全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 19卷 第 2期
2007年 4月
Vol. 19, No. 2
Apr., 2007
CFTR型氯离子通道研究进展
郭晓强
(白求恩军医学院生化教研室，石家庄 050081)
摘　要：囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)是一种重要的氯离子通道，突变易引起囊性纤维化病变，
故得名。一系列研究表明，CFTR 由 5 个结构域组成：两个跨膜结构域形成氯离子通道；两个核苷酸
结合结构域调节通道的开闭；一个调节结构域主要影响氯通道的活动。这些结构域通过协同作用共同
控制了氯离子的跨膜流动，而一些突变可以影响细胞功能而导致囊性纤维化的发生。本文通过介绍
CFTR基本结构、调节机制、与囊性纤维化病变的关系及针对 CFTR的治疗而对 CFTR型氯离子通道有
一个的全面的理解。
关键词：囊性纤维化跨膜传导调节因子；氯通道；囊性纤维化
中图分类号：R 3 5；Q 6 8　　文献标识码：A
The progress in CFTR chloride ion channel
GUO Xiaoqiang
(Department of Biochemistry, Bethune Military Medical College, Shijiazhuang 050081, China)
Abstract: Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is an important chloride ion channel.
Some researches indicate CFTR contains five domains: two membrane-spanning domains (MSDs) forming
chloride ion channel and two nucleotide-binding domains (NBDs) regulating channal open or close and one
regulatory domain regulating channel activity. All these domains cooperated to regulate chloride ion transport.
Mutation of CFTR which leads to cystic fibrosis will influence cell function. This review gives an outline of CFTR
chloride channel and the channel-related disease, cystic fibrosis.
Key words: cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) ；chloride channel；cystic fibrosis
收稿日期：2006-11-16；修回日期：2006-11-30
作者简介：郭晓强(1977—)，男，硕士，助教，E-mail: xiaoqiangguo123@163.com
文章编号 ：1004-0374(2007)02-0189-05
囊性纤维化跨膜传导调节因子(cystic fibrosis
transmembrane conductance regulator，CFTR)是一
种独特的氯离子通道，尽管称为氯离子通道，但在
结构上却明显地不同于其他氯离子通道[1]，属于一
种 AT P 结合盒转运体( A TP - b i nd i ng ca s s e t t e
transporter, ABC)家族。CFTR主要为氯离子跨上皮
运动提供了选择性通道，对于跨上皮的盐类运输、
液体流动和离子浓度调节等都具有重要的决定作用[2]。
自 20世纪 80年代末，CFTR基因被克隆以来，它
一直是离子通道研究中的一个热点，本文对其进行
简要介绍。
1　CFTR的基本特征
1989年，Riordan等[3]首先克隆了 CFTR的基
因，而在 1991年，CFTR被确定为氯离子选择性
通道[4]，从而开始了对 CFTR作为氯离子通道的系
统研究。
CFTR 基因定位于人类第 7 条染色体的长臂
(7q31.2)，全长 250 000 bp，含有 27个外显子，最
终转录得到的成熟mRNA长度为 6 129碱基，其中
4 443为可编码序列，成熟CFTR的蛋白质全长1 480
个氨基酸残基，相对分子质量约为 168 173。此外，
