CFTR基因多態性對男性生殖影響的研究進展

胡春風 綜述 劉紅英 審校

濰坊醫學院生物科學與技術學院（濰坊　261053）

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CFTR基因多態性對男性生殖影響的研究進展

胡春風 綜述 劉紅英 審校

濰坊醫學院生物科學與技術學院（濰坊261053）

囊性纖維化（cystic fibrosis， CF）是白種人中常見的致死性常染色體隱性遺傳病，是由囊性纖維化跨膜轉導調節因子（cystic fibrisis transmembrane conductance regulator， CFTR）基因的突變引起的［1，2］，CFTR基因編碼的蛋白質具有多種功能，包括cAMP依賴的氯離子通道，碳酸氫鹽的分泌和上皮細胞鈉通道的調節［3，4］。同時，CFTR也參與了先天性雙側輸精管缺如、梗阻性無精子癥和男性不育［5］。CFTR基因多態性導致的臨床疾病一直以來備受人們關注。通過對CFTR基因多態性引起疾病機制的深入研究，我們可以對攜帶這些遺傳病的夫婦在應用輔助生殖技術（assisted reproductive technology， ART）之前，先進行胚胎植入前遺傳學診斷（preimplantation genetic diagnosis， PGD）［6］，這將提高后代基因的健康率。本文主要綜述了CFTR基因多態性的研究進展。

一、CFTR的結構

CFTR基因于1989年被Riordan等［7］首先克隆并鑒定，全長230kbp［8］，定位于人類7q31.2，有27個外顯子［9］（見表1），編碼一條含1480個氨基酸殘基的蛋白質。

表1　CFTR編碼區外顯子情況［9］

CFTR是一種位于脂質上皮細胞頂膜依賴cAMP調控的氯離子通道蛋白［10］，屬于ATP結合盒轉運體（ATP-binding cassette transporter，ABC）家族的一種跨膜蛋白質［11］。結構上具有該家族成員的特征：兩個跨膜結構域（membrane spanning domains，MSDs）MSD1和MSD2；兩個核苷酸結合結構域（nucleotide binding domains，NBDs）NBD1和NBD2；一個調節結構域R domain（如圖1）。跨膜結構域MSD1和MSD2共同構成選擇性通道。正常情況下，該通道被陰離子或調節結構域R domain阻斷，當胞內氯離子濃度升高時，高濃度氯離子激活cAMP依賴的蛋白激酶，通道打開，進而調節通道的開閉；另外，胞外的氯離子濃度也可影響通道的門控，它的濃度升高也可以促進通道的打開，CFTR允許氯離子雙向通透［12］。

圖1　CFTR氯離子通道推測的結構模型［12］

CFTR廣泛存在于上皮組織如胰腺、腸道、汗腺、輸精管等多個器官中，胞內定位于上皮細胞的頂膜［4］。在這些部位參與物質和液體的分泌，維持管腔內電解質及內穩態的平衡。

二、CFTR的功能與調節

CFTR氯離子通道的開放及關閉是通過細胞內激酶和磷酸酶活性［13］的平衡以及細胞ATP水平嚴格控制的。CFTR的主要功能是調節cAMP依賴的氯離子跨膜轉運，cAMP水平的提高能夠激活蛋白激酶A（PKA），蛋白激酶A的活化將引起R domain中絲氨酸的磷酸化，這是CFTR被激活的先決條件［11，14，15］。一旦R domain被磷酸化，ATP隨之結合NBD2，當NBD1末端的磷酸基被剪切時，CFTR立體構象發生改變，通道打開氯離子流出。隨后，NBD2的ATP被水解，促使通道還原到不活動狀態（見圖2）。由此可見，磷酸化后的CFTR氯離子通道需要ATP維持通道的開放和關閉。此外，有研究表明一種R domain缺失的CFTR突變，在ATP存在的情況下，并不依賴磷酸化而使通道開放或關閉，R domain與NBDs相互作用并調節其與ATP的親和力［12］。目前越來越多的研究結果支持氯離子濃度的變化會使CFTR的立體構象改變，從而影響CFTR的磷酸化。

