UMOD og nyresygdommenes arkitektur

Abstrakt

Identifikationen af ​​genetiske faktorer forbundet med risikoen, debuten og progressionen afnyre sygdomhar potentialet til at give mekanistisk indsigt ogterapeutiske perspektiver. På mindre end to årtier har teknologiske fremskridt givet en masse information om den genetiske arkitektur afkronisk nyresygdom. Spektret af genetisk påvirkning spænder fra (ultra) sjældne varianter med store effektstørrelser, involveret i Mendelske sygdomme, til almindelige varianter, ofte ikke-kodende og med små effektstørrelser, som bidrager til polygene sygdomme. Her gennemgår vi paradigmet forUMOD, genet, der koder for uromodulin, for at illustrere, hvordan et nyrespecifikt protein af stor fysiologisk betydning er involveret i et spektrum af nyrelidelser. Dette nye undersøgelsesområde illustrerer betydningen af ​​genetisk variation i patogenesen ogprognose for sygdom, medterapeutiske implikationer.

KLIK HER FOR AT KENDE CISTANCHE TIL BEHANDLING AF NYRESYGDOM

Med en estimeret global prævalens over 10 %, en høj individuel og samfundsmæssig byrde og begrænsede terapeutiske muligheder,kronisk nyresygdom(CKD) er et stort folkesundhedsproblem. Selv i de tidlige stadier er CKD forbundet med flere komplikationer og uønskede resultater, og det er en væsentlig risikofaktor for accelereretkardiovaskulær sygdomog aldring [15]. I årtier bremsede manglen på mekanistisk forståelse af de mange funktioner sikret af nyren udviklingen af ​​farmakologiske interventioner rettet mod CKD og dets associerede komplikationer [10, 32].

Den familiære klyngedannelse af nyresygdomme, den høje arvelighed af nyrefunktionsparametre og den variable modtagelighed af indavlede dyrestammer for nyreskade driver stærke bestræbelser på at dechifrere den genetiske arkitektur af nyresygdomme [5, 15, 37, 60]. De første genetiske gennembrud inden for nefrologi var kortlægningen af ​​autosomal dominant polycystisk nyresygdom (ADPKD) i 1985 [51] og identifikation af en mutation i COL4A5, der forårsagede Alports syndrom i 1990 [1]. Identifikation af gener involveret i klassiske glomerulære og tubulære sygdomme fulgte hurtigt, herunder steroid-resistent nefrotisk syndrom, nefropatisk cystinose, Dent sygdom, Bartter og Gitelman syndromer, nefrogen diabetes insipidus og ADPKD [10]. På mindre end to årtier førte fremkomsten af ​​nye teknologier, herunder næste generations sekventering (NGS) og genom-wide association studies (GWAS) til identifikation af hundredvis af gener, der forårsager arvelige nyresygdomme eller forbundet med nyrefunktionsmålinger og risiko for CKD . Til gengæld forbedrede disse indsigter vores forståelse af processer, der opererer i de normale og syge nefronsegmenter, hvilket giver nye terapeutiske mål [10, 60, 67]. Disse opdagelser blev gjort mulige takket være samarbejdsundersøgelser, der samler familier med sjældne lidelser og store, multietniske kohorter til opdagelsen af ​​henholdsvis sjældne og almindelige genetiske varianter. I denne korte gennemgang vil vi bruge paradigmet for genetisk variation i UMOD, genet, der koder for uromodulin - det mest udbredte protein i nyren og i normal urin - til at illustrere, hvordan genetiske tilgange har potentialet til at give indsigt i arkitekturen af ​​CKD . Disse undersøgelser involverede flere schweiziske kohorter, lige fra normal befolkning til sjældne sygdomme, og teknologisk udvikling støttet af det schweiziske nationale center for kompetencenyre. CH.

