CFTR基因与囊性纤维化：从致病机制到靶向治疗
- boke
- 2025-12-26
- 5:47 下午
Trikafta：改写囊性纤维化命运的三联疗法
2025年，拉斯克临床医学研究奖被授予Michael J. Welsh、Jesús González、Paul A. Negulescu三位科学家，以表彰在开发治疗囊性纤维化的创新三联药物—Trikafta药物组合中所作出的关键贡献，这一疗法挽救了众多患者的生命。
一、CFTR基因概述
囊性纤维化跨膜导管调节因子（CFTR）基因位于7q31.2，全长约230kb，共27个外显子。编码序列长4443bp，编码1480个氨基酸。编码的蛋白具有两个疏水跨膜结构域（TMD1/2）和2个核苷酸结合域（NBD1/2），还含有一个调节区R。调节区R含有蛋白激酶A（PKA）和蛋白激酶C（PKC）共有的磷酸化位点，被蛋白激酶磷酸化时，可以激活CFTR的Cl⁻通道。该蛋白属于ATP结合盒（ABC）转运蛋白家族，在多种组织中都有表达，表达于汗腺、气道、胃肠道、胰腺和输精管等组织和器官[1,2]。
图1 CFTR蛋白结构示意图及CFTR通道打开示意图[2,7]
二、CFTR生物学功能
主要功能是调控上皮细胞顶端膜的Cl⁻、HCO₃⁻转运，影响细胞内外的电解质平衡和水分分布。
三、CFTR变异与囊性纤维化的关联
囊性纤维化(Cystic Fibrosis, CF)是一种常染色体隐性遗传性疾病，致病机制是由于CFTR基因突变导致全身外分泌腺大量黏液阻塞，进而累及呼吸、消化、内分泌、生殖等全身多系统。在高加索人群中CF发病率可高达1/800，但在中国尚无发病率数据，属罕见病。但近 10年我国报道的 CF患者数量超过了既往30年总和的2.5倍[3]。CFTR基因是目前已知的CF唯一致病基因。
图2 囊性纤维化的多器官疾病表现[2]
图3 不同年龄段CF的临床表现[3]
目前，已经发现了超过2000种CFTR等位基因变异，包括错义突变（42%）、移码突变（15%）、剪接突变（13%）、无义突变（10%），大片段缺失或插入（5%），这些突变中有719种是致病的[2]。据其变异对CFTR功能的影响可分为6类[4-5]。
Ⅰ类变异，CFTR蛋白合成缺陷
突变类型：无义突变、移码突变、剪接变异。
影响机制：过早出现终止密码子，严重阻碍CFTR蛋白合成，几乎不产生功能性蛋白。
具体变异：Gly542X、Trp1282X、Arg553X、621+1G→T
Ⅱ类变异，蛋白加工和转运缺陷
突变类型：错义突变、氨基酸缺失。
影响机制：CFTR蛋白错误折叠，无法正常加工和转运，滞留在内质网中，随后被蛋白酶体降解。
具体变异：Phe508del、Asn1303Lys、Ile507del、Arg560Thr
Phe508del变异最为常见，约85-90%患有囊性纤维化的白色人携带至少一个Phe508del变异。
Ⅲ类变异，门控调节缺陷
突变类型：错义突变、氨基酸改变。
影响机制：变异导致CFTR通道门控缺陷影响离子转运效率，但蛋白结构和表达基本正常。
具体变异：Gly551Asp、Gly178Arg、Gly551Ser、Ser549Asn
Ⅳ类变异，离子传导缺陷
突变类型：错义突变、氨基酸改变。
影响机制：离子传导功能缺陷，导致CFTR通道对氯离子或碳酸氢根离子的通透性降低，离子流量减少。
具体变异：Arg117His、Arg347Pro、Arg117Cys、Arg334Trp
Ⅴ类变异，功能性蛋白在顶膜的表达减少
突变类型：剪接缺陷、错义突变。
影响机制：影响CFTR mRNA转录或翻译效率，导致细胞膜上正常CFTR蛋白丰度降低。
具体变异：3849+10kbC→T、2789+5G→A、3120+1G→A
Ⅵ类变异，影响定位于细胞膜的CFTR蛋白的稳定性
突变类型：错义突变、氨基酸改变。
影响机制：CFTR蛋白构象稳定性降低，易被细胞膜上的质量控制系统识别并降解，膜表面蛋白减少。
具体变异：4326delTC、Gln1412X、4279insA
I类、II类和III类突变与CFTR功能丧失相关，携带这些突变的患者平均表现为严重表型；而携带IV类、V类和VI类突变的个体具有部分CFTR蛋白功能，表现为轻度肺部表型和胰腺功能正常。
图4 CFTR变异类型及致病机制[5]
四、疾病治疗
目前有两种方法试图提供有效的疾病修饰疗法：一是使用小分子调节剂，通过调节CFTR蛋白并恢复功能性离子转运；二是使用基因治疗方法，通过引入正常CFTR基因或编辑突变基因，产生正常的CFTR蛋白[7]。
CFTR调节剂
（1）增效剂（Potentiators）：通过与CFTR蛋白的特定区域结合，增强细胞表面CFTR通道的开放概率，促进离子的运输。
代表药物：Ivacaftor（VX-770）：首个获批的CFTR调节剂，适用于G551D等门控突变（Class III）。其他在研药物：QBW251、GLPG1837等。
（2）纠正剂（Correctors）：通过结合到CFTR蛋白的特定区域（通常是在跨膜结构域（TMD）形成的疏水口袋中），稳定CFTR蛋白构象，帮助蛋白正确折叠并运输至细胞膜。
代表药物：Lumacaftor（VX-809）、Tezacaftor（VX-661）
（3）通读剂（read-through agents）：通读剂通过与核糖体结合，改变核糖体对终止密码子的识别精度。正常情况下，核糖体遇到终止密码子会停止翻译；而通读剂使核糖体“忽略”终止密码子，继续沿着mRNA模板进行翻译，从而允许完整的CFTR蛋白序列被合成。
代表药物：Ataluren（PTC124）
（4）稳定剂（stabilisers）：稳定剂能够与CFTR蛋白的特定结构域结合，帮助其更牢固地锚定在细胞膜上；还可以通过干扰溶酶体降解途径，减少CFTR蛋白的降解速率，延长其在细胞膜表面的停留时间。
代表药物：Cavosonstat（N91115）
（5）联合疗法
目前单一调节剂证明针对CFTR蛋白本身进行修复是可行的，但其药效受限于CFTR缺陷的复杂性。如最常见的F508del突变，该突变既阻碍蛋白转运又影响蛋白发挥功能，仅靠一种调节剂，无法完成CFTR蛋白功能的挽救。
三联疗法不再满足于“单点修复”，而是通过不同作用机制的药物协同配合，实现了对复杂缺陷的“全面修复”。2019年，FDA批准首个三联方案—Trikafta上市，用于治疗囊性纤维化患者。Trikafta方案由两种纠正剂（Tezacaftor、Elexacaftor）和一种增效剂（Ivacaftor）协同使用。
三种成分通过变构调节机制协同作用，不仅增加了细胞表面CFTR蛋白的数量，还显著提高了其功能活性，从而从根本上改善囊性纤维化患者的症状[8]。Trikafta疗法让90%的CF患者从“严重疾病”变成了“慢性可控疾病”。
图5 Trikafta的作用机制[8]
基因疗法
（1）基因替代疗法（Gene Replacement）
机制：将正常的CFTR基因导入患者细胞，替代缺陷的基因，从而恢复CFTR蛋白的正常功能。
载体类型：脂质体-DNA复合物、腺病毒和腺相关病毒（AAV）载体
（2）基因编辑疗法（Genome Editing）
利用基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）直接对细胞内的CFTR基因突变进行修复或矫正。
设计特定的引导RNA（gRNA），使其能够精准识别CFTR基因中的突变位点。Cas9蛋白在gRNA的引导下，对突变位点附近的DNA进行切割，诱导细胞自身的DNA修复机制，通过同源重组或非同源末端连接等方式将正确的基因序列引入，修复突变。
图6 CF当前治疗策略[7]