Ewoluująca historia nefropatii apolipoproteiny L1: koniec początku

Streszczenie|Warianty kodu genetycznego w APOL1, który koduje apolipoproteinę L1 (APOL1), zidentyfikowano w 2010 roku i są stosunkowo powszechne wśród osób pochodzenia z Afryki Subsaharyjskiej. Około 13% Afroamerykanów jest nosicielami dwóch alleli ryzyka APOL1. Warianty te, zwane G1 i G2, są częsteprzyczyną choroby nerek– zwana nefropatią APOL1 – która zwykle objawia się ogniskową segmentową stwardnieniem kłębuszków nerkowych i klinicznymzespół nadciśnieniaIstwardnienie tętnic. Badania na hodowlach komórkowych sugerują, że warianty APOL1 powodują dysfunkcję komórek poprzez kilka procesów, w tym zmiany w aktywności kanałów kationowych,aktywacja inflamasomu,zwiększone napięcie siateczki śródplazmatycznej, aktywacja kinazy białkowej R,dysfunkcja mitochondriów, Izakłócenie ubikwitynylacji APOL1. Ryzyko nefropatii APOL1 ogranicza się głównie do osób z dwoma wariantami ryzyka APOL1. Jednakże tylko u mniejszości osób z dwoma allelami ryzyka APOL1 rozwija się choroba nerek, co sugeruje potrzebę „drugiego trafienia”. Najlepiej poznanym czynnikiem odpowiedzialnym za to „drugie trafienie” jest przewlekła infekcja wirusowa, szczególnie wirus HIV-1, powodująca aktywację promotora APOL1 za pośrednictwem interferonu, chociaż większość osób z nefropatią APOL1 nie ma oczywistego kofaktora. Obecne metody leczenia nefropatii APOL1 nie są wystarczającezatrzymać postęp przewlekłej choroby nerek, Inowe ukierunkowane terapie molekularnesą w fazie badań klinicznych.

NOWY preparat ziołowy na choroby nerek

Od czasu jej odkrycia w 1997 r. wysiłki badawcze ujawniły wieloaspektową naturę apolipoproteiny L1 (APOL1), a przede wszystkim jej wpływ na adaptację dochoroby pasożytniczeipatogeneza chorób nerek. Odkrycie wariantów APOL1 w 2010 roku poprawiło naszą wiedzę na temat nieproporcjonalnego rozpowszechnienianiecukrzycowe choroby nereku osób o pochodzeniu z Afryki Subsaharyjskiej1,2. Po zwycięstwie aliantów pod El Alamein w 1942 r. Winston Churchill powiedział: „To nie koniec. To nawet nie jest początek końca. Ale być może jest to koniec początku”. Teraz, około dziesięć lat po odkryciu wariantów ryzyka APOL1, być może dotarliśmy do końca początku naszego zadania zrozumienia spektrum i mechanizmów nefropatii APOL1. Jednak dopiero teraz rozpoczynamy poszukiwania skutecznych metod leczenia.

Genotypy ryzyka APOL1, zdefiniowane przez allele ryzyka G1 i G2, są nieobecne w populacjach bez afrykańskiego pochodzenia i prawdopodobnie wyewoluowały, aby chronić nosicieli w Afryce Zachodniej przed śpiączką afrykańską. Rozproszenie ludności z Afryki Zachodniej i Środkowej do obu Ameryk i na wyspy karaibskie w wyniku transatlantyckiego handlu niewolnikami i niedawnej migracji doprowadziło do globalnej dystrybucji wariantów APOL14,5. Allele te są zatem powszechne wśród Afroamerykanów, a łączna częstość występowania alleli wynosi około 34%6,7. Związek między wariantami APOL1 a funkcją nerek nie jest w pełni poznany. Obserwacja, że ​​funkcjonalny (niepseudogenizowany) gen APOL1 występuje tylko u kilku gatunków naczelnych w Afryce oraz identyfikacja osobnika zerowego APOL1-z prawidłową czynnością nerek sugeruje, że gen ten nie jest wymagany do prawidłowego funkcjonowania nerek8,9 . Z tej perspektywy warianty kodujące APOL1 związane z chorobą nerek wydają się reprezentować warianty „nabycia dysfunkcji”8,10. Zatem dobór naturalny w populacjach Afryki Subsaharyjskiej prawdopodobnie ukształtował to miejsce, równoważąc korzystny wpływ wariantów na odporność trypanosomalną ze szkodliwym wpływem na czynność nerek11. Oprócz wpływu na pierwotne choroby kłębuszkowe, te warianty genetyczne mogą również modyfikować wyniki w innych stanach nerek i pozanerkowych, takich jak alloprzeszczepy nerki, choroba wieńcowa, kardiomiopatie i stan przedrzucawkowy12–15.

W niniejszym przeglądzie podsumowano wnioski wyciągnięte z badań prowadzonych w ciągu ostatniej dekady na temat roli wariantów APOL1 w chorobie nerek oraz przedstawiono kontekst dla odkryć, które mają pojawić się w nadchodzących latach. Opisujemy główne aspekty bazy wiedzy APOL1, w szczególności koncentrując się na ustaleniach najbardziej istotnych dla nefrologii, z naciskiem na nasze zrozumienie genetyki, struktury białek i funkcji biologicznych wariantów APOL1 oraz ich powiązań z chorobami układu krążenia i nerek.

Kluczowe punkty

• W przeciwieństwie do innych członków rodziny APOL, którzy są głównie wewnątrzkomórkowi, APOL1 zawiera unikalny peptyd sygnałowy wydzielniczy, co powoduje jego wydzielanie do osocza.

• Allele ryzyka nerkowego APOL1 chronią przed afrykańską trypanosomatozą u ludzi, ale stanowią czynnik ryzyka postępującej choroby nerek u osób noszących dwa allele ryzyka.

• Częstotliwość alleli ryzyka APOL1 wynosi ~35% w populacji Afroamerykanów w Stanach Zjednoczonych, przy czym ~13% osób ma dwa allele ryzyka; Najwyższą częstość alleli stwierdza się w populacjach Afryki Zachodniej i u ich potomków.

• Modele komórkowe i mysie wskazują na dysfunkcję endolizosomów i mitochondriów, zmienioną aktywność kanałów jonowych, zmienioną autofagię i aktywację kinazy białkowej R w patogenezie choroby nerek związanej z APOL1-; jednakże znaczenie tych dróg urazów dla chorób u ludzi nie zostało rozstrzygnięte.

• Choroba nerek APOL1 ma tendencję do postępującej choroby, a obecne standardowe terapie są na ogół nieskuteczne; Ukierunkowane strategie terapeutyczne są najbardziej obiecujące.

Białko APOL1

W 1997 roku badacze próbujący zidentyfikować składniki białkowe lipoprotein zawierających ApoA1- – obecnych w cząsteczkach lipoprotein o dużej gęstości (HDL) – wyizolowali nowe białko, które nazwano ApoL16. Cztery lata później opisali trzech dodatkowych członków rodziny APOL, ApoL I – IV (obecnie nazywany APOL 1–4). Rodzina APOL rozszerzyła się dalej w 2001 r., kiedy dwie grupy sklonowały klaster genów APOL na chromosomie 22, który koduje również APOL5 i APOL6 (ref. 17, 18). Chociaż niektórzy badacze w dalszym ciągu używają „ApoL”, zgodnie z terminologią białkową z dziedziny lipoprotein, w tym przeglądzie używamy nazewnictwa i stylu zalecanego przez Komitet Nomenklatury Genów HUGO dla ludzkich białek (APOL) i genów (APOL) 17.

RNA APOL1 ulega ekspresji w wielu tkankach18. APOL1 jest wyjątkowy wśród genów APOL pod względem kodowania peptydu sygnału wydzielniczego, co powoduje wydzielanie APOL1 do osocza (ryc. 1a). Jednakże APOL1 jest obecny u ludzi i kilku naczelnych Starego Świata, ale poza tym nie występuje u innych ssaków, co wskazuje, że APOL1 prawdopodobnie powstał w wyniku tandemowej duplikacji genu podczas ewolucji naczelnych około 30 milionów lat temu19.

W 2009 roku badania członków rodziny APOL wykazały, że APOL1–6 są obecne u ludzi i że szybka ewolucja wśród małp naczelnych nastąpiła w domenach zaangażowanych w interakcje żywiciel-pasożyt. Na przykład w APOL1 sekwencje wykazujące szybką ewolucję są obecne w domenie APOL1 lub w jej sąsiedztwie, która oddziałuje z antygenem oporności na surowicę (SRA) w trypanosomach, prawdopodobnie odzwierciedlając przedłużony okres interakcji żywiciel-pasożyt20.

Ewolucja wariantów APOL1

Wysokie obciążenie przewlekłą chorobą nerek i niewydolnością nerek – w szczególności uderzająco wysoka częstość występowania ogniskowego segmentalnego stwardnienia kłębuszków nerkowych (FSGS) i nefropatii związanej z HIV (HIVAN) – wśród Afroamerykanów sugeruje, że odpowiedzialne są za to określone warianty ryzyka i że takie warianty można wzbogacić na dziedziczne haplotypy afrykańskie. W badaniu 2008 w dwóch badaniach zastosowano strategię mapowania domieszek w celu identyfikacji segmentów chromosomalnych pochodzenia afrykańskiego wzbogaconych u pacjentów z FSGS potwierdzonym biopsją i niecukrzycową niewydolnością nerek. Jedna grupa zidentyfikowała region na chromosomie 22, skupiony na MYH9, który był silnie powiązany z FSGS i HIVAN; obserwację tę powtórzono u pacjentów z nadciśnieniowym stwardnieniem nerek i niecukrzycową niewydolnością nerek, ale nie u pacjentów z niewydolnością nerek związaną z cukrzycą21. Inna grupa zidentyfikowała ten sam region powiązania afrykańskiego pochodzenia na chromosomie 22 z niecukrzycową niewydolnością nerek, ale podobnie nie u pacjentów z niewydolnością nerek związaną z cukrzycą22. Odkrycia te doprowadziły do ​​odkrycia 2 lata później specyficznych dla Afryki wariantów genu APOL1, który sąsiaduje z MYH9. W obu badaniach zidentyfikowano trzy warianty APOL1 znajdujące się w pobliżu C-końcowej domeny wiążącej SRA APOL1 (ryc. 1a) jako głównie odpowiedzialne za związek z chorobą nerek1. Dwa warianty typów haplo nazwano G1 i G2, przy czym G1 (rs73885319 i rs60910145) zawierał dwa niesynonimiczne warianty kodujące (Ser342Gly, Ile384Met), a G2 (rs71785313) składał się z delecji sześciu par zasad, w wyniku której powstały dwa aminokwasy delecje: del Asn388 i del Tyr3891. U mieszkańców Afryki Zachodniej i ich niedawnych potomków dwa allele (G1 i G2) tworzą dwa powszechne warianty haplotypów i jeden rzadki haplotyp (ryc. 1b) 13. Haplotyp przodków nazywany jest G0 i nie zawiera wariantów G1 ani G21,13. W przypadku braku G0, warianty ryzyka wykazały silny związek z FSGS, niecukrzycową niewydolnością nerek i HIVAN, co prowadzi do wniosku, że przyczyniają się one do ogólnie wyższego ryzyka tych chorób nerek u Afroamerykanów1,2,13 (ryc. 1c).

Utrata funkcji lub nabycie dysfunkcji

Z wyjątkiem jednego badania w Republice Południowej Afryki, które wykazało dominujący związek G1 z HIVAN23, przytłaczające dowody z badań kliniczno-kontrolnych i badań kohortowych sugerują, że warianty ryzyka APOL1 są zgodne z recesywnym modelem dziedziczenia. Większość alleli recesywnych jest powiązana z utratą funkcji genu; jednak niektóre dowody sugerują, że warianty APOL1 mogą zaprzeczać temu paradygmatowi. Chociaż w co najmniej jednym badaniu in vitro nie zaobserwowano toksyczności po ekspresji wariantów ryzyka APOL1 w komórkach nerek, co potwierdza mechanizm utraty funkcji24, większość badań sugeruje, że allele ryzyka APOL1 podlegają mechanizmowi narastania dysfunkcji8,9. Jeden model sugeruje, że multimeryzacja APOL1 umożliwia recesywny tryb dziedziczenia z efektami wzmocnienia dysfunkcji dla G1 i G2 oraz tłumieniem toksyczności przez G0 (ref. 25). Inne badanie26 wykazało, że G0 ratuje toksyczność G1 i G2 poprzez transport thwarianty białek z siateczki śródplazmatycznej do cytoplazmy na kropelkach lipidów; model ten sugeruje, że G{{0}} może działać jako dominujący supresor toksyczności poprzez oligomeryzację z wariantami białek i służąc jako chaperon. Inni odkryli, że G1 i G2, ale nie G0, tworzą multimery w macierzy mitochondrialnej i indukują śmierć komórek poprzez aktywację porów przejściowych przepuszczalności mitochondriów27. Niedawno badacze zaproponowali model, w którym allele ryzyka są powiązane ze zwiększoną aktywnością permeazy kationowej w porównaniu z genotypem referencyjnym28.

