La fibrosis quística y el gen CFTR

 

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I- Antecedentes

II- Incidencia

III-Manifestaciones clínicas

IV- Diagnóstico

V- El gen CFTR y sus mutaciones

V-1. Introducción
V-2. La mutación DF508
V-3. El espectro de mutaciones del gen CFTR
V-4. Correlación genotipo-fenotipo

VI- La proteína CFTR y sus funciones

VI-1. Estructura de la proteína CFTR
VI-2. Funciones de la proteína

VI-2.1. Función del canal de Cl-
VI-2.2. La proteína CFTR, una proteína multifuncional

VI-3. Correlación de las mutaciones en el gen CFTR con la función del canal de Cl-

VI-3.1. Clase 1: mutaciones que alteran la producción de la proteína
VI-3.2. Clase 2: mutaciones que alteran el proceso de maduración celular de la proteína
VI-3.3. Clase 3: mutaciones que alteran la regulación del canal de Cl-
VI-3.4. Clase 4: mutaciones que alteran la conducción a través del canal de Cl-
VI-3.4. Clase 5: mutaciones que alteran la estabilidad del RNAm
VI-3.4. Clase 6: mutaciones que alteran la estabilidad de la proteína madura

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I- Antecedentes

  • Las primeras descripciones de la fibrosis quística (FQ) se realizaron a finales de los 1930s. En 1936, Fanconi identificó la asociación entre la FQ congénita del páncreas y la enfermedad bronquial, inmediatamente después Andersen (1938) realizó la primera descripción anatomopatológica de la FQ.
  • En 1953, Di Sant'Agnese describió la existencia de un exceso de cloruro de sodio en el sudor de los niños afectados por la FQ. Esto condujo rápidamente a la utilización de esta alteración como prueba diagnóstica, la única existente en ese momento.
  • A principios de los 1980s, Quinton (Quinton, 1983) describió de manera precisa esta alteración en el transporte de sales, explicando el defecto en la permeabilidad de los iones cloruro (Cl-) en las células epiteliales afectadas de las glándulas sudoríparas, seguidamente Knowles (Knowles, 1983) observó el mismo fenómeno en el epitelio respiratorio.
  • En 1989 se aisló el gen CFTR, implicado en la FQ. Este gen se encuentra localizado en 7q31 y tiene 27 exones. La proteína que codifica está compuesta por 1480 aminoácidos.

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    II- Incidencia

    La FQ es la enfermedad autosómica recesiva letal más frecuente, y la peor en las poblaciones de origen europeo afectando a una media de un individuo cada 2500 nacidos vivos (=q2), por lo que aproximadamente uno de cada 25 individuos (=2pq) es portador heterocigoto de la enfermedad. Sin embargo, esta frecuencia es variable en función de la zona geográfica y origen étnico de los individuos.

     

