CFTR型氯离子通道研究进展
第19卷第2期2007年4月
生命科学
Chi∞∞BulletiIlof
LifeSciences
V01.19.No.2
Apr.,2007
文章编号:1004.0374(2007)02—0189—05
CFTR型氯离子通道研究进展
郭晓强
(白求恩军医学院生化教研室,石家庄050081)
摘要:囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)是一种重要的氯离子通道,突变易引起囊性纤维化病变,故得名。一系列研究表明,CFTR由5个结构域组成:两个跨膜结构域形成氯离子通道;两个核苷酸
结合结构域调节通道的开闭;一个调节结构域主要影响氯通道的活动。这些结构域通过协同作用共同
控制了氯离子的跨膜流动,而一些突变可以影响细胞功能而导致囊性纤维化的发生。本文通过介绍CFTR基本结构、调节机制、与囊性纤维化病变的关系及针对CFTR的治疗而对CFTR型氯离子通道有
一个的全面的理解。
关键词:囊性纤维化跨膜传导调节因子;氯通道;囊性纤维化中图分类号:R35;Q68
文献标识码:A
Theprogress
inCFTR
GUO
chloride
ion
channel
Xiaoqi锄g
(D印artmentofBiochenlistry,Betllu北MilitaryMedicalCollege,Shijiazhu柚g05008l,China)
Abstract:Cysticfibrosistransmembraneconductanceregulator(CFrR)is
importantchlorideionchannel.
an
SomeresearchesindicateCFTRcontainsfivedomains:twomembrane-spanning
domains(MSDs)foming
of
chlorideionchannelandtwonucleotide—bindingdomains(NBDs)regulatingchannalopenregulatOrydomainregulatingch锄nelactiVity.Allthesedomainscooperated
to
closeand
one
regulatechlorideiontraIlsport.
Mu切上ionofCFrRwmchleadsto
cystic胁rosiswiuiIlfluenceceUfunction.Thisreviewgives锄0utlineofCF】限
chloridechannelandthechannel.felateddisease,cysticfibrosis.
Keywords:cysticfibrosistransmembraneconductanceregulator(CFTR);chloridechannel;cysticfibrosis
囊性纤维化跨膜传导调节因子(cystic
transmembraneconductanceregulator,
fibrosisl
CFTR的基本特征
1989年,Riordan等【31首先克隆了CFTR的基
CFTR)是一
种独特的氯离子通道,尽管称为氯离子通道,但在结构上却明显地不同于其他氯离子通道…,属于一种ATP结合盒转运体(ATP-binding
cassette
因,而在1991年,CFTR被确定为氯离子选择性通道【・】,从而开始了对CFTR作为氯离子通道的系统研究。
CF丁尺基因定位于人类第7条染色体的长臂(7q31.2),全长250
4
000
transporter,ABC)家族。CFTR主要为氯离子跨上皮运动提供了选择性通道,对于跨上皮的盐类运输、液体流动和离子浓度调节等都具有重要的决定作用【2J。自20世纪80年代末,cFTR基因被克隆以来,它一直是离子通道研究中的一个热点,本文对其进行简要介绍。
bp,含有27个外显子,最
终转录得到的成熟mRNA长度为6129碱基,其中
443为可编码序列,成熟C冈t的蛋白质全长1480
个氨基酸残基,相对分子质量约为168173。此外,CFTR还在其他生物中克隆成功,小鼠中定位于第
收稿日期:2006.11.16;修回日期:2006.11.30
作者简介:郭晓强(1977一),男,硕士,助教,E—mail:xiaoqianggu0123@163.com
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6条染色体,大鼠位于第5条染色体。CFTR分布广泛,许多器官,如肺、肝、胰腺、肠、生殖腺等的细胞膜中都有表达,尽管称为氯离子通道,但还涉及到其他一价阴离子的运输,由于生理条件下氯离子最为重要,故称为氯离子通道。