Spektret af allelfrekvens og effektstørrelse ved sygdom

Når den genetiske indflydelse på et specifikt aspekt af nyrefunktionen er blevet etableret, kan specifikke undersøgelser dechifrere den genetiske arkitektur af lidelser relateret til denne egenskab. Tre kriterier er vigtige, når man overvejer sygdomsassocierede allelvarianter: (i) hyppigheden af ​​varianten i populationen; (ii) effektstørrelsen af ​​varianten på fænotypen; og (iii) antallet af genetiske varianter, der virker på fænotypen [52]. Disse kriterier er klassisk repræsenteret på et X-Y-plot med prævalensen af ​​den genetiske variant på x-aksen og størrelsen af ​​dens effektstørrelse på y-aksen (fig. 1). Dette forhold visualiserer spektret af allel variation, der går fra (ultra-) sjældne varianter (mindre allel frekvens< 1°/00) with large effect size, involved in Mendelian disorders, to common variants (frequency>5%), med lille effektstørrelse involveret i almindelige, polygene lidelser [34]. Disse genetiske varianter kan identificeres ved hjælp af nye teknologier, herunder henholdsvis NGS og GWAS. Varianter med mellemeffekt, der ikke fanges af GWAS, men som er egnede til sekventeringstilgange, forventes at være en del af kontinuummet (fig. 1). Både befolkningsbaserede undersøgelser og sjældne sygdomskohorter er afgørende for en sådan genopdagelse.

SKIPOGH og CoLaus kohorter: arvelighed og GWAS undersøgelser

To populationsbaserede schweiziske kohorter gav uvurderlig støtte til undersøgelser, der undersøgte arveligheden af ​​nyrefunktionsparametre og rollen af ​​UMOD-variationer i CKD (fig. 2).

CoLaus-undersøgelsen ("Cohorte Lausannoise") er en langsgående, befolkningsbaseret kohorte, der blev påbegyndt i 2003 i byen Lausanne. CoLaus-deltagerne blev tilfældigt udvalgt fra den komplette liste over Lausanne-indbyggere i 2003 [16]. Inklusionskriterier var (i) skriftligt informeret samtykke; (ii) alder 35-75 år; (iii) villighed til at deltage i undersøgelsen og donere en blodprøve; og (iv) kaukasisk oprindelse. Ved udgangen af ​​rekrutteringen i 2006 omfattede baseline CoLaus-datasættet 6538 deltagere (deltagelsesrate: 34%). Deltagerne blev først set fra 2003 til 2006, derefter fulgt op fra 2009 til 2012, 2014 til 2017 og 2018 til 2021. Ved alle fire besøg deltog deltagerne i en morgenlægeundersøgelse på Lausanne Universitetshospital efter en overnatningsfaste, som omfattede en blodprøvetagning, vurdering af antropometriske træk og udfyldelse af et detaljeret sundhedsspørgeskema, der spørger om livsstilsfaktorer, socioøkonomisk og civil status, personlig og familiehistorie med sygdom, samt medicinindtag [39]. CoLaus-projektet omfatter en række "delundersøgelser", der sigter mod at udforske specifikke sundhedsrelaterede resultater og miljøeksponeringer (https://www.colaus-psycolaus.ch/).

Fig. 1 Sygdoms genetiske arkitektur: spektrum af allelfrekvens og effektstørrelse. Varianter i vigtige gener kan være involveret i et kontinuum mellem sjældne og komplekse sygdomme, alt efter risikoallelfrekvensen i populationen (x-aksen) og styrken af ​​effektstørrelsen (oddsforhold, y-aksen). (Ultra)-sjældne alleler kan identificeres ved næste generations sekventering (NGS), hvorimod almindelige varianter kan identificeres ved hjælp af genom-wide association studies (GWAS). Effektvarianter i mellemstørrelse forudsiges at fuldføre dikotomien, der manifesterer sig som en ikke-fuldt penetrerende Mendelsk sygdom eller en oligo/polygen model, der modificerer sygdomsekspressiviteten. Figur tilpasset fra Manolio et al. [34]

Fig. 2 Infografik, der opsummerer designet af de CoLaus- og SKIPOGH-populationsbaserede undersøgelser

