WFS1

WFS1 on inimese neljandas kromosoomis asuv geen, mille pealt toodetakse valku nimega volframiin. Volframiin on endoplasmaatilise retiikulumi (ER) transmembraane glükoproteiin, mis reguleerib rakkude kaltsiumitasakaalu. 

Mutatsioonid WFS1 geenis viivad defektse volframiini tootmiseni ning vale funktsiooniga valk ei ole võimeline enam kaltsiumitasakaalu reguleerima. Tulenevalt soovimatutest muutustest kaltsiumiregulatsioonis, kaasneb sellega ER-i stress, mis lakkab õigesti talitlemast ja see tapab raku. Raku surm võib järgneda pärast seda, kui kokkupakkimata valgud annavad edasi signaali raku apoptoosiks. On leitud, et kaltsiumitasakaalu häiritusest tingitud apoptoos avaldub eriti tugevasti kõhunäärme beetarakkudes, mis toodavad insuliini ja mille kadu tekib organismis diabeeti. Beetarakkudes on volframiini ekspressioon väga kõrge ja seepärast mõjutab neid funktsionaalse valgu puudumine kõige tugevamalt.

WFS1 geeni ekspressioon on kõige tugevam ajus, kõhunäärmes (beetarakkudes) ja südames. 

Selle geeni sünonüümideks on DFNA14, DIDMOAD, WFRS, WFSL, CTRCT41, DFNA6, WFS ja DFNA38.

WFS1 geeni mutatsioonist tulenevat haigust nimetatakse Wolframi sündroomiks, mille esmaseks tunnuseks on diabetes mellitus ning nägemisnärvi atroofia. Hiljem avalduvad diabetes insipidus, kuulmisnärvi degeneratsioon ning lõpuks neuroloogilised haigused.

Geeni asukoht

WFS1 asub inimese 4. kromosoomi väikese õla positsioonis 16.1 ning tema molekulaarne asukoht on aluspaaride 6260368 ja 6303265 vahel. Seega on see geen 42897 aluspaari pikk. Geen on konserveerunud paljudes organismides. Tema homolooge võib leida näiteks nii šimpansis, reesusmakaakides, koeras, veises, koduhiires, rändrotis, konnas, sebrakalas, äädikakärbses, sääses ja kanas.

Valgu struktuur

Volframiin koosneb 890 aminohappest omades massi umbes 100 kD. See on tüüp II membraanne valk, millel on üheksast helikaalsest transmembraansest ehk membraaniläbivast segmendist koosnev hüdrofoobne domeen (aminohapped 330–650) ning hüdrofiilsed N- ja C-terminaalsed otsad.

Transmembraanne valk läbib täielikult bioloogilisi membraane. Need valgud käituvad kui avaused, mida mööda laetud või laenguta ioonid saavad rakus sisse ja välja liikuda. See leiab aset siis, kui valgud muudavad oma konformatsiooni. Sellistel valkudel on kolm domeeni: kaksikkihi domeen, rakuväline domeen (ekstratselluraalne domeen) ja rakusisene domeen (intertselluraalne domeen). Kuigi rakumembraan on suhteliselt vedelas olekus, ei muuda seal sees olevad valgud oma orientatsiooni. Põhjus on selles, et transmembraansed valgud on väga suured ning neil pole võimalust oma asukohta muuta. Seega on rakuvälise transmembraanse valgu domeen alati väljaspool rakku ning sisemine domeen alati raku sees.

Rakuvälisel domeenil on retseptorid, mis interakteeruvad vastava iooniga. Volframiinil on selleks kaltsiumioon. Kui ioon seondub retseptoriga, muudab valk oma kuju ning tänu sellele saab ioon rakku siseneda. Sellest tulenevalt on transmembraansed valgud väga olulised rakkude omavahelises kommunikatsioonis.

