за нарушений процесса созревания мРНК.
Класс VI. . Некоторые мутации могут нарушать регуляторное действие, которое CFTR оказывает на другие ионные каналы клетки (например, на натриевый канал).
На рисунке показаны 6 классов мутаций при МВ
Мутации в гене муковисцидоза имеют различия по частоте встречаемости (самая частая мутация – F508del) и по распределению в различных популяциях. Например,W1282X чаще встречается у евреев-ашкенази, 2143delT в Германии, Y122X в Исландии, T338I в Сардинии, а 2183AA>G и R1162X в Северо-восточной Италии. В целом, во всем мире лишь небольшое число мутаций встречаются чаще, чем в 0,1% случаев.
В России наиболее часто встречаются следующие МВ мутации:
Процентный состав мутаций в российской популяции [Петрова Н.В.]
| Мутация | Относительная частота встречаемости |
| F508del | 55,9% |
| CFTRdele2,3(21kb) | 6,9% |
| 2143delT | 2,0% |
| W1282X | 1,8% |
| 3849+10kbC>T | 1,8% |
| 2184insA | 1,7% |
| N1303K G542X | 1,5% |
| 91677delTA | 1,4% |
| R334W | 0,8% |
| L138ins 3821delT 394delTT | 0,5% |
| S1196X | 0,4% |
| 3944delTG | 0,3% |
| 604insA 621+1G>T 2789+5G>A 2183AA>G | 0,2% |
| R347P R1162X 1898-1G>A W1282R 3667insTCAA D572N K598ins 3120+1G>A G480C R668C del ex4-10 |
0,06% |
| не идентифицированные | 21,2% |
Разделение часто встречающихся мутаций по классам
|
Класс I |
Класс II |
Класс III |
Класс IV |
Класс V |
Класс VI |
|
Нарушение синтеза белка |
Нарушение процессинга или транспорта |
Нарушение регуляции |
Снижение проводимости |
Снижение уровня нормальных молекул белка или РНК |
Изменение свойств регуляции других ионных каналов |
| G542X | F508del | G551D | R334W | 3849+10kbCAT | G551D |
| W1282X | N1303K | G1244E | R347P | A455E | |
| R553X | I507del | S1255P | R117H | IVS8(5T) | |
| 621+1CAT | S549I | D1270N | L206W | 1811+1,6kbAAG | |
| 2143delT | S549R | , D836Y | 2789+5GRA | ||
| 1677delTA | R1066C | P205S | 3272+26GRA | ||
| 711+1GRT | M1137V | ||||
| 1609delCA | I1139V | ||||
| R1162X | M1140 | ||||
| 1717-8GRA | D1152H | ||||
| 1782delA | D1154G | ||||
| Q890X | |||||
| 1898+3ARG | |||||
| CFTRdele19 | |||||
| 936delTA | |||||
| Y122X |
Генотип и фенотип
В целом, мутации I-III классов вызывают более серьезные нарушения функции CFTR-белка, чем мутации IV или V классов. У пациентов, у которых обе мутации относятся к I-III классам, наблюдается выраженное поражение поджелудочной железы, нарушение питания, высокая частота встречаемости мекониального илеуса, МЗСД, более раннее и тяжелое проявление нарушений легочной функции, высокий уровень хлоридов пота.
Мутации IV-V классов обычно сопровождаются более легкой формой поражения легких, функция поджелудочной железы достаточная.
При сочетании мутаций IV-V и I-III классов доминирующее влияние на фенотип оказывают мутации IV-V классов. То есть «Мягкие» мутации обладают доминантным эффектом. У пациентов с двумя «мягкими» мутациями частично сохранена функция CFTR белка. В результате сохраняется функция ПЖ, нормальные или пограничные значения хлоридов пота, долго сохраняется легочная функция. Такой вариант МВ часто называют атипичным. При наличии двух «мягких» мутаций может наблюдаться лишь один из признаков МВ: полипы носа, частые синуситы, рецидивирующий панкреатит, цирроз печени, портальная гипертензия, признаки бронхоэктазов, обструктивная азооспермия, мекониальный илеус, астма, задержка роста, аллергический бронхолегочный аспергиллез, диффузный панбронхиолит, псевдо-Баттер синдром. При наличии этих признаков рекомендовано обследование на МВ в специализированном медико-генетическом центре и регулярное наблюдение врачей.
