Razvojna priča o apolipoprotein L1 nefropatiji: Kraj početka

Sažetak|Varijante genetskog kodiranja u APOL1, koji kodira apolipoprotein L1 (APOL1), identificirane su 2010. godine i relativno su česte među pojedincima podsaharskog afričkog porijekla. Otprilike 13% Afroamerikanaca nosi dva alela rizika APOL1. Ove varijante, nazvane G1 i G2, su česteuzrok bolesti bubrega- nazvana APOL1 nefropatija - koja se tipično manifestira kao fokalna segmentna glomeruloskleroza i kliničkasindrom hipertenzijeiarterionefroskleroza. Studije ćelijske kulture sugeriraju da varijante APOL1 uzrokuju disfunkciju stanica kroz nekoliko procesa, uključujući promjene u aktivnosti kationskih kanala,aktivacija inflamasoma,povećan stres endoplazmatskog retikuluma, aktivacija protein kinaze R,mitohondrijalna disfunkcija, iporemećaj ubikvitinilacije APOL1. Rizik od APOL1 nefropatije uglavnom je ograničen na osobe sa dvije varijante APOL1 rizika. Međutim, samo manjina osoba sa dva alela rizika APOL1 razvije bolest bubrega, što ukazuje na potrebu za 'drugim udarcem'. Najpoznatiji faktor odgovoran za ovaj 'drugi pogodak' je hronična virusna infekcija, posebno HIV-1, koja rezultira interferonom posredovanom aktivacijom APOL1 promotora, iako većina osoba sa APOL1 nefropatijom nema očigledan kofaktor. Trenutne terapije za APOL1 nefropatije nisu adekvatnezaustaviti napredovanje hronične bolesti bubrega, inove ciljane molekularne terapijenalaze se u kliničkim ispitivanjima.

NOVA BILJNA FORMULACIJA ZA BOLESTI BUBREGA

Od njegovog otkrića 1997. godine, istraživački napori su otkrili višestruku prirodu apolipoproteina L1 (APOL1) i, najvažnije, njegove implikacije na adaptaciju naparazitske bolestiipatogeneza bolesti bubrega. Otkriće varijanti u APOL1 2010. poboljšalo je naše razumijevanje nesrazmjerne rasprostranjenostinedijabetičke bolesti bubregakod osoba sa podsaharskim afričkim porijeklom1,2. Nakon savezničke pobjede kod El Alameina 1942., Winston Churchill je rekao "To nije kraj. Nije čak ni početak kraja. Ali to je, možda, kraj početka". Sada, otprilike deset godina nakon otkrića varijanti rizika APOL1, možda smo došli do kraja početka u našem zadatku razumijevanja spektra i mehanizama APOL1 nefropatija. Međutim, tek sada počinjemo potragu za efikasnim tretmanima.

Genotipovi rizika APOL1, definisani alelima rizika G1 i G2, odsutni su u populacijama bez afričkog porijekla i vjerovatno su evoluirali da zaštite nosioce u zapadnoj Africi od afričke bolesti spavanja. Disperzija ljudi iz zapadne i centralne Afrike u Ameriku i Karipska ostrva kao posljedica transatlantske trgovine robljem i novije migracije dovela je do globalne distribucije varijanti APOL14,5. Aleli su stoga uobičajeni među Afroamerikancima, sa kombinovanom frekvencijom alela od približno 34%6,7. Veza između varijanti APOL1 i funkcije bubrega nije u potpunosti shvaćena. Opažanje da funkcionalni (nepseudogenizirani) APOL1 gen postoji u samo nekoliko vrsta afričkih primata i identifikacija APOL1-nule individue s normalnom funkcijom bubrega sugerira da ovaj gen nije potreban za normalnu funkciju bubrega8,9 . Iz ove perspektive, čini se da varijante kodiranja APOL1 povezane s bubrežnom bolešću predstavljaju varijante "pojačanja disfunkcije"8,10. Stoga je prirodna selekcija u populacijama subsaharske Afrike vjerovatno oblikovala ovaj lokus balansirajući povoljne efekte varijanti na tripanosomalni imunitet sa štetnim efektima na funkciju bubrega11. Pored efekata na primarne glomerularne bolesti, ove genetske varijante mogu takođe modifikovati ishode u drugim bubrežnim i ekstrarenalnim stanjima, kao što su alotransplantati bubrega, koronarna arterijska bolest, kardiomiopatije i preeklampsija12–15.