On olemas nelja tüüpi transmembraanseid valke. Tüüp I, II ja III on ühekordse läbivusega (läbivad membraani vaid korra) molekulid ning tüüp IV on mitmekordse läbivusega, liikudes sisse ja välja, läbides membraani seega mitu korda. Transmembraansetel valkudel on C-terminus ja N-terminus. WFS1-lt toodetav volframiin on teist tüüpi transmembraanne valk, mille N-terminus on tsütosooli poole ning tema C-terminus on ER-i luumeni poole.

Geeni transkriptid

WFS1 geenil on 6 transkripti (mRNA), millest 3 on valku kodeerivad. Ülejäänud kolm tranksripti valku ei kodeeri. Primaarsel transkriptil WFS1_001 on 8 eksonit, millest 7 kodeerivad valku. Selle transkripti pikkus on 3640 aluspaari ning kodeeritava valgu pikkus on 890 aminohapet. Teine valku kodeeriv transkript on WFS1_008, millel on samuti 8 eksonit ja 7 neist kodeerivad valku. Transkripti pikkus on 3255 aluspaari ja kodeeritava valgu pikkus on 890 aminohapet. Kolmas transkript, mis valku kodeerib, on WFS1_007. Sellel on 5 eksonit, millest kõik kodeerivad valku. Transkripti pikkus on 755 aluspaari ja kodeeritava valgu pikkus 252 aminohapet. Primaarselt transkriptilt transleeritud valk ongi volframiin. Ülejäänud kahe transkripti valkude funktsioon ei ole veel täiesti kindel..

Funktsioon ja ekspressioon

Volframiin seondub valikuliselt valkudega, kontrollides nende aktiivsust. On teada, et ta seondub mittekovalentselt ATPaasiga ja kontrollib selle tööd.

Kõige põhilisem volframiini funktsioon on osaleda rakkude kaltsiumiregulatsioonis. Volframiin kontrollib endoplasmaatilises retiikulumis olevat kaltsiumivaru. Väga oluline on tasakaalustatud kaltsiumiioonide ringlemine rakust sisse ja välja. Lisaks on kaltsium tähtis ka valkude kokkupakkimisel endoplasmaatilises retiikulumis. Väga paljud šaperonid on kaltsiumist sõltuvad. Kui kaltsiumi tase langeb, põhjustab see ER-i valkude valet kokkupakkimist, viies ER-i stressiolekusse ja põhjustades sellega raku surma. Õigesti funktsioneeriv volframiin kaitseb ER-i stressi vastu. On leitud, et volframiini ekspressioonist tulenev kaltsiumitasakaalu regulatsioon on eriti oluline sisekõrvas ning valgu defitsiidi puhul võib areneda kurtus, mis on üks Wolframi sündroomi tunnuseid.

Volframiin osaleb ka ioonkanalite regulatsioonis ning valkude endoplasmaatilisest retiikulumist välja transportimises. Lisaks on eksperimentaalselt tõestatud, et volframiin interakteerub Na+/Ka+ ATPaasi beeta-subühikuga, mille ekspressioon langeb või avaldub see defektselt, kui volframiin puudub. K+/Na+ ATPaas on väga oluline ensüüm, mis hoolitseb kaaliumi ja naatriumi tasakaalu eest ning säilitab membraanipotentsiaali. Vigane ATPaas viib membraanipotentsiaali tasakaalust välja ja rakk sureb. Seda on seostatud närvirakkude degeneratsiooniga Wolframi sündroomis.

Sellegipoolest on volframiini veel vähe uuritud ning kõiki tema funktsioone pole avastatud.

Eksperimentaalsetest tulemustest roti ajuga nii valgu kui mRNA tasemel on leitud, et WFS1 ekspresseerub kõige rohkem sellistes aju osades nagu hipokampus (CA1 regioonis), mandeltuum, haistmisköbruke ja allokorteks.

Tavaline WFS1 ekspressioon toimub kõige enam kõhunäärme saarekestes (Langerhansi saarekesed), neerutorukestes, trofoblastides, seemnetorukestes ning Purkinje rakkudes.

WFS1 ja Wolframi sündroom

Mutatsioonid WFS1 geenis tekitavad autosomaalset retsessiivset neurodegeneratiivset haigust, mida kutsutakse Wolframi sündroomiks. Põhilised kliinilised tunnused on diabetes insipidus, diabetes mellitus, nägemisnärvi atroofia ja kurtus. Haigus avaldub lastel juba väga noores eas ning progresseerub vananedes.

Neuroloogilised ja psühhiaatrilised probleemid arenevad umbes 60% Wolframi sündroomiga inimestel. Kõige levinumad probleemid on seotud tasakaalu ja koordinatsiooniga (ataksia). Neuroloogilised probleemid arenevad enamasti täiskasvanueas. Samuti esineb mõnedel inimestel hingamisraskusi (apnea), lõhnataju kadumist, lihasspasme ja tundlikkuse kadu jäsemetes (perifeerne neuropaatia). Lisaks on ka veel kognitiivseid kõrvalkaldeid. Psühhiaatrilised haigused hõlmavad psühhoosi, rasket depressiooni, impulsiivsust ja agressiivset käitumist.

Siiamaani on identifitseeritud umbes 100 erinevat mutatsiooni, mis kõik võivad põhjustada Wolframi sündroomi. Mõned mutatsioonid kustutavad või sisestavad DNA-d WFS geenis. Tulemuseks on volframiini defitsiit rakkudes. Teised mutatsioonid aga võivad vahetada aminohappeid, mis hoolitsevad volframiini tootmise eest. Samuti võivad toimuda muutused valgu 3D struktuuris.

Homosügootne autosomaalne retsessiivne mutatsioon WFS1 geenis tekitab Wolframi sündroomi, kuid heterosügootne dominantne mutatsioon seda sündroomi ei tekita. Selle asemel areneb väikese sagedusega sensoorneuraalne kuulmiskadu. See tähendab, et Wolframi sündroomi arenemiseks peavad inimesel olema muteerunud mõlemad geeni WFS1 koopiad.

WFS1 ja CSID2 geenide seos

On olemas kahte tüüpi Wolframi sündroomi: tüüp 1 ja tüüp 2. Mõlemad on autosomaalsed (ehk geen asub mittesugukromosoomis) ja retsessiivsed (ehk ainult ühe muteerunud geeni omamisest ei piisa haiguse avaldumiseks). Esimest tüüpi Wolframi sündroom on põhjustatud mutatsioonidest WFS1 geenis, kuid teist tüüpi sündroom on põhjustatud mutatsioonidest CSID2 geenis. See geen toodab CSID2 valku, mis asub mitokondrite välismembraanis, kuid selle valgu täpne funktsioon on teadmata. Arvatavasti aitab ka see mitokondritel normaalselt funktsioneerida. Kui CSID2 valk on defektne, lähevad mitokondrid apoptoosi ning seega raku energiavarud vähenevad. Lõpuks rakk sureb.

Samuti on WFS1 ja CSID2 vahel fenotüüpilised erinevused. Teist tüüpi Wolframi sündroomi patsientidel pole diabetes insipidust, kuid neil esineb mao ja soolte haavandeid ning vere hüübimise aeglustumist. Eksperimentaalselt on tõestatud, et mutatsioonid WFS1 geenis mõjutavad raku kaltsiumitasakaalu. Sama kehtib ka muteerunud CSID2 kohta, millest võib järeldada, et ER-i kaltsiumikontsentratsiooni tasakaalu tagamiseks on samuti oluline CSID2 geenilt kodeeritav valk.

Wolframi sündroomi sagedus maailmas

Wolframi sündroomi esinemine annab aimu muteerunud geeni esinemissagedusest ja levimusest maailmas. Wolframi sündroomi esineb vahemikus ühel inimesel 100 000-st kuni ühel inimesel 700 000-st. See hinnang baseerub optilise atroofia ja diabeedi vaatlemisel.

Ühte defektset WFS geeni kannab umbes üks inimene 350-st.

Teaduslikes artiklites on kirjeldatud umbes 200 Wolframi sündroomi juhtumit. 

WFS2 tüüpi Wolframi sündroomi on kirjeldatud vaid üksikutel perekondadel Jordaanias.

Viited

Geenid