Наиболее четкая взаимосвязь между генотипом и клиническими проявлениями МВ наблюдается только для патологии поджелудочной железы. Для легочной патологии взаимосвязь между генотипом и фенотипом гораздо менее выражена. Обнаружен целый ряд генов – модификаторов иммунного ответа, которые влияют на выраженность поражения легких при МВ. Наличие этих генов, их влияние на формирование иммунного ответа, на восприимчивость к P aerugenosa, а также влияние факторов внешней среды (курение, воздействие аллергенов, правильность назначаемой терапии) объясняет разное протекание МВ у носителей одинаковых мутаций и даже у членов одной семьи.
Генотип и нарушение функции поджелудочной железы
При мутациях I-III классов функция ПЖ нарушена, при мутациях IV-V классов функция ПЖ остается достаточной. Сочетание мутаций I-III и IV-V классов достаточно для сохранения функции ПЖ на компенсированном уровне. Однако с возрастом и в этом случае можно развиваться недостаточность ПЖ, а также рецидивирующий острый и хронический панкреатиты.
Влияние мутаций гена МВ на функцию поджелудочной железы [Петрова Н.В.;G. Castellani et al.]
| Достаточная функция поджелудочной железы, «мягкие» мутации | Выраженное поражение поджелудочной железы, «тяжелые» мутации |
| 3272-26A>G 3849+10kbC>T 711+3A>G A455E D110H D1152H D1270N D565G G178R G576A K598ins L138ins L206W R117C R117H R334W R347P R347P R352Q R668C V232D |
l507del; R1162X; 1078delT 1609delCA 1677delTA; 1717-1G>A; 1811+1.6kbA>G 1898+1G>A 1898+5G>T 2143delT 2183AA>G 2184delA; 2184insA; 2751+2T>A 2789+5G>A 2869insG 296+1G>C 3120+1G>A 3659delC 3667insTCAA; 3821delT; Y122X 3905insT 3944delTG 394delTT; 604insA; 621+1G>T; 711+1G>T CFTRdele2,3(21kb); E822X F508del; G542X; G551D; G85E; K710X N1303K; Q890X R1066C R1070Q-S466X R1158X R553X; R560T; S1196X; S549N W122X; W1282X; W496X |
Генотип МВ и поражение легких
При мутациях I-III классов скорость снижения функции легких выше, чем при мутациях IV-V классов.
Замечено, что больные МВ, гомозиготы по мутации F508del, и гетерозиготные по мутациям F508del и мутациям в регионах гена, кодирующих нуклеотид-связывающие домены (NBF), более чувствительны к инфекции P.aeruginosa. Все МВ больные, гомозиготные по F508del мутации, имеют тяжелые поражения легких.
Кроме того, обнаружено, что у МВ больных, имеющих мягкие мутации и сохранную функцию поджелудочной железы, наблюдается менее тяжелое поражение легких и риск колонизации P.aeruginosa у них ниже, что предполагает взаимосвязь между проявлением нарушений функции поджелудочной железы и функцией легких. Однако по данным других авторов характер поражения легких, в отличие от характера поражения поджелудочной железы, впрямую не зависит от CFTR генотипа.
Другие проявления МВ
При мутациях I-III классов чаще встречаются и более выражены такие проявления муковисидоза, как поражение печени, мекониальный илеус, синдром дистальной интерстициальной обструкции, муковисцидоззависимый сахарный диабет. Однако не доказаны связи между конкретной мутацией и развитием этих осложнений.
Мужское бесплодие. Обструктивная азооспермия наблюдается почти у всех мужчин с МВ и связана с врожденным двусторонним отсутствием семявыносящих протоков. Фертильные мужчины с МВ обычно являются носителями мутации 3849+10kbC>T.