ryc. 1|Domeny i warianty APOL1.|Białko APOL1 ma cztery domeny funkcjonalne i peptyd sygnałowy, który jest niezbędny do wydzielania APOL1 wytwarzanego w wątrobie do osocza. Formy APOL1 pozbawione peptydu sygnałowego z powodu alternatywnego splicingu pozostają jako białka wewnątrzkomórkowe. Izoformy wariantów G1 i G2 są głównymi czynnikami wywołującymi przewlekłą chorobę nerek (CKD), w której pośredniczy APOL1-. Obecność dwóch mutacji zmiany sensu (Ser342Gly i Ile384Met) w sekwencji nukleotydowej kodującej domenę wiążącą białko związaną z opornością na surowicę APOL1 generuje wariant G1, podczas gdy delecja 6 par zasad, która powoduje utratę dwóch aminokwasów (delAsn388 i delTry389) generuje wariant G2. b|Trzy warianty ryzyka dla nerek tworzą tylko cztery zaobserwowane haplotypy. Ze względu na bliską fizyczną bliskość trzech alleli związanych z chorobą nie zaobserwowano zdarzeń rekombinacji, w związku z czym allele G1 i G2 wzajemnie się wykluczają i nie występują razem na tym samym chromosomie. Haplotypy G1 i G2 są unikalne dla osób o pochodzeniu z Afryki Subsaharyjskiej, podczas gdy haplotyp przodków G0 występuje we wszystkich populacjach globalnych. Częstotliwości haplotypów pokazano dla zdrowej populacji Afroamerykanów7. c|Wrażliwość i oporność (oznaczona odpowiednio czerwonym i niebieskim cieniowaniem) na ostrą ludzką trypanosomatozę afrykańską (HAT) wywoływaną przez Trypanosoma brucei rhodesiense i przewlekłą HAT wywoływaną przez Tb gambiense oraz ryzyko przewlekłej choroby nerek związanej z APOL1-zmieniają się w zależności od haplotypu APOL1. Heterozygotyczni lub homozygotyczni nosiciele allelu G{{30}} nie są narażeni na zwiększone ryzyko choroby nerek. Nosiciele 1 lub 2 kopii allelu G1 są podatni na zakażenie Tb gambiense, ale ryzyko wystąpienia u nich objawów HAT jest mniejsze; mechanizm tego ochronnego stowarzyszenia jest nieznany. Białko wariantu G2 skutecznie lizuje Tb rhodesiense in vitro, ograniczając w ten sposób infekcję u nosicieli G2. Ryzyko wystąpienia PChN jest zwiększone u osób z genotypami G1/G1, G2/G2 i G1/G2. W pewnych rzadkich przypadkach (na przykład u osób z nieleczonym zakażeniem wirusem HIV) osoby z grupą G1/G0 mogą również być narażone na zwiększone ryzyko wystąpienia PChN.

Warto zauważyć, że porównanie naturalnie występujących haplotypów G1 i G2 ze sztucznymi haplotypami stosowanymi w modelach eksperymentalnych wykazało istnienie zmian aminokwasowych w innych domenach naturalnie występujących haplotypów pierścieniowych G1 i G2, które nie były obecne w powszechnie stosowanych sztucznych, referencyjnych haplotyp29. Te naturalnie występujące, połączone warianty wpływają na właściwości wyrażanego białka i modyfikują stopień toksyczności zależnej od alleli ryzyka. Odkrycia te potwierdzają hipotezę wzrostu toksyczności i dodatkowo wyjaśniają, dlaczego w niektórych badaniach nie obserwuje się zwiększonej toksyczności w przypadku wariantów ryzyka29. Badanie 2020 wykazało, że allele ryzyka APOL1 mają zależne od dawki działanie toksyczne na komórki HEK293 embrionalnej nerki ludzkiej, powodując utratę żywotności komórek, obrzęk komórek i rozregulowanie metabolizmu energetycznego30. Efekty te nie zostały osłabione przez koekspresję G0, co potwierdza pogląd, że allele ryzyka APOL1 nabywają toksyczność w sposób zyskujący na funkcji.