图1
CFlR型氯离子通道推测的结构模型12】MSD:跨膜结构域;NBD:核苷酸结合结构域;R:调节结构域;PKA:cAMP依赖的蛋白激酶
CFTR是一种跨膜蛋白质,较难获得理想的晶体,至今未获得完整的结构图像,但由于它属于ABC家族,而ABC家族的部分成员结构已经阐明,因此,根据序列比对推测得到了CFTR的结构(图1)。最近获得了CFTR的一般晶体结构,使用电子显微镜初步获得了它的空间结构,与真核生物另一个ABC家族成员P.糖蛋白在结构上具有相似性【51,说明了推测的合理性。现在可以肯定的是CFTR由5个功能结构域组成:两个跨膜结构域(membrane—
spanningdomains,MSD)MSD
1和MSD2;两个核
苷酸结合结构域(nucleotide-bindingdomains,NBD)NBDl和NBD2;一个调节结构域R。这些结构域中两个MSD形成了选择性氯离子通道,两个NBD结构域调节了氯离子通道的门控性,而R基团的磷酸化控制了通道活性【:】。
2
CFTR的调节机制
两个六跨膜结构域MSDl和MSD2共同构成了
对氯离子具有选择性的通道,通道最狭窄部位的直径为0.53—0.60nm,在正常情况下,被其他大的阴离子或调节结构域R阻断;当胞内氯离子浓度升高激活了cAMP依赖的蛋白激酶最终可使通道打开,通过这种方式而有效调节了通道的开闭。此
万
方数据外,胞外的氯离子浓度也可以影响通道的门控,它的浓度升高也可以促进通道的打开【61。和其他ABC蛋白不同的是CFTR允许氯离子双向通透,而不是定向转运【7】。两个MSD的部分氨基酸构成了对氯离子的选择性运输,如带有正电荷K9
5、R134、
R334、K335、R347和R1030在物种间具有高度保守性,它们的突变会影响到通道对氯离子的通透性【z】,由于CFTR完整结构还未阐明,因此对氯离子的选择性分子机理也还未完全阐明。
C网t的门控性则主要由两个NBD来调节,对
它们的研究则最为详细。NBD含有大量高度保守的序列,每一个NBD结构域都含有一个保守的磷酸结合环(被称为P环或WalkerA基序),此外还含有保守的walkerB基序和LsGGQ基序,推测这些结构域对于ATP的结合和水解发挥着重要作用【扪。
很早就发现√册的结合是通道打开所必需的[4】,
ATP的结合和随后的水解有效的调节了通道的门
控,而最近研究发现ADP可以抑制通道的打开【8】。NBDl和NBD2都含有ATP结合结构域,同时具有ATP酶活性,可以通过水解ATP的方式来驱动通道的打开。在这个过程中需要大量ATP,但氯离子通
道主要介导的是氯离子的被动运输,因此不应该耗费太多能量,研究人员最新发现NBD除了具有ATP酶活性外,还具有腺苷酸激酶活性,腺苷酸激酶主
要催化ATP+伽仰・—+2ADP的反应,因此尽管需要
大量的ATP,但在生理条件下是腺苷酸激酶活性而不是ATP酶活性主要调节了门控,因此并不耗费太多能量【9】。
那么两个NBD如何在ATP的驱动下实现对氯离子通道的门控作用的呢?Ⅺdd等【101研究表明,当两个结构域单独存在时,ATP酶活性较低,而只有当两者形成二聚体才时可以有效增加酶活性,特别是Ve穆aIli等【ll】最近发现,当NBDl和NBD2独立存在时,氯离子通道关闭,当形成紧密结合的二聚体后氯离子通道打开,并且形成二聚体的过程需要
体化是离子通道打开的前提【12】,从而实现将ATP水体中两个结构域的功能是否相同呢?研究发现,两的机制完成了ATP水解和门控的偶联过程【・引。
相对于ABC家族的其他成员,CFlR是唯一已
ATP,因此j旧驱动的两个NBD结构域的紧密二聚
解和通道的门控作用有机结合【13】。那么形成的二聚个结构域都可以和ATP结合,但只有NBD2可以水解ATP促使通道的打开,说明两个结构域通过各自
万方数据
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加而增强,并且还发现CFTR首先造成氯离子运输缺陷随即还伴发了组织中的钠离子通道无法被激活,这个发现解释了CF患者中盐吸收减少不仅是由于氯离子通透性降低,而且也由于钠离子的转运也减少的缘故【18】。使用电生理实验证明两种离子通道之间存在着协同作用,CFTR的激活引起的氯离子运输增加也增强了钠离子通过ENaC的能力fi91。进一步研究发现,ENaC的激活需完整的CFrR的参与,并且它的表达也依赖于CF】限的辅助,故CFTR缺陷也必将导致上皮钠离子异常【20】。F508单氨基酸删除引起CFTR缺失将影响两种离子的运输而使电解质平衡遭到破坏,引起许多器官,如肺部出现一些较厚且黏度较高难以去除的黏液层,这些黏液层易于细菌生存,从而出现慢性感染并损伤器官,肺部疾病是CF患者发病率和死亡率高的主要原因,大多数患者的寿命只有30年左右。