Det schweiziske nyreprojekt om gener i hypertension (SKIPOGH) er en familie- og befolkningsbaseret kohorte, der undersøger de genetiske og miljømæssige determinanter for nyrefunktion og blodtryk. SKIPOGH er et multicenter, longitudinalt studie med deltagere rekrutteret i byen Lausanne og kantonerne Genève og Bern [46, 49]. Ved starten blev kvalificerede forsøgspersoner tilfældigt udvalgt fra det befolkningsbaserede CoLaus-studie i Lausanne og fra det befolkningsbaserede Bus Santé-studie i Genève [26]. I Bern blev emner tilfældigt udvalgt ved hjælp af den kantonale telefonbog. Inklusionskriterier var (i) skriftligt informeret samtykke; (ii) mindst 18 år gammel; (iii) europæisk afstamning; og (iv) mindst et, og ideelt set tre, første grads familiemedlemmer, der er villige til at deltage i undersøgelsen. Deltagelsesprocenten var 20 % i Lausanne, 22 % i Genève og 21 % i Bern. Den første SKIPOGH-bølge fandt sted mellem 2009 og 2013 (baseline: SKIPOGH 1), mens den anden bølge begyndte i 2012 og sluttede i 2016 (opfølgning: SKIPOGH 2). SKIP-OGH 1 inkluderede 1128 deltagere fra 273 kernefamilier. Ved begge bølger deltog undersøgelsens deltagere i et lægebesøg om morgenen efter en faste natten over, som omfattede blodprøvetagning, nyrebilleddannelse, hjerteevaluering og biobanking. Deltagerne udfyldte et detaljeret spørgeskema om deres sygehistorie, medicinindtag, livsstilsfaktorer og socioøkonomiske karakteristika (http://www.skipo gh.ch/index.php/Welcome_to_the{{ 24}}SKIPOGH_undersøgelse!).

Estimering af det relative bidrag af genetiske og miljømæssige påvirkninger på nyrefunktionsparametre og serum- og urinelektrolytniveauer er en forudsætning for undersøgelser, der sigter mod at identificere gener involveret i nyrefunktionen. Takket være anvendelsen af ​​en standardiseret protokol på tværs af flere centre, arveligheden (dvs. andelen af ​​varians af en given egenskab forklaret af genetiske effekter) af estimeret glomerulær filtrationshastighed (eGFR) samt af serum- og urinkoncentrationer, renale clearances, og fraktioneret udskillelse af større elektrolytter kunne analyseres i den familiebaserede SKIPOGH-kohorte [37]. Høje arvelighedsestimater blev observeret for GFR estimeret ved hjælp af CKD EPI Eq. (46±6%), serumkreatinin (49±6%), CKD-EPI cystatin C (58±5%) og serumurinstof (49±6%). Arveligheden af ​​serumkoncentrationer var højest for calcium, 37%, og lavest for natrium, 13%. Alle sandsynlighedsværdier var signifikante. Disse resultater gav grundlag for yderligere undersøgelser af det genetiske grundlag for nyrefunktion og elektrolythomeostase i den generelle befolkning.

Ud over arvelighedsundersøgelserne blev data fra deltagere i SKIPOGH- og/eller CoLaus-kohorterne inkluderet i GWAS, som identificerede nye loci for nyrefunktion og CKD [70], uromodulinproduktion og -udskillelse [29, 40], albuminuri [58, 59 ], serumuratniveauer [61], magnesium- og calciumhomeostase [6, 7] og osmoregulering [3].

UMOD-varianter i GWAS til nyrefunktion og CKD

Genom-dækkende associationsstudier er et nyttigt, objektivt værktøj til at afdække genomiske regioner ("loci") forbundet med nyrefunktionsparametre og risiko for CKD. Typisk kræver GWAS store prøvestørrelser, hvilket giver betydning for genomet (P-værdi<5× 10−8) variants that are common and associated with a relatively small increase in disease risk [69]. The largest GWAS in the field of nephrology addressed traits like the eGFR based on serum creatinine (eGFRcrea) [13, 69, 70]. As discussed above, there is a strong genetic predisposition to CKD, as the heritability of the eGFR is close to 50% [37]. The largest and most recent GWAS for eGFR identifed>250 genetiske loci og forklarede næsten 20% af denne arvelighed [70]. Blandt disse viser varianter i UMOD-locus den største effektstørrelse på eGFR og CKD [70]. Denne effekt, der menes at være forbundet med den genetisk drevne ekspression af uromodulin (se nedenfor), er konsistent på tværs af forskellige etniske grupper og observeres også for langsgående træk, herunder hurtig nedgang af eGFR [23].