    III- Manifestaciones clínicas

    • La presentación clínica de la FQ varía entre los individuos de distintas familias e incluso entre los individuos de la misma familia. En la mayoría de los casos la enfermedad se diagnostica antes de la adolescencia, aunque existen casos asintomáticos hasta la edad adulta. Es imposible diferenciar, tanto desde el punto de vista clínico como biológico, los heterocigotos portadores de los homocigotos que no portan ninguna mutación.
    • La presentación clínica varía con la edad. En 10% de los recién nacidos afectados se presenta íleo meconial (obstrucción intestinal debido a un meconio anormalmente espeso). Posteriormente la sintomatología se presenta principalmente en dos sistemas, el respiratorio y el digestivo, manifestado como infecciones respiratorias repetidas y signos de mala absorción.
    • El sistema más afectado es el respiratorio. Ello se debe a la obstrucción de los bronquiolos por un moco espeso que favorece el crecimiento de microorganismos. Este hecho explica las infecciones respiratorias repetidas por gérmenes oportunistas.
    • En 85% de los pacientes se puede observar como alteración digestiva una insuficiencia pancreática exocrina (con defecto en la producción de enzimas) que conduce a una obstrucción de los canales pancreáticos y mala absorción de proteínas. El estado de esta función pancreática exocrina (IP, insuficiencia pancreática o SP, suficiencia pancreática) es un marcador de gravedad fenotípica siendo más grave la IP que la SP (Kerem, 1990).
    • La alteración en las glándulas sudoríparas conduce a la presencia de un exceso de cloruro de sodio en el sudor, ésta pérdida de sales es responsable de una deshidratación aguda en caso de exposición al calor.
    • La enfermedad también afecta a otros órganos, entre los que destacan el aparato reproductor y el hígado.
    • 98% de los varones afectados son estériles por atrofia y ausencia del vas deferens debido a la azoospermia obstructiva, por otro lado 80% de las mujeres afectadas son fértiles.
    • La afectación hepática del 30% de los casos comienza con hepatomegalia y en 9% como insuficiencia hepática. Ello se debe a la obstrucción de los tractos biliares intra y extrahepáticos por compresión a nivel del páncreas. En 2-5% ello conduce a cirrosis biliar.
    • Pronóstico: si no se trata, la tasa mediana de supervivencia es de 3 a 5 años.
    • No hay un tratamiento efectivo para la FQ, sin embargo la posibilidad de un diagnóstico más temprano y la posibilidad de tratamiento sintomático ha hecho posible aumentar la supervivencia media a entre 25 y 30 años.
    • Este tratamiento sintomático va desde la terapia antibiótica a la nebulización con broncodilatadores o mucolíticos y administración de proteasas que inhiben los síntomas pulmonares hasta la administración de enzimas pancreáticas sustitutivas y vitaminas para la insuficiencia pancreática.
    • En los estadíos avanzados, se ha mostrado efectivo el transplante triple (corazón-pulmón-riñón), aunque el principal obstáculo para ello es la ausencia de órganos de donantes.
    • De entre los últimos avances terapéuticos, la terapia génica se ha encontrado con muchos obstáculos. En la actualidad se están estudiando otras estrategias prometedoras que tienen como objetivo la compensación del defecto en la producción y/o función de la proteína CFTR en función del tipo de mutación.

     

    IV- Diagnosis

    • El diagnóstico de la FQ se basa en la prueba de la presencia de cloruro de sodio en sudor. Esta prueba se considera, todavía hoy, la prueba más fiable de la FQ. Las técnicas usadas para ello son bastante simples pero un factor limitante importante es la cantidad necesaria de sudor, especialmente en recién nacidos, lo que aumenta la tasa de error al 30%.
    • Los valores de esta prueba varían en función del laboratorio, pero se considera como un valor normal la presencia de menos de 40 mmoles/L de cloruro.
    • Cuando el valor obtenido se encuentra entre 40 y 60 mmoles/L, la interpretación es dudosa y la prueba debe repetirse.
    • Para que se pueda realizar un diagnóstico claro, la concentración de iones cloruro en el sudor debe sobrepasar los 60 mmoles/L en dos análisis independientes.
    • Otra técnica utilizada se basa en la medida de la diferencia de potencial bioeléctrico entre la piel y la mucosa nasal. Es un método simple, barato y accesible. Este valor es válido en los siguientes casos:

      1. para el diagnóstico temprano de recién nacidos que muestran patología digestiva sospechosa y donde la prueba del sudor es difícil de realizar,
      2. para la confirmación de casos dudosos con ciertos signos clínicos pero con valores límite o negativos en la prueba de sudor,
      3. para el seguimiento del paciente, ya que existe una correlación entre la severidad de la afectación respiratoria medida por espirometría forzada (FEV1, volumen máximo espirado en el primer segundo de una espiración forzada) y el valor de la diferencia del potencial bioeléctrico. The method is simple, less expensive and accessible.

     

    V- El gen CFTR y sus mutaciones

    V-1. Introducción

    El gen CFTR, cuya alteración es responsable de esta enfermedad, tiene 27 exones y se extiende sobre 250 kb del cromosoma 7 (7q31) dando lugar a un RNAm de 6,5 kb.

    V-2. La mutación DF508

    • La mutación más frecuente es la deleción de tres nucleótidos que tiene como resultado la pérdida de una fenilalanina en la posición 508 (DF508). Esta mutación está presente en 70% de los alelos FQ.
    • Sin embargo, existe una gran heterogeneidad en su distribución con un gradiente noroeste/sudeste, por ejemplo en Dinamarca hay 88% de casos DF508 pero 50% en Italia.
    • La extensión de esta mutación en la población europea se ha explicado por una ventaja selectiva de los individuos heterocigotos portadores de ella. Según esta hipótesis los heterocigotos estarían más protegidos frente a la deshidratación provocada por las diarreas causadas por las enterotoxinas bacterianas. La proteína DF508, junto a una menor expresión de CFTR en las superficies epiteliares, disminuirían la entrada de patógenos en el epitelio intestinal, protegiendo frente a estas infecciones.

