Cystic Fibrosis

Cystic Fibrosis (CF, ook bekend als taaislijmziekte of ‘salty-baby disorder’) is een autosomaal recessief overervende genetische ziekte. De gemiddelde levensverwachting van CF-patiënten is ongeveer 37 jaar. Ongeveer 1 op de 2500 mensen is CF-patiënt en 1 op de 25 mensen (1/√625) is drager. Een aantal van de belangrijkste symptomen van CF:

• Hoog zoutgehalte in zweet (herkomst van de benaming ‘salty-baby disorder’),
• Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD), Verstopping van de dunne darm,
• Alvleesklierenzymen-deficiëntie, Onvruchtbaarheid bij mannen (CBAVD: ‘Congenital
• Bilateral Absence of the Vas Deferens’).

Structuur en werking van het CFTR-eiwit

Het gen verantwoordelijk voor CF codeert voor het CFTR-eiwit (‘CF transmembrane conductance regulator protein’). Het gen bevindt zich op de lange arm van chromosoom 7, is 250 kilobases lang en bevat 27 exons (figuur 1a). Het normale genproduct is opgebouwd uit 1480 aminozuren en bevat twee transmembrane domeinen die elk zes keer door het membraan gaan (TMD1 en TMD2, figuur 1b). Bovendien bevat het eiwit twee nucleotide binding domains (NBD1 en NBD2, figuur 1b) waar ATP gebonden kan worden. Tot slot is een R-domein aanwezig (figuur 1b), wat gefosforyleerd kan worden door protein kinase A en C, wat de activiteit van het eiwit (op nog onbekende wijze) kan regelen.

Het CFTR-eiwit vormt een ion channel voor chloride ionen, waarbij transport van de ionen altijd met het concentratiegradiënt mee plaatsvindt. Het ATP wordt in dit geval dus niet gebruikt voor actief transport, maar om het kanaal te openen en te sluiten. De hydrolyse van ATP is dus, in tegenstelling tot de ATP-hydrolyse in normale ABC-transporters, niet direct stoichiometrisch gekoppeld aan het transport van ionen. Figuur 2 geeft de werking van het CFTR-eiwit weer in vijf fasen.



Genetische achtergrond

In CF-patiënten bevat het CFTR-gen een deletie van drie nucleotiden, wat als gevolg heeft dat het CFTR-eiwit één aminozuur korter is dan in gezonde mensen. De nucleotidesequentie die verwijderd wordt is CTT, hierdoor verdwijnt de phenylalanine op plaats 508 (de deletie wordt daarom ook wel aangeduid als ΔF508). Het is echter niet het phenylalanine-codon zelf wat uit het gen verwijderd is (figuur 3), maar het is een deletie van de C afkomstig van het isoleucine-codon (ATC) en de TT afkomstig van het phenylalanine-codon (TTT). Het nieuwe ontstane codon (ATT) codeert ook weer voor isoleucine, met als effect verwijdering van phenylalanine en behoud van isoleucine.

De deletie bevindt zich in het NBD1-domein van het eiwit. Het is gebleken dat het korter worden van het eiwit (en niet zo zeer het specifiek missen van de phenylalanine) bepalend is voor de ziekte; het vervangen van de phenylalanine op plaats 508 door bijvoorbeeld een cysteïne, heeft namelijk geen ziekteverschijnselen tot gevolg. Verwijderen van de isoleucine op plaats 507 geeft echter zeer vergelijkbare symptomen, wat aantoont dat inderdaad het korter worden van het eiwit het ziektebeeld veroorzaakt en dat dit niet per se de phenylalanine hoeft te zijn. Het ingekorte eiwit kan niet in de juiste conformatie vouwen, waardoor het snel afgebroken wordt (klasse-II mutatie). Behalve de ΔF508- mutatie kunnen ook een aantal missense en nonsense mutaties CF veroorzaken (o.a. G542X, G551D, N1303K en W1282X). Deze mutaties zijn echter vele malen zeldzamer dan de phenylalanine deletie. Omdat de ΔF508-mutatie zo frequent voorkomt in het menselijk genoom, is het aannemelijk dat deze mutatie ooit in de geschiedenis van de mens evolutionair voordeel heeft gehad (positieve selectie). Mogelijk ging de mutatie gepaard met resistentie tegen een (nu uitgestorven) ziekte, op vergelijkbare wijze als dat sikkelcelanemie gepaard gaat met malaria-resistentie.

CFTR-functie in context: hoog zoutgehalte in zweet

Zweet van gezonde mensen bevat een zeer laag chloorgehalte. Terwijl het zweet door het buisje van de zweetklier naar het huidoppervlak wordt getransporteerd, worden de chloride ionen namelijk heropgenomen door de epidermiscellen (figuur 4a). Het CFTR-eiwit zorgt hierbij voor passief transport van chloride ionen uit het zweet terug naar de epidermiscellen. In CF-patiënten is het CFTR afwezig of niet functioneel, waardoor chloor niet heropgenomen wordt door de cellen (figuur 4b). Het zweet van CF-patiënten heeft hierdoor een hoog zoutgehalte.

CFTR-functie in context: taai slijm in de longen

In gezonde longen transporteert CFTR chloride ionen uit de cellen naar de mucus die het epitheel van de luchtwegen bedekt (figuur 5a). De oplopende concentratie chloor in de mucus vormt een drijvende kracht voor osmose. De mucus neemt hierdoor water op, waardoor de structuur van het slijm de juiste viscositeit behoudt. Bij niet-functionerend CFTR zal het chloride-ionentransport niet plaatsvinden. Als gevolg hiervan zal het slijm niet voldoende gehydrateerd worden, waardoor het een taaie structuur aanneemt (figuur 5b). Het taaie slijm gaat gepaard met chronische infectie van de longen en COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease).

CFTR-functie in context: verstopping van de dunne darm

In de dunne darm vindt veel watertransport plaats van de darmepitheelcellen naar mucus in het lumen. Transport van chloride naar het lumen creëert in gezonde darmen een osmotisch gradiënt, op vergelijkbare wijze als hoe dit in de longen gebeurt. Niet-functionerend CFTR zorgt voor opbouw van taaie mucus in de darm, waardoor verstoppingen op regelmatige basis plaatsvinden.

CFTR-functie in context: alvleesklierenzymen-deficiëntie

Behalve in het celmembraan komen de CFTR-kanalen ook voor in het lysosoommembraan, waar ze mede verantwoordelijk zijn voor de pH-regulatie. Import van H+ houdt de pH in de lysosomen laag, waardoor eiwitafbraak kan plaatsvinden. Het chloride wordt hierbij als tegenion gebruikt. In afwezigheid van een chloride ion kanaal, zal het lysosoommilieu niet zuur genoeg zijn, waardoor eiwitten niet altijd op het juiste moment worden afgebroken. Vooral in de alvleesklier is gebleken dat deze verkeerde zuurgraad tot enzymdeficiënties kan leiden. Ook is de processing van bepaalde enzymen in het Golgi systeem vaak verstoord.

CFTR-functie in context: onvruchtbaarheid bij mannen (CBAVD)

In 99% van de mannelijke CF-patiënten wordt vaak ook onvruchtbaarheid (CBAVD: ‘Congenital Bilateral Absence of the Vas Deferens’) geconstateerd. Vanwege het ontbreken van het CFTR-eiwit, kunnen de zaadkanalen (vas deferens) zich niet ontwikkelen. Mogelijk raken de vas deferens tijdens hun ontwikkeling verstopt door taaie mucus, waardoor ze al in een vroeg stadium afgebroken worden. Er zijn ook CBAVD-patiënten bekend die wel een mutatie in het CFTR-gen hebben, maar (behalve onvruchtbaarheid) geen symptomen van CF vertonen.

CF vanuit een klinisch perspectief

De gevolgen van de ΔF508-mutatie kunnen mogelijk behandeld worden met butyraat, wat de verkeerde vouwing van het CFTR corrigeert. Gene transfer is een andere potentiële therapie die ook de andere, minder voorkomende, mutaties kan complementeren.