UMOD-locuset inkluderer enkeltnukleotidpolymorfier (SNP'er; f.eks. rs12917707 og rs4293393), der er i fuldstændig koblingsuligevægt (LD) i en stor blok, der omfatter genpromotoren. For disse SNP'er er "risiko"-allelen den almindelige allel, med en frekvens i området mellem 0.765 og 0.955 [65]. Kritisk er UMOD-promotorvarianterne forbundet med ekspressionen af ​​uromodulin i nyrerne og dets niveauer i urin og blod. Faktisk har homozygote bærere af UMOD-risikoallelen to gange højere niveauer af uromodulin i urinen sammenlignet med homozygote bærere af den (mindre) beskyttende allel [29, 40, 64]. Seneste GWAS for eGFR identificerede et stærkt, uafhængigt signal i PDILT, genet der flankerer UMOD på kromosom 16 [70]. Af interesse er PDILT-intronvarianten rs77924615 forbundet med uromodulin-urinniveauer, men ikke med ekspressionen af ​​PDILT, hvilket tyder på, at den regulerer uromodulin-ekspression [70]. Denne hypotese understøttes af den uafhængige association af rs77924615 med urin-uromodulinniveauer i to meta-GWAS [29, 40]. De mulige forbindelser mellem uromodulin-ekspression, som er blevet eksperimentelt valideret for UMOD-PDILT-varianter, og andre transkripter korreleret med varianter i samme locus er ikke blevet undersøgt [31].

UMOD-locuset er også blevet forbundet med hypertension og hændelig kardiovaskulær sygdom [44], nyresten [25] og gigt/urinsyre [25, 61], hvilket styrker dets betydning for en række almindelige sygdomme. I disse GWAS er UMOD-allelerne forbundet med højere uromodulin-ekspression/-niveauer forbundet med en øget risiko for CKD, hypertension og hyperurikæmi, mens de er beskyttende mod nyresten [11, 53].

Den biologiske relevans af UMOD-locuset for CKD

Relevansen af ​​UMOD GWAS-locuset i forhold til nyrefunktionen er umiddelbar, da UMOD er ​​et nyrespecifikt gen, der koder for uromodulin, det mest udbredte protein udtrykt i nyren og udskilt i normal urin [11, 13, 53]. Uromodulin produceres hovedsageligt af det tykke opadstigende lem (TAL) i Henles løkke og i mindre grad (ca. 10 %) i det indledende segment af den distale viklede tubuli (DCT) [63]. Uromodulin er et glycosylphosphatidylinositol (GPI)-forankret protein, der tilhører familien af ​​zona pellucida (ZP) domæneproteiner (fig. 3). Proteinet er stærkt glycosyleret (30 % af Mw), og det indeholder 48 konserverede cysteinrester involveret i 24 intramolekylære disulfidbindinger, der er nødvendige for korrekt foldning. Uromodulin indeholder fire epidermal vækstfaktor (EGF)-lignende domæner, et cysteinrigt domæne (D8C) og et todelt ZP-domæne, der tillader proteinpolymerisering. I TAL-celler spaltes det apikale membranbundne monomere uromodulin af serinproteasen hepsin på et konserveret spaltningssted, der er placeret nær proteinets C-terminal [4, 42]. Spaltningen tillader polymerisering af ekstracellulært uromodulin til filamenter, der danner en matrixlignende struktur i urinen, hovedbestanddelen af ​​urinafstøbninger [56]. For nylig blev den tredimensionelle (3D) struktur af native urin-uromodulin-polymerer opnået ved kryo-elektrontomografi, der viser en zigzag-formet rygrad dannet af polymeriserede ZP-domæner og udragende arme sammensat af EGF- og D8C-domænerne [68]. Kortlægning af N-glykosylering, biofysiske assays og billeddannelse afslørede, at uromodulin binder Escherichia coli type 1 pilus-adhæsin, og at uromodulin-filamenter associerer med uropatogener og medierer bakteriel aggregering, hvilket potentielt forhindrer adhæsion og fremmer clearance af patogenerne [68]. Nylige undersøgelser belyser også reguleringen af ​​uromodulin-udskillelse i urinen, herunder en rolle, som den calcium-sensing receptor [62] og type 1-keratinet KRT40 [29] spiller og aktiviteten af ​​transportprocesser, der opererer i TAL [50 , 54, 62].

Hvis langt størstedelen af ​​uromodulin er apikalt målrettet til at danne organiserede polymerer i urinen, skal det bemærkes, at uromodulin også påvises i monomer form i serum, ved niveauer, der er mindst 100-fold lavere end i urinen [11, 53]. Mekanismerne, der regulerer den basolaterale handel med uromodulin og dets frigivelse til interstitium og videre ind i cirkulationen, forbliver i det væsentlige ukendte. En nylig meta-GWAS af cirkulerende uromodulin ved brug af forskellige detektionsmetoder afslørede, at en missense-variant (p.Cys466Arg) i det uromodulin-glycosylerende enzym B4GALNT2 var en funktionstabsallel, der førte til højere serum-uromodulin-niveauer, mens andre loci påvirker glycosyleringen af cirkulerende uromodulin [33]. Den nuværende opfattelse er, at interstitiel uromodulin kan krydstale med proksimale tubuliceller, hvilket bidrager til at regulere medfødt immunitet, hvorimod cirkulerende uromodulin kan fungere som en antioxidant [53].

