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让爱相隔六英尺的CFTR基因(罕见病囊性纤维化致病基因)【每周一鼠】

CFTR基因敲除小鼠
六英尺,虽然不远,但也是让人无法触手可及的距离。电影《五尺天涯》中,就讲述了一个因双方患有囊肿性纤维化疾病,而不得不在六尺距离规则下进行的爱情故事。在这呢,就不得不提到一个与之密切联系的基因——CFTR基因。
 
CFTR基因可以激活氯离子通路,也可以调控其他离子通路,因而可以对细胞的整体盐和水分起到调控作用。该基因的异常表达,会导致囊性纤维化的发生,使患者在气道、胰腺、小肠等通道中产生粘稠液体。该病是一种进行性疾病,更是一种罕见病。

 

赛业生物《每周一鼠》,每周五更新,为大家讲解一个小鼠模型的故事,希望对大家了解不同的小鼠模型有所帮助。今天和大家见面的是CFTR基因编辑小鼠。

 

CFTR基因介绍

CFTR基因是由12跨膜区域、两个核苷酸结合区域(NBD1/2)和一个调节R区域组成,该基因与囊性纤维化具有紧密的联系。其激活需要cAMP介导,而NBD区域会与ATP结合。但也有研究指出,CFTR可以通过不依赖cAMP的途径激活。

 

CFTR在调控离子通路的过程中发挥重要的作用。其基因主要介导了细胞内氯离子跨膜向细胞外运动,同时伴随水分子的转运。除了本身能介导氯离子的外流之外,CFTR还能通过ROMK2介导钾离子向细胞外的运输,ROMK2能与细胞内的NBD1和调控R结构域相互作用。此外,CFTR还能通过结合ATP到PY2R蛋白上调控ORCC介导的氯离子外流通道,并且能抑制ENaC蛋白活性进而调控钠离子的内流。

CFTR基因敲除小鼠

图1. CFTR基因相关信息

 

CFTR相关疾病介绍

囊性纤维化(cystic fibrosis,CF)是一种遗传性疾病,会对肺部、消化系统和身体其他器官造成严重损害。由于囊性纤维化跨膜转导调节蛋白位于多种腺体的上皮细胞的顶部质膜中,因而该病会影响不同种类的分泌细胞产生的细胞液,使患者细胞分泌的粘液变得粘稠;无法对细胞表面进行润滑,还会导致管路堵塞,尤其是在肺部和胰腺。

CFTR基因敲除小鼠

图2. CFTR介导的离子通道调控模式[2]

 

CFTR基因敲除小鼠

人与小鼠在氨基酸序列的同源性是78%,研究人员通过在该基因10号外显子中插入终止密码子(S489X),制备了第一种CFTR敲除小鼠(CFTRtm1UNC)。另外,研究人员还通过其他方法得到CFTR全基因敲除小鼠,如CFTRtm1CAM、CFTRtm1HSC、CFTRtm1BAY和CFTRtm3BAY,这些小鼠品系都检测不到野生型CFTR的mRNA。除了敲除模型,不同的实验室也构建许多点突变的模型。一些会导致CF的突变也引入小鼠CFTR中产生Class II突变的△F508小鼠模型(CFTRtm1EUR、CFTRtm1KTH和CFTRtm2CAM)、G480C突变的模型(CFTRtm2HGU)和Class III突变的G551D小鼠模型(CFTRtm1G551D)。

CFTR基因敲除小鼠

图3. CFTR基因突变小鼠模型[2]

 

有研究指出,使用小鼠模型研究囊性纤维化具有较容易构建、繁育周期短以及饲养成本低优点。然而,但使用小鼠模型研究囊性纤维化也有一些限制,比如小鼠模型无法在未攻毒的情况下产生自发性肺部感染。并且大部分小鼠模型的实验结果显示在小鼠胰腺、肝脏和输精管只有轻微并发症,这与人的表型严重程度具有很大差异。造成这种结果的原因可能是因为低表达量的CFTR可能产生足够的离子转运能力使得小鼠模型的严重程度比较低,此外,小鼠中存在另外的上皮表达的氯离子通道可以代偿CFTR的离子通道功能。

 

Gawenis等人通过BAC转基因的方式制备了表达人源CFTR的小鼠,转入了人源CFTR基因(约6拷贝)的鼠源CFTR,敲除小鼠的相关表型得到了挽救。

CFTR基因敲除小鼠

图4. 人源化小鼠的构建方案[4]

 

总结

CFTR基因可以激活氯离子通路,也可以调控其他离子通路,因而可以对细胞的整体盐和水分起到调控作用。该基因异常会导致囊性纤维化,在气道、胰腺、小肠等通道中产生粘稠液体。通过研发构建这种罕见病的相关模型,对于其治疗药物的开发具有重要意义。

CFTR基因敲除小鼠

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CFTR基因敲除小鼠

 

参考文献:

1. https://rddc.tsinghua-gd.org/details/gene?gene=Jmallx

 

2. Lavelle GM, White MM, Browne N, McElvaney NG, Reeves EP. Animal Models of Cystic Fibrosis Pathology: Phenotypic Parallels and Divergences. Biomed Res Int. 2016;2016:5258727. doi: 10.1155/2016/5258727. Epub 2016 Jun 1.

 

3. Rosen BH, Chanson M, Gawenis LR, Liu J, Sofoluwe A, Zoso A, Engelhardt JF. Animal and model systems for studying cystic fibrosis. J Cyst Fibros. 2018 Mar;17(2S):S28-S34. doi: 10.1016/j.jcf.2017.09.001. Epub 2017 Sep 19.

 

4. Gawenis LR, Hodges CA, McHugh DR, Valerio DM, Miron A, Cotton CU, Liu J, Walker NM, Strubberg AM, Gillen AE, Mutolo MJ, Kotzamanis G, Bosch J, Harris A, Drumm ML, Clarke LL. A BAC Transgene Expressing Human CFTR under Control of Its Regulatory Elements Rescues Cftr Knockout Mice. Sci Rep. 2019 Aug 14;9(1):11828. doi: 10.1038/s41598-019-48105-4.

 

5. Fabbri E, Tamanini A, Jakova T, Gasparello J, Manicardi A, Corradini R, Sabbioni G, Finotti A, Borgatti M, Lampronti I, Munari S, Dechecchi MC, Cabrini G, Gambari R. A Peptide Nucleic Acid against MicroRNA miR-145-5p Enhances the Expression of the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) in Calu-3 Cells. Molecules. 2017 Dec 29;23(1):71. doi: 10.3390/molecules23010071.

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