Специфическая терапия при разных типах мутаций
В настоящее время ведется активный поиск препаратов, которые смогут восстановить нормальный синтез и работу CFTR белка.
Выделяют 3 основных группы веществ
- Корректоры – при мутациях II класса помогают белку образовать правильную структуру и попасть в мембрану клетки: 4-фенилбутират/генистин, аналог силденафила-КМ11060, куркумин, VX-809, битазол (корректор 29).
- Потенциаторы – восстанавливают работу хлорного канала (мутации III IV классов): генистин; VX-770.
- Вещества, способствующие правильному синтезу мРНК (мутации I класса): аминогликозиды, аталурен (PTC124)
- Стимуляторы, действующие на альтернативные хлорные каналы: duramycin.
Все исследования находятся на разных стадиях, и только для мутации G551D (VI класс) препарат Kalydeco, разработанный компанией Vertex, в 2012 году получил одобрение FDA и применяется для лечения.
Этой же компанией ведется испытание комбинации Kalydeco и препарата с условным названием V890. Разработчики сообщили о существенном улучшении функции легких при применении этих препаратов у пациентов, гомозиготных по наиболее распространенной мутации F508del (подробнее). Ведутся исследования возможности использования куркумина (растительного препарата) в качестве корректора при мутациях II класса.
Для мутаций I класса G542X, Y122X и R553X, при которых синтезируется дефектная мРНК, показано, что при применении аминогликозидных антибиотиков (гентамицина) наблюдается синтез полноцепочечных мРНК и образование некоторых количеств нормального CFTR белка. Однако применение этих антибиотиков вызывает значительнные побочные эффекты. Ведутся поиски менее токсичных аналогов.
Более успешными являются исследования использования нового вещества аталурена у пациентов с мутациями I класса. Разработка находится на 3 фазе (клинические испытания), и в июне 2012 г PTC Therapeutics (компания-разработчик) объявила о достоверных улучшениях функции легких при применении данного препарата.
Итак, выделены 6 классов мутаций при МВ, с различным механизмом нарушения функции CFTR белка. Понимание причин развития патологического процесса при разных классах мутаций позволяет вести разработки специфических для каждого класса мутаций лекарств.
Прослеживается четкая взаимосвязь генотипа и поражения ПЖ. На тип протекания легочной патологии оказывают значительное влияние гены-регуляторы иммунного ответа, потому очевидной связи между генотипом и нарушением функции легких не обнаружено.
Возможно атипичное протекание МВ с преобладанием лишь одного из симптомов. При наличии даже одного из симптомов МВ важно провести диагностическое обследование для своевременное назначения адекватной терапии, которая позволит предотвратить развитие с возрастом тяжелых поражений органов.
Литература:
Капранов Н.И., Каширская Н.Ю., Шерман В.Д.и др. Муковисцидоз. Современные достижения и актуальные проблемы. Методические рекомендации. М., 2011.
Н.И. Капранов, Каширская Н.Ю., Петрова Н.В Муковисцидоз. Достижения и проблемы на современном этапе
J. Hull and A. Thomson Contribution of genetic factors other than CFTR to disease severity in cystic fibrosis
Salvatore F, Scudiero O, Castaldo G. Genotype-phenotype correlation in cystic fibrosis: the role of modifier genes.
Ronald L. Gibson, Jane L. Burns and Bonnie W. Ramsey. Pathophysiology and Management of Pulmonary Infections in Cystic Fibrosis
J de Gracia, F Mata, A Aґ lvarez, T Casals, S Gatner, M Vendrell, D de la Rosa, L Guarner,
E Hermosilla. Genotype-phenotype correlation for pulmonary function in cystic fibrosis
. . Isabelle Sermet-Gaudelus, Michel Renouil, Anne Fajac, Laure Bidou et al. In vitro prediction of stop-codon suppression by intravenous gentamicin in patients with cystic fibrosis: a pilot study
Rebecca K Rowntree and Ann Harris The phenotypic consequence of CFTR mutation. Review
Т. Гембицкая, А. Черменский, Е. Бойцова Муковисцидоз сегодня: достижения и проблемы, перспективы этиопатогенетической терапии