Undersøgelser i uromodulin knock-out (Umod-/−) mus har givet nøgleindsigt i uromodulins roller og dets relevans for forskellige processer, der opererer i nyren. En detaljeret beskrivelse af disse roller er givet i de seneste anmeldelser [11, 53]. Kort fortalt beskytter uromodulinpolymerer i urinen mod dannelse af nyresten og urinvejsinfektioner (UTI'er); uromodulin regulerer natriumtransportsystemer i TAL og DCT og regulerer således blodtryk og urinkoncentrationsevne; det stabiliserer TRPV5-, TRPV6- og TRPM6-kanalerne og øger dermed deres aktivitet i DCT. Den lille mængde uromodulin, der frigives fra den basolaterale side af TAL-cellerne ind i interstitium, kan regulere processer i nærliggende proksimale tubuliceller og bidrage til den medfødte respons, f.eks. ved at regulere mængden og aktiviteten af ​​residente mononukleære fagocytter, eller komme ind i kredsløbet og fungere som et antioxidantmolekyle [53]. Alle disse processer er relevante, når man overvejer begyndelsen af ​​CKD, tubulointerstitiel skade og de komplikationer, der opstår som følge af nyresvigt.

Fig. 3 Produktionssted og struktur af uromodulin. Uromodulin produceres hovedsageligt af cellerne, der beklæder det tykke opstigende lem (TAL), et segment, der er involveret i reabsorptionen af ​​NaCl og divalente kationer, mens det ikke er gennemtrængeligt for vand. Uromodulin er et glycosylphosphatidylinositol (GPI)-forankret protein, som transporteres til cellernes apikale membran, hvor det spaltes af serinproteasen hepsin og frigives i urinen, hvor det danner store polymerer. Disse polymerer danner matrixen af ​​urinafstøbninger. Den forudsagte struktur af uromodulin indeholder et lederpeptid (L); fire EGF-lignende domæner (I til IV); et cysteinrigt D8C-domæne; et todelt C-terminalt Zona Pellucida-domæne (ZP_N og ZP_C) forbundet med en linker; og et GPI-forankringssted ved position 614. De syv N-glycosyleringssteder er angivet med trekanter. Figur tilpasset fra Devuyst et al. [11, 12]

The association of uromodulin expression levels with kidney damage was substantiated in a transgenic mouse model overexpressing wild-type uromodulin, mimicking the situation observed in carriers of the risk UMOD haplotype [65]. The transgenic Umod mice displayed a dose-dependent increase in systolic blood pressure, with salt-sensitive hypertension. Although kidney function remained normal, aging kidneys from the Umod transgenic mice showed focal lesions (e.g., tubular casts, cysts) and increased expression of kidney damage markers (e.g., lipocalin-2, Kim-1) and chemokines, that were not detected in the kidneys of control littermates. Similar focal lesions were evidenced in kidney biopsies from individuals aged>65 år homozygot for risikoen UMOD haplotype sammenlignet med individer homozygote for beskyttende varianter [65]. Sammen tyder disse resultater på, at hos forsøgspersoner, der bærer UMOD-risikoalleler, bliver genetisk drevet højere produktion af uromodulin skadelig over tid, hvilket fremmer starten af ​​CKD. Den skadelige effekt af højere uromodulinproduktion i nyrerne kan skyldes øget metabolisk efterspørgsel, kronisk aktivering af saltreabsorptionssystemer eller defekter i lumen af ​​distale tubuli eller i kredsløbet, hvilket forklarer hvorfor disse loci er forbundet med en stærk alders- effekt [11, 13]. Det skal bemærkes, at UMOD-risikovarianterne forbundet med højere uromodulinniveauer også er forbundet med aktiveret NKCC2 og dermed en højere respons på furosemid [65]. Et klinisk forsøg, der tester den potentielle indflydelse af disse UMOD-varianter på responsen på loop-diuretika hos personer med hypertension, er i gang (Clinical Trials.gov Identifier: NCT03354897).

Understøttende service:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf:+86 15292862950

Butik:

https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop