منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي

منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي ( CFTR ) هو بروتين غشائي وقناة أنيونية في الفقاريات يتم ترميزها بواسطة جين CFTR . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

قام عالم الوراثة لاب تشي تسوي وفريقه بتحديد جين CFTR في عام 1989 باعتباره الجين المرتبط بالتليف الكيسي . ^{[ 7 ]}

يشفر جين CFTR بروتين قناة أيونية من فئة ناقلات ABC ، ينقل أيونات الكلوريد ^{[ 8 ]} والبيكربونات عبر أغشية الخلايا الظهارية . تؤدي الطفرات في جين CFTR التي تؤثر على وظيفة القناة الأيونية إلى خلل في تنظيم نقل السائل المبطن للظهارة (المخاط) في الرئة والبنكرياس وأعضاء أخرى، مما ينتج عنه التليف الكيسي . تشمل المضاعفات زيادة كثافة المخاط في الرئتين مع التهابات تنفسية متكررة ، وقصور البنكرياس الذي يؤدي إلى سوء التغذية وداء السكري . ^{[ 9 ]} تؤدي هذه الحالات إلى إعاقة مزمنة وانخفاض متوسط ​​العمر المتوقع. في المرضى الذكور، يبدو أن الانسداد التدريجي وتدمير الأسهر ( الحبل المنوي) والبربخ النامي ناتج عن إفرازات داخلية غير طبيعية، ^{[ 10 ]} مما يسبب غيابًا خلقيًا للأسهر وعقمًا عند الذكور، ويرتبط باختلال توازن الأحماض الدهنية . ^{[ 11 ]}

يوجد بروتين CFTR في الخلايا الظهارية للعديد من الأعضاء، بما في ذلك الرئة والكبد والبنكرياس والجهاز الهضمي والجهاز التناسلي الأنثوي ^{[ 12 ]} والجهاز التناسلي الذكري ، بما في ذلك الخصية وخلايا سيرتولي والحيوانات المنوية ^{[ 13 ]} والبربخ ^{[ 14 ]} والأسهر ^{[ 15 ] .}

في المسالك الهوائية للرئتين، يُعبر عن بروتين CFTR بكثافة عالية في خلايا متخصصة نادرة تُسمى الخلايا الأيونية الرئوية . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} وفي الجلد، يُعبر عن بروتين CFTR بقوة في الغدد الدهنية والغدد العرقية الإفرازية . ^{[ 19 ]} وفي الغدد العرقية الإفرازية، يقع بروتين CFTR على الغشاء القمي للخلايا الظهارية التي تُشكل قناة هذه الغدد العرقية. ^{[ 19 ]}

في الوضع الطبيعي، يسمح هذا البروتين بانتقال أيونات الكلوريد والبيكربونات والثيوسيانات ^{[ 20} ] (ذات الشحنة السالبة ⁾ من الخلية الظهارية إلى سائل سطح مجرى الهواء والمخاط . وتتبعها أيونات الصوديوم الموجبة الشحنة بشكل سلبي، مما يزيد من تركيز الإلكتروليتات الكلي في المخاط، ويؤدي إلى انتقال الماء خارج الخلية عبر الخاصية الأسموزية .

في الخلايا الظهارية ذات الأهداب المتحركة التي تبطن القصبة الهوائية وقناة فالوب، يتواجد بروتين CFTR على الغشاء الخلوي القمي وليس على الأهداب. ^{[ 12 ]} في المقابل، يتواجد بروتين ENaC (قناة الصوديوم الظهارية) على طول الأهداب بالكامل. ^{[ 12 ]}

في الغدد العرقية ، يؤدي خلل بروتين CFTR إلى انخفاض نقل كلوريد الصوديوم وثيوسيانات الصوديوم ^{[ 21 ]} في القناة الامتصاصية، وبالتالي زيادة ملوحة العرق. وهذا أساس اختبار عرق مهم سريريًا لتشخيص التليف الكيسي ، ويُستخدم غالبًا في التشخيص مع الفحص الجيني. ^{[ 22 ]}

يوجد الجين المسؤول عن ترميز بروتين CFTR البشري على الكروموسوم 7 ، على الذراع الطويلة عند الموضع q31.2. ^{[ 6 ]} من الزوج القاعدي 116,907,253 إلى الزوج القاعدي 117,095,955. ^{[ 23 ]} توجد نظائر CFTR في الفقاريات الفكية . ^{[ 24 ]}

يرث كل فرد نسختين من جين CFTR (منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي). مع ذلك، فإن بعض النسخ الموروثة قد تعرضت للتغيير. حتى الآن، ارتبط جين CFTR بأكثر من 700 طفرة مختلفة. يرث الشخص المصاب بالتليف الكيسي نسختين معيبتين من جين CFTR . قد تكون هذه الطفرات متغايرة الزيجوت، أي أنها تتضمن طفرتين مختلفتين، أو متماثلة الزيجوت، أي أنها تتضمن نفس الطفرة. ^{[ 25 ]} تُعد طفرة دلتا F508 الطفرة الأكثر شيوعًا، إذ تمثل أكثر من 70% من جميع الطفرات. غالبًا ما يُصاب الأشخاص متماثلو الزيجوت لطفرة دلتا F508 بقصور البنكرياس. ^{[ 26 ]}

استُخدم جين CFTR في الحيوانات كعلامة وراثية نووية للحمض النووي . ^{[ 23 ]} استُخدمت تسلسلات جينومية كبيرة لهذا الجين لاستكشاف التطور الوراثي للمجموعات الرئيسية من الثدييات ، ^{[ 27 ]} وأكدت تجميع رتب المشيميات في أربع مجموعات رئيسية: زينارثرا ، وأفروثيريا ، ولوراسياثيريا ، ويواركونتا بالإضافة إلى غليريس .

