Physiologie

Physiologie

Das CFTR-Protein und seine Rolle im Ionen-Transport und Wasserhaushalt
 

Schleimproduzierende Epithelien, wie sie in der Lunge, dem Darm und anderen Organen vorkommen, verfügen über ein komplexes System zur Regulierung des Salz- und Wasserhaushalts. In diesem System spielt das CFTR-Protein (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator), das in den apikalen Epithelzellen für den Chlorid-Ionen-Transport verantwortlich ist, eine zentrale Rolle. Durch den aktiven Transport von Ionen in und aus der Zelle wird durch Osmose der Wasserhaushalt der Zelle und des umgebenden Sekretes reguliert.

Fehler bei der Synthese oder der Funktion des CFTR-Proteins wirken sich direkt auf den Chlorid-Ionen-Transport und damit auf die Regulierung des Wasserhaushalts aus. Die Konzentration von Ionen in der Zelle kann nicht mehr ausreichend den vorherrschenden Bedingungen angepasst werden, sodass zum Ausgleich des Konzentrationsunterschiedes Wasser in die Zellen aufgenommen wird. Die Folge ist ein wasserarmes, hochvisköses Sekret, das nur schwer abtransportiert werden kann und die physiologische Funktion der Organe beeinträchtigt. Dies führt obendrein zu einer höheren Anfälligkeit für bakterielle Erkrankungen.1

Vom Gen zum CFTR-Protein
Grundlagen der Proteinsynthese: die Entstehung des CFTR-Proteins in der Zelle und dessen Transport zur Zelloberfläche (siehe Proteinsynthese)

Funktion des CFTR-Proteins
In der Zellmembran bildet das korrekt gefaltete CFTR-Protein einen Ionen-Kanal, dessen physiologische Funktion der Transport von Chlorid-Ionen aus der Zelle ist (siehe Proteinfunktion)

Mutationen im CFTR-Gen
Genetische Abweichungen im CFTR-Gen sind die grundlegende Ursache für schwerwiegende Stoffwechselstörungen mit unterschiedlichen klinischen Ausprägungen (siehe Genmutation)

    Vom CFTR-Gen zum Proteinkanal
     

    1. Transkription und Spleißen
    Das CFTR-Gen liegt auf dem langen Arm von Chromosom 7. Durch spezifische aktivierende Signale wird im Zellkern die Expression des CFTR-Gens initiiert und die DNA in eine RNA transkribiert. Anschließend werden die nicht kodierenden Anteile (Introns) beim Spleißen entfernt und die 27 Exons zusammengefügt, wodurch die fertige Messenger-RNA (mRNA) entsteht.Die mRNA verlässt den Zellkern und wird zum endoplasmatischen Retikulum geschleust.
     

    Proteinsynthese

    2. Translation und Faltung 
    An den Ribosomen des endoplasmatischen Retikulums wird die mRNA in die spezifische Aminosäurefolge des Proteins translatiert. Die anschließende Faltung des Proteins erfolgt in mehreren Schritten. Bereits während der Translation faltet sich die Aminosäurekette durch verschiedene biochemische Prozesse zu einem unreifen Protein. Seine eigentliche räumliche Struktur, die für die Funktion des Proteins ausschlaggebend ist, wird durch post-translationale Modifikationen hergestellt. Mithilfe von Chaperonen werden die spezifischen Domänen des Proteins zu einer einzigartigen und für jedes Protein spezifischen dreidimensionalen Struktur angeordnet.3,4 Anschließend finden im Golgi-Apparat weitere für die Funktion des Proteins wichtige Prozessierungsvorgänge statt, bevor das fertige Protein für den weiteren Transport in Vesikel verpackt wird.

     

    3. Transport zur Zellmembran
    Das reife, korrekt gefaltete CFTR-Protein wird im Golgi-Apparat in sogenannte Transportvesikel verpackt und durch das Zytoplasma zur Zellmembran transportiert.3,4 An der Zelloberfläche bilden die CFTR-Proteine membranständige Kanäle, deren Funktion es ist, Chlorid- und Bicarbonat-Ionen durch die Zellmembran zu transportieren.
     

    Transport zur Zellmembran

      Das CFTR-Protein wurde im Jahr 1989 entdeckt und gehört zur Protein-Superfamilie der ABC-Transporter (engl: adenosintriphosphate-binding cassette). Es bildet an der Zelloberfläche einen Transportkanal, der unter ATP-Verbrauch negativ geladene Chlorid-Ionen durch die Zellmembran transportiert. CFTR-Kanäle befinden sich in den apikalen Zellen von sekretorischen Geweben des Körpers, wie zum Beispiel Lunge und Darm, wo sie eine wichtige Rolle beim Ionen-Transport und Wasserhaushalt spielen. 2

       

      Proteinstruktur und Ionen-Transport


      Das CFTR-Protein besteht aus einer 1.480 Aminosäuren langen Polypeptidkette, die fünf funktionelle Domänen bildet. Der eigentliche Kanal wird aus zwei Transmembrandomänen (TMD1 und TMD2) gebildet, die in der Zellwand durch jeweils sechs Helices verankert sind. Diesen schließt sich auf beiden Seiten jeweils eine Nukleotid-bindende Domäne (NBD1 und NBD2) an. Die zytoplasmatische regulatorische Domäne (R-Domäne) verbindet die beiden Untereinheiten und reguliert die Aktivität des Kanals. 1,4
       

      Proteinfunktion
       

      Das CFTR-Protein gehört zu den cAMP-regulierten Ionen-Kanälen. Das Öffnen und Schließen (Gating) des Kanals wird durch die rezeptorvermittelte Signalkaskade gesteuert, die zur Bildung von zyklischem AMP (cAMP) führt. Beim Anstieg des intrazellulären cAMP-Spiegels kommt es zur Aktivierung der cAMP-abhängigen Proteinkinase A, welche wiederum die regulatorische Domäne des CFTR-Proteins phosphoryliert. Dieser Prozess findet unter Verbrauch von ATP statt und wird von den beiden NBDs reguliert.1,2

       

      Proteinfunktion

      Nach der Aktivierung des CFTR-Kanals werden Chlorid-Ionen (Cl - ) aus den Epithelzellen nach außen transportiert. Den Chlorid-Ionen fließen passiv Natriumionen (Na + ) nach, es bildet sich extrazellulär NaCl im Sekret. Dadurch entstehen osmotische Kräfte, die zum Ausgleich der Ionen-Konzentration Wasser aus den Zellen in das Sekret ziehen. Der Ionen-Transport hat die Funktion, das Sekret mit ausreichend Flüssigkeit zu versehen. Dazu gehören neben der Lunge auch andere Organe, wie Leber, Pankreas  und Darm. 1,2,4
       

      Proteinfunktion_2

       

      Proteinaktivität

      Die physiologische Funktion der CFTR-Kanäle in der Zellwand wird durch zwei Parameter bestimmt:

      1. die Fähigkeit des Kanals, sich nach Aktivierung zu öffnen (Gating)
      2. die Durchflussrate, mit der Ionen durch den Kanal geleitet werden (Leitfähigkeit)

      Störungen in der Funktionsweise des Kanals oder in der Anzahl der vorhandenen, funktionsfähigen Kanäle sind die Ursache schwerwiegender Störungen (Proteindefekte) im Wasser- und Salzhaushalt der Zelle und wirken sich klinisch auf unterschiedliche Organsysteme aus.4

        Mutationen im CFTR-Gen
         

        Bisher sind über 2.000 Mutationen im CFTR-Gen bekannt. Aktuell sind etwa 352 Mutationen als Zystische Fibrose (auch unter dem Begriff Mukoviszidose bekannt, ICD-10:E84) verursachend charakterisiert.5 Eine ständig aktualisierte Auflistung bekannter Mutationen steht unter https://cftr2.org/ zur Verfügung.

        Die Folgen der einzelnen Mutationen sind je nach Art des Gendefekts sehr unterschiedlich und lassen sich hinsichtlich ihres Pathomechanismus in zwei Gruppen kategorisieren (Proteindefekte). Zum einen kann eine Mutation zu einer Verminderung der Anzahl an funktionsfähigen Proteinkanälen führen, zum anderen kann sie eine Beeinträchtigung der Funktion des Ionen-Kanals auslösen.

        Die einzelnen CFTR-Mutationen wirken sich unterschiedlich stark auf die verbleibende Ionen-Transportaktivität aus und bestimmen so das klinische Ausmaß (Klinik) der Erkrankung. Je nachdem, welcher Schritt der Proteinsynthese durch die zugrundeliegende Mutation gestört ist, entwickeln sich verschiedene phänotypische Ausprägungen, die entscheidend das Bild und den Verlauf der Krankheit bestimmen.1,6

         

        Die Art der Mutation bestimmt das klinische Bild
         

        Genmutation


        Wildtyp: Personen mit 2 gesunden CFTR-Allelen bilden funktionsfähiges CFTR-Protein in ausreichender Menge und verfügen über die volle Ionen-Transportaktivität. Diese Personen sind weder an CF erkrankt, noch sind sie CF-Träger.

         

        Genmutation


        CF-Träger: Träger besitzen ein gesundes CFTR-Allel und ein mutiertes CFTR-Allel. In diesem Fall übernimmt das gesunde Gen weitgehend die Produktion, so dass funktionsfähiges CFTR-Protein in ausreichender Menge vorliegt und sich keine CF-Symptome entwickeln. Dennoch kann bei manchen Trägern ein erhöhtes Risiko für bestimmte Lungenkrankheiten (wie z. B. Asthma) bestehen.

         

        Genmutation


        CF-Patient: Bei Menschen mit Mutationen auf beiden CFTR-Allelen ist entweder die Funktion oder die Menge der CFTR-Proteine oder beides gestört. Als Folge ist der Chlorid-Ionen-Transport verringert und in Abhängigkeit von den zugrundeliegenden Mutationen entwickeln sich unterschiedlich starke Symptome. Diese reichen von leichten Funktionsstörungen der Lunge bis hin zu einer schweren Lungenerkrankung und Pankreasinsuffizienz.

         

        Patienten können für eine Mutation entweder homozygot sein, das heißt auf beiden Allelen liegt die gleiche Mutation vor, oder Patienten sind gemischt heterozygot, haben also auf beiden Allelen unterschiedliche Mutationen. Die klinischen Symptome werden von beiden Allelen und den darauf vorliegenden Mutationen bestimmt. Die Kenntnis des Genotyps beider Allele eines Patienten liefert gewisse prädiktive Informationen zur klinischen Ausprägung der Erkrankung und kann richtungsweisend für eine mutationsspezifische Therapie sein. Genotypisierung / Mutationskompass.

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            1. Rowe SM, Miller S, Sorscher EJ. Cystic fibrosis. N Engl J Med. 2005;352(19):1992-2001.

            2. Moskowitz SM, Chmiel JF, Sternen DL et al. Clinical practice and genetic counseling for cystic fibrosis and CFTR-related disorders. Genet Med. 2008;10(12):851–868.

            3. MacDonald KD, McKenzie KR, Zeitlin PL. Cystic fibrosis transmembrane regulator protein mutations: ‘class’ opportunity for novel drug innovation. Paediatr Drugs. 2007;9:1-10.

            4. Lommatzsch ST, Aris R. Genetics of cystic fibrosis. Semin Respir Crit Care Med. 2009;30:531-538.

            5. Clinical and Functional Translation of CFTR (CFTR2). List of Current CFTR2 Variants. 24. September 2021. [Online]. Verfügbar unter: https://cftr2.org/mutations_history. [Zugriff am 05. Oktober 2021].

            6. The Clinical and Functional Translation of CFTR (CFTR2); available at http://cftr2.org. Accessed October 29, 2018.

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