CFTR还在其他生物中克隆成功，小鼠中定位于第
190 生命科学 第 19卷
6条染色体，大鼠位于第 5条染色体。CFTR分布
广泛，许多器官，如肺、肝、胰腺、肠、生殖
腺等的细胞膜中都有表达，尽管称为氯离子通道，
但还涉及到其他一价阴离子的运输，由于生理条件
下氯离子最为重要，故称为氯离子通道。
CFTR是一种跨膜蛋白质，较难获得理想的晶
体，至今未获得完整的结构图像，但由于它属于
ABC家族，而ABC家族的部分成员结构已经阐明，
因此，根据序列比对推测得到了 CFTR的结构(图
1)。最近获得了 CFTR的一般晶体结构，使用电子
显微镜初步获得了它的空间结构，与真核生物另一
个ABC家族成员 P-糖蛋白在结构上具有相似性[5]，
说明了推测的合理性。现在可以肯定的是 CFTR由
5个功能结构域组成：两个跨膜结构域(membrane-
spanning domains，MSD)MSD1和MSD2；两个核
苷酸结合结构域(nucleotide-binding domains，NBD)
NBD1和NBD2；一个调节结构域 R。这些结构域
中两个MSD形成了选择性氯离子通道，两个NBD
结构域调节了氯离子通道的门控性，而 R基团的磷
酸化控制了通道活性[2]。
2　CFTR的调节机制
两个六跨膜结构域MSD1和MSD2共同构成了
对氯离子具有选择性的通道，通道最狭窄部位的直
径为 0.53－ 0.60nm，在正常情况下，被其他大的
阴离子或调节结构域 R阻断；当胞内氯离子浓度升
高激活了 cAMP 依赖的蛋白激酶最终可使通道打
开，通过这种方式而有效调节了通道的开闭。此
外，胞外的氯离子浓度也可以影响通道的门控，它
的浓度升高也可以促进通道的打开[6]。和其他ABC
蛋白不同的是 CFTR允许氯离子双向通透，而不是
定向转运[7]。两个MSD的部分氨基酸构成了对氯离
子的选择性运输，如带有正电荷 K 9 5、R 1 3 4、
R334、K335、R347和 R1030在物种间具有高度保
守性，它们的突变会影响到通道对氯离子的通透
性[2]，由于 CFTR完整结构还未阐明，因此对氯离
子的选择性分子机理也还未完全阐明。
CFTR的门控性则主要由两个NBD来调节，对
它们的研究则最为详细。NBD含有大量高度保守的
序列，每一个NBD结构域都含有一个保守的磷酸结
合环(被称为 P环或Walker A基序)，此外还含有保
守的Walker B基序和 LSGGQ基序，推测这些结构
域对于ATP的结合和水解发挥着重要作用[2]。
很早就发现ATP的结合是通道打开所必需的[4]，
ATP的结合和随后的水解有效的调节了通道的门
控，而最近研究发现 ADP可以抑制通道的打开[8]。
NBD1和NBD2都含有ATP结合结构域，同时具有
ATP酶活性，可以通过水解ATP的方式来驱动通道
的打开。在这个过程中需要大量ATP，但氯离子通
道主要介导的是氯离子的被动运输，因此不应该耗
费太多能量，研究人员最新发现NBD除了具有ATP
酶活性外，还具有腺苷酸激酶活性，腺苷酸激酶主
要催化ATP+AMP←→2ADP的反应，因此尽管需要
大量的ATP，但在生理条件下是腺苷酸激酶活性而
不是ATP酶活性主要调节了门控，因此并不耗费太
多能量 [ 9 ]。
那么两个NBD如何在ATP的驱动下实现对氯离
子通道的门控作用的呢？Kidd等[10]研究表明，当两
个结构域单独存在时，ATP酶活性较低，而只有
当两者形成二聚体才时可以有效增加酶活性，特别
是Vergani等[11]最近发现，当NBD1和NBD2独立存
在时，氯离子通道关闭，当形成紧密结合的二聚体
后氯离子通道打开，并且形成二聚体的过程需要
ATP，因此ATP驱动的两个NBD结构域的紧密二聚
体化是离子通道打开的前提[12]，从而实现将ATP水
解和通道的门控作用有机结合[13]。那么形成的二聚
体中两个结构域的功能是否相同呢？研究发现，两
个结构域都可以和ATP结合，但只有NBD2可以水
解ATP促使通道的打开，说明两个结构域通过各自
的机制完成了ATP水解和门控的偶联过程[14]。
相对于ABC家族的其他成员，CFTR是唯一已
图1　 CFTR型氯离子通道推测的结构模型[2]
M S D：跨膜结构域；N B D：核苷酸结合结构域；R：调
节结构域；P KA：cAM P 依赖的蛋白激酶
191第 2期 郭晓强：CFTR型氯离子通道研究进展
知含有调节结构域 R的分子，通过添加或去除磷酸
而和两个NBD结构域共同调节氯离子的跨膜运动。
结构域 R含有大量可被磷酸化的位点，如丝氨酸、
苏氨酸等，它们可以被蛋白激酶A(PKA)或蛋白激
酶 C(PKC)磷酸化，同时这些位点也受到磷酸酶的
调节，从而实现可逆磷酸化调节。当结构域 R中的