يبلغ طول جين CFTR حوالي 189 كيلوبايت، ويتكون من 27 إكسونًا و 26 إنترونًا . [ 49 ^{] CFTR هو} بروتين سكري يوجد على سطح العديد من الخلايا الظهارية في الجسم. ^{[ 50 ]} يتكون CFTR من خمسة نطاقات، تشمل نطاقين عابرين للغشاء، ونطاقين رابطين للنيوكليوتيدات، ونطاقًا تنظيميًا. ^{[ 51 ]} يرتبط كل نطاق عابر للغشاء بنطاق رابط للنيوكليوتيدات (NBD) في السيتوبلازم. يرتبط النطاق الرابط للنيوكليوتيدات الأول بالنطاق العابر للغشاء الثاني بواسطة نطاق تنظيمي "R"، وهو سمة فريدة لـ CFTR، غير موجودة في ناقلات ABC الأخرى ، ويحتوي على 19 موقعًا متوقعًا لبروتين كيناز A (PKA). وقد أُبلغ عن فسفرة ستة من هذه المواقع في الجسم الحي. ^{[ 52 ]} لا تُفتح قناة الأيونات إلا بعد فسفرة نطاقها R بواسطة PKA وارتباط ATP بنطاقات ربط النيوكليوتيدات (NBDs). تُزيح الفسفرة نطاق R غير المنتظم من مواقعه، مما يمنع ازدواج نطاقات ربط النيوكليوتيدات وفتحها. ^{[ 53 ] [ 54 ]} يُعد الطرف الأميني جزءًا من وحدة الربط الحلقية التي تُثبّت البروتين في غشاء الخلية. ^{[ 52 ]} يُثبّت الطرف الكربوكسيلي للبروتين في الهيكل الخلوي بواسطة نطاق تفاعل PDZ . ^{[ 55 ]}

يتكون جين CFTR من 27 إكسونًا تُشفّر تركيبه الجيني، ويقع على الذراع الطويلة (q) للكروموسوم 7 في الموضع 31.2. الإكسونات هي أجزاء من الحمض النووي (DNA) تُوفّر الشفرة اللازمة لبنية البروتين. ^{[ 50 ]} يعمل CFTR كقناة أيونية مُفعّلة بالفسفرة و ATP ، مما يزيد من نفاذية بعض الأنيونات (مثل Cl⁻ ⁾ للتدفق وفقًا لتدرجها الكهروكيميائي . تُؤدي التغيرات التركيبية المُحفّزة بواسطة ATP في CFTR إلى فتح وإغلاق بوابة للسماح بتدفق الأنيونات عبر الغشاء الخلوي وفقًا لتدرجها الكهروكيميائي . ^{[ 5 ]} وهذا على عكس بروتينات ABC الأخرى ، حيث تُغذّي التغيرات التركيبية المُحفّزة بواسطة ATP نقل الركائز عكس التدرج عبر الأغشية الخلوية. في الأساس، CFTR عبارة عن قناة أيونية تطورت كناقل ABC "معطل" يتسرب عندما يكون في التكوين المفتوح .

تتكون بروتينات CFTR من خمسة نطاقات، من بينها نطاقان عبر الغشاء، يرتبط كل منهما بنطاق ربط النيوكليوتيدات. كما يحتوي CFTR على نطاق آخر يُسمى النطاق التنظيمي. وتشارك أعضاء أخرى من عائلة ناقلات ABC الفائقة في امتصاص المغذيات في بدائيات النوى، أو في تصدير مجموعة متنوعة من الركائز في حقيقيات النوى. وقد تطورت ناقلات ABC لتحويل الطاقة الحرة الناتجة عن تحلل ATP إلى حركة الركائز عكس اتجاه تدرج التركيز عبر غشاء الخلية. ولها شكلان رئيسيان: أحدهما يكون فيه موقع ربط الحمولة مواجهًا للسيتوبلازم أو للداخل (خالٍ من ATP)، والآخر يكون فيه مواجهًا للخارج (مرتبط بـ ATP). يرتبط ATP بكل نطاق ربط نيوكليوتيدات، مما يؤدي إلى ازدواج نطاق ربط النيوكليوتيدات، وبالتالي إعادة ترتيب الحلزونات عبر الغشاء. وهذا يُغير إمكانية الوصول إلى موقع ربط الحمولة من وضعية مواجهة للداخل إلى وضعية مواجهة للخارج. يؤدي ارتباط جزيء ATP، وما يتبعه من تحلل مائي، إلى تعريض موقع ارتباط الحمولة بشكل بديل، مما يضمن نقل الحمولة في اتجاه واحد عكس التدرج الكهروكيميائي . في بروتين CFTR، يؤدي التناوب بين هيئة داخلية وأخرى خارجية إلى فتح القناة. على وجه الخصوص، يرتبط ازدواج نطاق ربط النيوكليوتيدات (المُفضَّل بارتباط ATP) بالانتقال إلى هيئة خارجية، حيث يتشكل مسار مفتوح عبر الغشاء للأنيونات. ^{[ 56 ]} يؤدي التحلل المائي اللاحق (في الموقع النشط المتعارف عليه، الموقع 2، بما في ذلك وحدات ووكر في نطاق ربط النيوكليوتيدات 2) إلى زعزعة استقرار ثنائي نطاق ربط النيوكليوتيدات، ويُفضِّل العودة إلى الهيئة الداخلية، حيث يُغلق مسار نفاذية الأنيونات. ^{[ 5 ]}