圖2　CFTR氯離子通道的門控機制模式圖

在正常上皮細胞中，CFTR通道開放，氯離子和鈉離子分別從細胞頂膜和細胞側面的通路先后離開細胞，隨后水分子也離開細胞。當CFTR結構異常時，氯離子不能正常輸出，此時鈉離子、水分子的排出也受到阻滯，致使細胞外堆積更多的粘液，在一些器官（如胰腺、呼吸道）的腔道中形成栓塞。同時，細菌也會在黏液中寄生，造成感染，使嗜中性粒細胞釋放大量蛋白酶，進而引起免疫介導的炎癥反應［16］。長期的感染和炎癥最終造成病情的惡化，疾病晚期會出現器官功能衰竭等癥狀。研究CFTR在臨床疾病病理發生中的作用對于疾病的診斷和治療具有重要的應用價值。

CFTR主要功能是調節上皮細胞頂膜cAMP依賴的氯離子跨膜轉運，此外CFTR還具有調節上皮細胞鈉離子通道，促進碳酸氫鹽分泌以及調節鉀通道［17］等功能，對體內液體轉運起著至關重要的作用。但在突變的囊性纖維化細胞中，就不能激活這些氯離子通道了，因此可見CFTR的結構功能在細胞膜離子轉運中的重要性并非一般。

三、CFTR基因多態性與囊性纖維化

（一）囊性纖維化

囊性纖維化（cystic fi brosis， CF）是白種人［18］中常見的致死性常染色體隱性遺傳病。CF在歐美新生兒的發病率為1/（2 000～3 000），我國則極為罕見［19］。田欣倫等［20］發現，中國人CF患者的CFTR基因突變類型與西方有很大差異，采用歐美國家CFTR基因的篩查突變譜很難發現中國的CF患者，因此西方醫生對中國CF患者的診斷也有困難。CF是由CFTR基因突變致其編碼的CFTR蛋白功能缺陷所引起的［19］。可導致黏液增多而致全身外分泌腺阻塞及功能紊亂。并累及肺臟、胰腺、肝臟及生殖系統等多個臟器，以呼吸系統損害最為突出［21］。近年來，對CF的治療取得了很大進展，特別是針對功能缺陷的CFTR蛋白進行靶向治療以及個性化治療［22］。

（二）CFTR基因突變類型

引起CFTR結構變異的突變種類繁多，已有超過1900多種不同的CFTR基因突變類型，影響蛋白質的轉運、合成、運輸、CFTR的功能［11］。為更好的理解基因型及表型關系，近年研究者根據這些基因突變的分子機制及產生后果將突變的CFTR基因分為6類［18］：Ⅰ類和Ⅱ類突變的典型特征是使CFTR表達的數量減少。Ⅰ類突變即無義突變，由于移碼突變或錯義突變等出現新的終止密碼子（PTCs），產生不穩定的mRNA，或是出現經過刪減的，縮短的功能缺陷蛋白；Ⅱ類突變是CFTR折疊或成熟的缺陷，致使缺陷CFTR在內質網被過早的降解而不能被正確地運輸至頂膜處，包括CF最常見突變類型F508del［23］；然而，Ⅲ類和Ⅳ類突變主要表現為通道異常。Ⅲ類突變是破壞CFTR的調節區，使CFTR的磷酸化和與ATP結合不能正常進行，影響通道的激活； Ⅳ類突變的CFTR通道能打開及關閉，但其孔隙構象的異常，導致氯離子的轉運降低；V類突變，RNA剪接異常，同時產生正常和異常的轉錄子，使正常CFTR蛋白數量減少；Ⅵ類突變是由于CFTR蛋白的C-末端截斷所致。

（三） CF基因突變體F508del

在德國最常見的CFTR基因突變體是△F508，位于外顯子Exonl0中三對堿基的缺失，即引發蛋白質508F位點苯丙氨酸的編碼基因缺失［24］。此類突變體引起蛋白質空間構象的異常折疊，當在核糖體內合成的CFTR蛋白原轉移到內質網表面進行加工時，內質網表面的泛素連接酶多酶復合體可以識別出，由于△F508缺陷基因的錯誤表達而被刪除的CFTR蛋白中的第二個MSD錯誤折疊結構區域，然后多酶復合體將被錯誤表達的CFTR蛋白區域降解，從而使得CFTR蛋白無法照常運送到細胞膜中形成氯離子運輸通道［2］，即使其中有少數被正確翻譯的CFTR蛋白被運送到細胞膜中也不能使原本的氯離子通道有效形成，因此造成氯離子以及其他相關離子及小分子物質（如鈉鉀離子等）運輸的嚴重障礙。