丝氨酸被磷酸化后，可以有效地促进两个NBD结构
域的二聚体化，同时还增加了它们对ATP的结合和
水解能力，从而调节了氯离子通道的门控[15]。
3　CFTR与 CF
CFTR氯离子通道是所有氯通道中唯一以疾病
命名的通道，在结构上属于 ABC家族，正常情况
下在多种腺体组织，如鼻腔、肺部、消化道的纤
毛细胞的质膜上表达[16]，其生理功能除了运输氯离
子调节细胞内外电荷平衡外，在一定程度上还参与
其他一些重要物质，如HCO3- 的运输，因此对于机
体的生理功能发挥具有重要作用。CFTR的基因突
变易影响蛋白质功能，从而导致囊性纤维化(cystic
fibrosis，CF)的形成(CFTR也就是由于这种疾病而
命名)，该疾病的症状和并发症包括气管相关疾
病、胰腺衰竭、胎粪性肠梗阻、男性不育和汗液
中盐浓度升高等。
引起 CFTR的结构变异的突变种类繁多，至今
已在CFTR相关疾病的患者中检测发现至少100种以
上的突变，主要类型有氨基酸删除、碱基点突变而
造成错义突变(氨基酸代替，种类最多)与无义突变
(翻译提前终止)、插入或删除 1到 2个碱基而引起
的移码突变，甚至还有大片段删除引起的蛋白质产
物异常，此外还有内含子的碱基突变(最常见的是
G-A突变)而造成外显子拼接错误而翻译出缺陷的蛋
白质，常见 CFTR突变情况归纳为表 1。
在这些突变中，F 5 0 8 单氨基酸删除最为常
见，大约占所有突变的 70%，这种突变引起蛋白质
异常折叠。当它们到达内质网进行加工时，内质网
相关的泛素连接酶复合物可以有效地识别F508删除
的 CFTR在第二个跨膜结构域的错误折叠结构，从
而将其降解[17]，因此 CFTR蛋白无法到达细胞膜形
成氯离子通道，即使少量到达细胞膜也无法有效打
开通道，从而造成氯离子运输严重障碍，因此这种
突变引起的后果也最为严重，是当前研究 CFTR突
变的主要类型。
CFTR调节的氯离子运输的同时还调节了钠离
子运输。上皮钠通道(epithelial sodium channel，
ENaC)的活性依赖于CFTR，并随着CFTR活性的增
表1　CFTR常见突变
突变类型 突变位置 备注
氨基酸删除 delta-F508，delta-I507， 字母代表氨基酸缩写，
　数字代表氨基酸位置
氨基酸代替 G85 E，G91 R，E92 K，Y10 9C，D11 0H，R1 17 H，L20 6W，F3 11 L， 前面为正常氨基酸缩写，
(错义突变) R334W，T338I，R347P，R347L，R347H，A349V，R352Q，Q359K 中间数字为突变氨基酸
同时 T360K，A445E，A455E，G458V，M470V，G48 0C，S49 2F， 　位置，后面为突变后
I506V，F508C，V520F，Q524H，S549N，S549I，S549R，G551S， 　的氨基酸
G551D，R55 3Q，A554E，I55 6V，A559T，R56 0T，R560K，Y56 3N，
P574H，G576A，D648V，S912L，Y913C，H949Y，L997F，L1065P，
R1066H，R1066C，A1067T，Q1071P，H1085R，T1220I，I1234V，
G1249E，S1251N，S1255P，D1270N，R1283M，F1286S，Q1291H，
N1303K，N1303H
蛋白质合成 E7X，W57X，E92X， Q493X，G542X，Q552X，R553X，K710X， 前面为正常氨基酸缩中
　提前终止 K716X，E827X，W846X，R851X，Q890X，W1089X，Y1092X， 　间数字为突变氨基酸
　(无义突变) R1158X，R1162X，W1204X，S1255X，W1282X，Q1313X，W1316X，　位置，X 代表终止
S1455X， 　
移码突变 556delA，557delT，936delTA，1078delT，1154insTC，1213delT， 数字代表碱基位置，in s
1215delG，1609delCA，1677delTA，2307insA，2423delG，2566insAT， 　表示插入，de l表示
2869insG，3293delA，3622insT，3659delC，3876delA，3898insC 　删除，后面的字母代
　表插入或删除的碱基
内含子碱基突变 第 3、1 0、1 2、1 3、1 6、1 9、2 0 个内含子发生 G - A 突变 　
影响外显子拼接
192 生命科学 第 19卷
加而增强，并且还发现 CFTR首先造成氯离子运输
缺陷随即还伴发了组织中的钠离子通道无法被激
活，这个发现解释了 CF患者中盐吸收减少不仅是
由于氯离子通透性降低，而且也由于钠离子的转运
也减少的缘故[18]。使用电生理实验证明两种离子通
道之间存在着协同作用，CFTR的激活引起的氯离
子运输增加也增强了钠离子通过 ENaC的能力[19]。
进一步研究发现，ENaC的激活需完整的CFTR的参
与，并且它的表达也依赖于CFTR的辅助，故CFTR
缺陷也必将导致上皮钠离子异常[20]。F508单氨基酸
删除引起 CFTR缺失将影响两种离子的运输而使电
解质平衡遭到破坏，引起许多器官，如肺部出现一
些较厚且黏度较高难以去除的黏液层，这些黏液层
易于细菌生存，从而出现慢性感染并损伤器官，肺
部疾病是 CF 患者发病率和死亡率高的主要原因，
大多数患者的寿命只有 30年左右。
随着对引起 CF的突变和机理的认识，为药物
治疗或基因治疗带来了希望，现在科学家正在针对
缺陷但功能并没有完全丧失的 CFTR进行离子通道
激活剂的纠正实验[21]，以寻找能够弥补缺陷离子通
道的试剂，从而为药物研制和开发提供理论支持。
当前的治疗研究可以分为两方面，一方面是小分子
药物的鉴定；另一方面是基因治疗方面的探索。
在小分子激活剂方面，姜黄素(curcumin)是研
究最多的一种。作为一种常用且毒性较小的内质网
钙泵抑制剂，姜黄素可以减少基因突变后的 CFTR
在加工过程中降解，从而增加膜上氯离子通道数
目，另外还增强了 cAMP介导的氯离子跨膜运输能
力，使 CF小鼠的症状得到改善[22-23]。遗憾的是，
其他小组却并未获得正向结果[24-25]，因此姜黄素在
CF治疗方面的效果还需进一步研究[26]。此外，其他
一些小分子，如α-1，2-糖苷酶的抑制剂miglustat[27]、
苯基甘氨酸[28]等也可能具有调节 CFTR的作用。
基因治疗是另外一种治疗 CF的有效方法[29]。
已经使用几种病毒载体和非病毒载体成功将 CFTR
基因转移到靶细胞，从而部分纠正 CF缺陷造成的
氯离子运输障碍，如一种缩短的腺病毒相关载体[30]，
但安全性及有效性还有待深入全面研究[31]。
4　研究展望
CFTR是一种重要的氯离子通道，它的缺陷引
起的 CF疾病在白人中的发病率较高，而我国则相
应较少，因此对其的机理和治疗研究相对较少，但
作为一种ABC蛋白家族的成员，研究它的功能和调
节机制，对相关蛋白质的研究有重要的帮助。随着
分子生物学和蛋白质结构研究方面的快速发展，
CFTR的整体结构和详细调节机制将会最终解决，
从而为这种特殊类型的氯离子通道(ABC家族)的深入
理解和CFTR相关疾病的有效治疗带来重大的帮助。
[参　考　文　献]
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钙离子通道A23187 诱导Hela细胞凋亡过程中钙调
磷酸酶对乙酰胆碱酯酶表达的调控
2007年 1月 26日，中科院上海生科院生化细胞所张学军研究组在 Biochimica et Biophysica Acta上在
线发表最新学术成果：钙离子通道A23187 诱导Hela细胞凋亡过程中钙调磷酸酶对乙酰胆碱酯酶表达的调
控。该论文对于深入了解凋亡细胞表达乙酰胆碱酯酶机制，干预细胞凋亡过程，有一定意义。
研究者们之前已经证明乙酰胆碱酯酶(AChE)在凋亡中有重要的作用，它的表达受到细胞内钙信号的调
控。最近的研究则证明，在A23187 诱导细胞凋亡的过程中，AChE的表达受到 calpain(一种胞质钙活化
半胱氨酸水解酶)和 calcineurin即钙调磷酸酶(一种钙依赖的磷酸酯酶)的调控。Calpain 的抑制剂 calpeptin和
calcineurin 的抑制剂FK506和环胞霉素A能够在mRNA水平和蛋白水平抑制AChE的表达，并且人AChE的
启动子活性也受到了抑制。相反的，过表达持续激活型 calcineurin能够显著地激活AChE的启动子活性。
进一步研究发现，一个 calcineurin的下游基因——转录因子NFAT(nuclear factor of activated T cells)在
钙离子通道诱导的凋亡过程中调控AChE启动子活性。在A23187处理的Hela细胞中，过表达人的NFATc3
和NFATc4能够上调AChE的启动子活性；过表达持续激活型的NFATc4能够在不依赖A23187的情况下激
活AChE的启动子活性。然而过表达显性失活型的NFAT阻断了A23187诱导的AChE启动子激活。这些结
果表明在凋亡过程中 calcineurin介导了AChE的表达。
摘自 http://www.sibcb.ac.cn
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