قد تؤدي طفرات فقدان وظيفة جين CFTR المختلفة إلى درجات متفاوتة من شدة التليف الكيسي. تشمل الأعراض الشائعة التهابات الرئة المزمنة، وقصور البنكرياس، وارتفاع مستويات الكلوريد في العرق. وقد طُوّرت علاجات خاصة بهذه الطفرات، مثل مُعدِّلات CFTR، لمعالجة هذه العيوب الجينية المحددة. ^{[ 57 ]}

وقد ثبت أن منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي يتفاعل مع:

• الغياب الخلقي الثنائي للأسهر : غالبًا ما يكون لدى الذكور الذين يعانون من الغياب الخلقي الثنائي للأسهر طفرة خفيفة (تغيير يسمح بوظيفة جزئية للجين) في نسخة واحدة من جين CFTR وطفرة مسببة للتليف الكيسي في النسخة الأخرى من CFTR.
• التليف الكيسي : تم اكتشاف أكثر من 1800 طفرة في جين CFTR ^{[ 77 ]} ، لكن معظمها لم يرتبط بالتليف الكيسي ^{[ 78 ]} . تُستبدل معظم هذه الطفرات حمضًا أمينيًا (وحدة بناء البروتينات) بآخر في بروتين CFTR، أو تُحذف كمية صغيرة من الحمض النووي في جين CFTR. الطفرة الأكثر شيوعًا، والتي تُسمى ΔF508، هي حذف (Δ) حمض أميني واحد (فينيل ألانين) في الموضع 508 من بروتين CFTR. لا يصل هذا البروتين المُعدَّل إلى غشاء الخلية لأنه يتحلل بعد فترة وجيزة من تكوينه. تمنع جميع الطفرات المُسببة للمرض في جين CFTR القناة من العمل بشكل صحيح، مما يؤدي إلى انسداد حركة الملح والماء داخل وخارج الخلايا. نتيجةً لهذا الانسداد، تُنتج الخلايا المُبطِّنة لممرات الرئتين والبنكرياس وأعضاء أخرى مخاطًا سميكًا ولزجًا بشكل غير طبيعي. يُعيق هذا المخاط المسالك الهوائية والغدد، مُسبباً العلامات والأعراض المميزة للتليف الكيسي. إضافةً إلى ذلك، لا تستطيع الأهداب إزالة سوى المخاط الرقيق ، بينما لا تستطيع إزالة المخاط السميك، مما يؤدي إلى تراكم البكتيريا المسببة للعدوى المزمنة.
• الكوليرا : يؤدي تفاعل ADP-ribosylation الناتج عن سم الكوليرا إلى زيادة إنتاج AMP الحلقي ، والذي بدوره يفتح قناة CFTR، مما يؤدي إلى إفراز مفرط لأيونات الكلوريد (Cl⁻ ⁾ . يتبع أيون الصوديوم (Na⁺) والماء (H₂O) أيون الكلوريد ^إلى الأمعاء _{الدقيقة} ^، مما يؤدي إلى الجفاف وفقدان الإلكتروليتات. ^{[ 79 ]}

تي. كوكار كيزيليرماك، إتش. يين، إيه. غاريسون، جيه. براون، إي. بروسيا، إم. إيغان، سي. بريتو، 219 "خلل وظيفة بروتين CFTR يُؤثر على تركيب خلايا المناعة في مجرى الهواء، مما يُساهم في إمراضية الرئة لدى الأطفال المصابين بالتليف الكيسي"، مجلة التليف الكيسي، المجلد 23، الملحق 2، 2024، الصفحة S119، الرقم الدولي الموحد للدوريات 1569-1993، https://doi.org/10.1016/S1569-1993(24)01059-2

• نظرة عامة على جميع المعلومات الهيكلية المتاحة في PDB لـ UniProt : P13569 (منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي البشري) في PDBe-KB .
• نظرة عامة على جميع المعلومات الهيكلية المتاحة في PDB لـ UniProt : P26361 (منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي للفأر) في PDBe-KB .