随着对引起CF的突变和机理的认识,为药物治疗或基因治疗带来了希望,现在科学家正在针对缺陷但功能并没有完全丧失的CFTR进行离子通道
激活剂的纠正实验【2ll,以寻找能够弥补缺陷离子通
道的试剂,从而为药物研制和开发提供理论支持。当前的治疗研究可以分为两方面,一方面是小分子药物的鉴定;另一方面是基因治疗方面的探索。
在小分子激活剂方面,姜黄素(curcumin)是研究最多的一种。作为一种常用且毒性较小的内质网钙泵抑制剂,姜黄素可以减少基因突变后的CFTR在加工过程中降解,从而增加膜上氯离子通道数目,另外还增强了cAMP介导的氯离子跨膜运输能力,使CF小鼠的症状得到改善f22。引。遗憾的是,其他小组却并未获得正向结果【z・。扪,因此姜黄素在CF治疗方面的效果还需进一步研究【26】。此外,其他
一些小分子,如僻l,2-糖苷酶的抑制剂llli咖sW:卅、
苯基甘氨酸【zsl等也可能具有调节CFTR的作用。
基因治疗是另外一种治疗CF的有效方法【29】。已经使用几种病毒载体和非病毒载体成功将CFTR基因转移到靶细胞,从而部分纠正CF缺陷造成的氯离子运输障碍,如一种缩短的腺病毒相关载体【,刚,但安全性及有效性还有待深入全面研究【3l】。4研究展望
CFTR是一种重要的氯离子通道,它的缺陷引起的CF疾病在白人中的发病率较高,而我国则相应较少,因此对其的机理和治疗研究相对较少,但作为一种ABC蛋白家族的成员,研究它的功能和调
万
方数据节机制,对相关蛋白质的研究有重要的帮助。随着分子生物学和蛋白质结构研究方面的快速发展,cFTR的整体结构和详细调节机制将会最终解决,从而为这种特殊类型的氯离子通道(ABC家族)的深入理解和CFTR相关疾病的有效治疗带来重大的帮助。
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第2期
郭晓强:cFTR型氯离子通道研究进展
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.简讯.
钙离子通道A23187诱导Hela细胞凋亡过程中钙调
磷酸酶对乙酰胆碱酯酶表达的调控
2007年1月26日,中科院上海生科院生化细胞所张学军研究组在BiochiIIlica
et
BiophysicaActa上在
线发表最新学术成果:钙离子通道A23187诱导Hela细胞凋亡过程中钙调磷酸酶对乙酰胆碱酯酶表达的调控。该论文对于深入了解凋亡细胞表达乙酰胆碱酯酶机制,干预细胞凋亡过程,有一定意义。
研究者们之前已经证明乙酰胆碱酯酶(AChE)在凋亡中有重要的作用,它的表达受到细胞内钙信号的调控。最近的研究则证明,在A23187诱导细胞凋亡的过程中,AChE的表达受到calpain(一种胞质钙活化半胱氨酸水解酶)和calcineurin即钙调磷酸酶(一种钙依赖的磷酸酯酶)的调控。Calpain的抑制剂calp印tin和
calcineurin的抑制剂FK506和环胞霉素A能够在lIl】斛A水平和蛋白水平抑制ACllE的表达,并且人AChE的
启动子活性也受到了抑制。相反的,过表达持续激活型calcineurin能够显著地激活AChE的启动子活性。
进一步研究发现,一个calcineurin的下游基因——转录因子NFAT(nuclear
factorofactivatedT
cells)在
钙离子通道诱导的凋亡过程中调控AChE启动子活性。在A23187处理的Hela细胞中,过表达人的NFATc3和NFATc4能够上调AChE的启动子活性:过表达持续激活型的NFATc4能够在不依赖A23187的情况下激活AchE的启动子活性。然而过表达显性失活型的NFAT阻断了A23187诱导的AchE启动子激活。这些结果表明在凋亡过程中calcineurin介导了AChE的表达。
摘自http://www.sibcb.ac.cn
万方数据
CFTR型氯离子通道研究进展
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
郭晓强, GUO Xiaoqiang
白求恩军医学院生化教研室,石家庄,050081生命科学
CHINESE BULLETIN OF LIFE SCIENCES2007,19(2)1次
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_smkx200702017.aspx