     

    V-3. El espectro de mutaciones del gen CFTR

    • Desde el descubrimiento y clonaje del gen CFTR (http://www.genet.sickkids.on.ca/cftr/) se han descrito más de 1200 mutaciones, de las que únicamente 4 (excluyendo la DF508) se encuentran en más de 2% de los casos. La frecuencia de algunas de estas mutaciones varía entre los distintos grupos geográficos (p. ej. la W1282X constituye el 48% de los alelos FQ de los judíos Ashkenazi pero sólo el 2% de total de alelos FQ).
    • La mayor parte de los defectos moleculares del gen CFTR son mutaciones puntuales, de las que 42% son con cambio de sentido, 24% son pequeñas inserciones/deleciones con cambio en el marco de lectura, 16% son mutaciones sin sentido, 16% afectan a regiones de ayuste o splicing y 2% producen la pérdida de un aminoácido. También se han descrito algunas deleciones grandes.
    • Una de las particularidades de CFTR es la presencia de transcritos que muestran la deleción de uno o más exones entre los individuos normales. Estos transcritos se deben a alteraciones en el proceso de ayuste o splicing alternativo de la que la más frecuente es la deleción del exón 9 (9-). La presencia o ausencia de este exón se correlaciona con la presencia de un polimorfismo de la secuencia del intrón 8 cercano al punto aceptor del splicing (5T, 7T ó 9T). Si se encuentra la forma 7T ó 9T se produciría un procesamiento normal en 90% de las moléculas de RNAm, sin embargo la presencia de la forma 5T sólo garantiza el procesamiento normal de entre 10 y 40 % de las moléculas de RNAm.

     

    V-4. Correlación genotipo-fenotipo

    • Cerca de la mitad de los pacientes con FQ son homocigotos para la mutación DF508. Estos individuos muestran la forma clásica de la enfermedad con incremento de electrolitos en sudor, insuficiencia pancreática y patología obstructiva pulmonar.
    • La DF508 por sí sola suma el 66 % de las mutaciones, 40 % de los pacientes con FQ son heterocigotos mostrando la DF508 en uno de sus alelos y otra mutación en el otro alelo de CFTR.
    • Generalmente, tanto la función pulmonar como la edad de aparición de la enfermedad y la cantidad de sales de cloruro se relacionan con el genotipo.
    • Por otro lado, la diferente severidad y variedad de los síntomas dentro de la misma familia indican que el genotipo por sí sólo, a nivel de alteraciones en CFTR, no puede explicar completamente el fenotipo clínico.
    • Únicamente la mutación A455E se asocia fuertemente con la función pulmonar.
    • En cuanto a la función pancreática los pacientes con una o dos mutaciones con cambio de sentido conservan la función exocrina (SP), mientras que los pacientes que muestran los dos alelos con mutaciones de splicing, sin sentido o con cambio de marco de lectura y algunas con cambio de sentido muestran insuficiencia de esta función (IP). Los pacientes que muestran en un alelo una mutación causante de IP y en el otro una mutación causante de SP muestran un fenotipo SP. Con sólo una mutación SP la función CFTR es suficiente para mantener la función pancreática.
    • El efecto de una mutación puede ser modificado por una segunda mutación en cis sobre el mismo alelo.
    • El polimorfismo de la zona de polipirimidinas del intrón 8 modifica la penetrancia de algunas mutaciones

    Mutaciones. Editor.

     

    VI- La proteína CFTR y sus funciones

    VI-1. Estructura de la proteína CFTR

    • La proteína CFTR está formada por 1480 aminoácidos.
    • Esta proteína está formada por dos motivos repetidos compuestos cada uno por un dominio hidrofílico que atraviesa la membrana (MSD, membrane-spanning domain) que contiene seis hélices y una región hidrofílica importante de unión a ATP (NBF, nucleotide binding fold). Ambos motivos se encuentran unidos por un dominio citoplasmático (dominio R) codificado por el exón 13 que contiene varios residuos cargados y la mayor parte de los lugares de fosforilación (probablemente sustratos de las proteínquinasas A y/o C).

    Figura 1: estructura propuesta para la proteína CFTR, por Riordan et al., 1989 - Pascale Fanen.

    • Existe homología entre la estructura primaria de la proteína CFTR y miembros de familias de proteínas de membrana, como la familia de los transportadores ABC (ATP-binding cassette), que son responsables del transporte activo de sustratos a través de la membrana celular, en el que la hidrólisis del ATP es la fuente de energía.