四、CFTR基因突變與生殖

研究表明，CFTR基因突變可使健康男性出現先天性雙側輸精管缺如、先天性單側輸精管缺如或精子質量下降造成男性不育。先天性輸精管缺如（congenital absence of the vas deferens，CAVD）臨床上又分為先天性雙側輸精管缺如（congenital bilateral absence of the vas deferens，CBAVD）和先天性單側輸精管缺如（congenital unilateral absence of the vas deferens，CUAVD）。CUAVD患者多數同時合并無精子癥 ，其原因往往是除了缺如的一側輸精管病變外，對側生殖系存在先天性或后天感染等病理因素［25］。CBAVD目前普遍認為CFTR基因突變是其重要病因，M470V多態性為CFTR基因在外顯子10上323位點A→G多態導致的氨基酸替換，屬于錯義突變，堿基為A則編碼甲硫氨酸（Met），堿基為G則編碼纈氨酸（Val）。M470V多態性能影響CFTR蛋白氯離子通道內在活性，同時也與生育能力相關，Met470相比Val470生育能力更低。曾國華等［26］應用PCR-單鏈構象多肽（PCR-SSCP）及DNA測序技術，發現了CFTR基因的外顯子10上225位點C堿基的缺失，這是我國人群中首次發現CBAVD患者的CFTR基因突變，通過對該患者的睪丸超微結構進行研究發現，精子細胞頭部畸形，胞核染色質呈現明顯顆粒狀結構，出現核內空泡。精子細胞中段線粒體鞘部分或完全缺失。CBAVD對不育的影響也有睪丸的因素。CBAVD患者通常存在睪丸生精功能障礙，因此其治療的有效方法是應用穿刺技術吸取精子結合卵胞漿內單精子顯微注射（intracytoplasmic sperm injection，ICSI）技術助孕。然而，Lu等［27］對實施ICSI的945例無精子癥患者的研究顯示，攜帶CFTR突變基因的CBAVD患者其輔助生殖下一代出現流產或死胎的概率更高。研究發現，女性CF患者伴有月經失調，宮頸黏液增稠，精子獲能下降并影響CF女性的生育能力。

目前，在美國及一些歐洲國家，CFTR基因突變檢測已應用于植入前遺傳學診斷（preimplantation genetic diagnosis， PGD），將CFTR基因突變篩查作為我國PGD的檢查項目，能挑選出攜帶健康CFTR基因的胚胎，對CAVD患者生育健康下一代具有一定的臨床意義。目前國內外部分研究采取對CFTR全外顯子基因突變篩查［28］，但大多數研究實施的CFTR基因突變檢測只是檢測一些常見的突變位點，很可能造成漏檢。

五、研究前景

目前，人們對于CFTR基因多態性研究最多的是呼吸道和消化道的病變，而對于生殖系統的研究時間尚短。就CF而言，無論是中國還是西方醫生，都應注意中國患者CFTR突變譜的特異性［20］，且不能忽視漏檢基因的存在，其次疾病發生的原因也并非單一，如發病的地域性，發病的輕重及個體差異。對不育癥的治療，最常用最有效的是ICSI技術，但也存在一定的問題，ICSI技術可能會將突變的CFTR基因不可避免的遺傳給后代，致使后代不育。因此，攜帶遺傳病的夫妻在進行ICSI技術之前，應先進行胚胎種植前遺傳學診斷，若存在CFTR基因突變還需進行基因治療。

在基因治療方面，其效果遠沒有預期的好，加上一些器官（如肺）結構復雜且難以靶向，目前基因治療尤其個性化治療還沒有根本上的突破。或許可從表觀遺傳學、mRNA、蛋白質的修飾加工方面考慮，找到更多更有效的治療方法。總之，在臨床工作中要提高對CFTR基因多態性的重視，盡可能多的尋找我國患者CFTR基因突變位點，臨床醫生應多關注那些表型并不典型的患者，對他們進行更深入的診治。因此，我們應該竭盡全力擴大調查人群的樣本量，建立適合我國國情的CFTR基因突變譜，以使更多患者得到及時的診斷和治療。期待CFTR基因多態性在疾病診斷和治療方面有新的突破。

致謝：本課題受國家計生委科研項目資助 （項目編號：C1-89）

關鍵詞囊性纖維化跨膜傳導調節因子； 不育，男性；多態現象， 遺傳

doi∶10.3969/j.issn.1008-0848.2016.02.016

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（2015-12-05收稿）

中圖分類號R 698.2