    VI-2. Funciones de la proteína

    VI-2.1. Función del canal de Cl-

    Las primeras hipótesis sobre la posible función de la proteína CFTR tuvieron en cuenta dos posibilidades. La primera postulaba que la proteína CFTR era un canal de Cl-. Esta hipótesis era compatible con los defectos que se observaban en la permeabilidad de los iones Cl- en las membranas apicales epiteliales de los pacientes con FQ. La otra hipótesis proponía que la proteína CFTR no fuera un canal de iones sino que jugara un papel en la regulación de los canales de Cl- ya sea por asociación con éstos o por medio del transporte de algún factor regulador de los canales de Cl- dentro o fuera de la célula. Finalmente quedó demostrada la primera de las hipótesis, que la función de CFTR era la de canal de Cl-.

    VI-2.2. La proteína CFTR, una proteína multifuncional

    Los descubridores del gen CFTR gene lo denominaron "regulador de la conductancia transmembrana" (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). De hecho, la proteína CFTR regula también otros canales, como el canal de Cl- ORCC (Outwardly Rectifying Chloride Channel), el canal de Na+ epithelial (ENaC, Epithelial Na+ Channel) y al menos los dos canales de K+ ROMK1 y ROMK2. Además de un regulador de canales, también juega un papel en el transporte de ATP, modificando la exocitosis y endocitosis, y en la regulación del pH de los orgánulos intracelulares.

    Figura 2: CFTR, una proteína multifuncional, por Schwiebert et al., 1999 - Pascale Fanen.

    VI-3. Correlación de las mutaciones en el gen CFTR con la función del canal de Cl-

    Las alteraciones moleculares tiene diversos efectos sobre la proteína CFTR y sus funciones. Welsh y Smith han propuesto la clasificación de estas alteraciones en relación a la función del canal de Cl- (Welsh & Smith, 1993) (figura 3).

    Figura 3: Clasificación de las mutaciones del gen CFTR, por Welsh & Smith, 1993 - Pascale Fanen.

     

    VI-3.1. Clase 1: mutaciones que alteran la producción de la proteína. Estas mutaciones tienen como consecuencia la ausencia total o parcial de la proteína. En esta clase se incluyen las mutaciones sin sentido y aquéllas que conducen a la formación prematura de un codón de parada de la traducción (algunas de las cuales producen alteraciones del splicing mientras que otras producen un cambio en el marco de lectura). En algunos casos la no producción de la proteína se debe a que el RNAm formado es inestable. En otros casos, aunque se produce la proteína, ésta es inestable y se degrada rápidamente. Funcionalmente todas estas mutaciones se caracterizan por una pérdida de la conductancia del canal de Cl- en el epitelio afectado.

    VI-3.2. Clase 2: mutaciones que alteran el proceso de maduración celular de la proteína. Ciertas mutaciones alteran la maduración de la proteína y su transporte a la membrana plasmática. Ello conduce a que esta proteína no esté presente en la membrane o que lo esté en muy baja cantidad. Las mutaciones de esta clase son las más frecuentes (DF508).

    VI-3.3. Clase 3: mutaciones que alteran la regulación del canal de Cl-. Estas mutaciones se encuentran frecuentemente en el dominio de unión al ATP (NBF1 y 2).

    VI-3.4. Clase 4: mutaciones que alteran la conducción a través del canal de Cl-. Ciertos segmentos de los dominios que atraviesan la membrana participan el la formación de un poro de iones. Las mutaciones con cambio de sentido situadas en estas regiones generan una proteína correctamente posicionada con actividad de canal de Cl- cAMP dependiente. Sin embargo sus características son distintas a las del canal CFTR nativo ya que muestran una disminución del flujo de iones y una selectividad modificada.

    VI-3.4. Clase 5: mutaciones que alteran la estabilidad del RNAm

    VI-3.4. Clase 6: mutaciones que alteran la estabilidad de la proteína madura

    Traducción : José Luis Vizmanos. Departamento de Genética, Facultad de Ciencias, Universidad de Navarra, Pamplona, Spain

    Contributor(s)

    Written2001-09Pascale Fanen, Afia Hasnain
    Service de Biochimie-Génétique, Inserm U.654, Hôpital Henri Mondor, 94010 Créteil, France

    Citation

    Fanen P, Hasnain A

    Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2001-09-01

    La fibrosis quística y el gen CFTR

    Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/30125/la-fibrosis-qu-iacute;stica-y-el-gen-cftr