Ovaj pregled sažima uvide stečene istraživanjem tokom protekle decenije o ulozi varijanti APOL1 u bolesti bubrega i pruža kontekst za nalaze za koje se očekuje da će se pojaviti u narednim godinama. Opisujemo glavne aspekte baze znanja APOL1, posebno fokusirajući se na nalaze najrelevantnije za nefrologiju s naglaskom na našem razumijevanju genetike, strukture proteina i bioloških funkcija APOL1 varijanti i njihove povezanosti s kardiorenalnom bolešću.

Ključne tačke

• Za razliku od ostalih članova porodice APOL, koji su prvenstveno intracelularni, APOL1 sadrži jedinstveni sekretorni signalni peptid, što rezultira njegovim izlučivanjem u plazmu.

• APOL1 aleli rizika za bubrege štite afričku ljudsku tripanosomijazu, ali su faktor rizika za progresivno oboljenje bubrega kod onih koji nose dva alela rizika.

• Učestalost alela rizika APOL1 je ~35% u afroameričkoj populaciji u Sjedinjenim Državama, sa ~13% pojedinaca koji imaju dva alela rizika; najviše frekvencije alela nalaze se u zapadnoafričkim populacijama i njihovim potomcima.

• Ćelijski i mišji modeli impliciraju endolizozomalnu i mitohondrijalnu disfunkciju, izmijenjenu aktivnost jonskih kanala, promijenjenu autofagiju i aktivaciju protein kinaze R u patogenezi bolesti bubrega povezane s APOL{0}}; međutim, relevantnost ovih puteva povrede za ljudske bolesti nije riješena.

• APOL1 bolest bubrega ima tendenciju da bude progresivna, a trenutne standardne terapije su generalno neefikasne; ciljane terapijske strategije obećavaju najviše.

APOL1 protein

Godine 1997. istraživači koji su nastojali identificirati proteinske komponente ApoA1-sadrže lipoproteine ​​- koji su prisutni u česticama lipoproteina visoke gustine (HDL) - izolovali su novi protein, koji je nazvan ApoL16. Četiri godine kasnije, opisali su još tri člana porodice APOL, ApoL I–IV (sada nazvan APOL 1–4). Porodica APOL se dalje proširila 2001. godine kada su dvije grupe klonirale klaster gena APOL na hromozomu 22, koji također kodira APOL5 i APOL6 (refs17,18). Iako neki istraživači nastavljaju koristiti "ApoL", u skladu s terminologijom proteina iz područja lipoproteina, u ovom pregledu koristimo nomenklaturu i stil za ljudske proteine ​​(APOL) i gene (APOL) 17 koju preporučuje HUGO Komitet za nomenklaturu gena.

APOL1 RNA se eksprimuje u mnogim tkivima18. APOL1 je jedinstven među genima APOL u kodiranju sekretornog signalnog peptida, što rezultira izlučivanjem APOL1 u plazmu (slika 1a). Međutim, APOL1 je prisutan kod ljudi i nekoliko primata Starog svijeta, ali je inače odsutan kod drugih sisara, što ukazuje da je APOL1 vjerovatno nastao tandemskom duplikacijom gena tokom evolucije primata prije oko 30 miliona godina19.

Godine 2009, studije članova porodice APOL pokazale su da je APOL1-6 prisutan kod ljudi i da se brza evolucija među majmunskim primatima dogodila u domenima uključenim u interakcije domaćin-parazit. U APOL1, na primjer, sekvence sa dokazima brze evolucije prisutne su u domenu APOL1 ili u blizini, koji stupa u interakciju sa antigenom serumske rezistencije (SRA) u tripanosomima, što vjerovatno odražava produženi period interakcija domaćin-parazit20.

Evolucija APOL1 varijanti

Visok teret CKD-a i zatajenja bubrega - posebno, zapanjujuće visoka učestalost fokalne segmentalne glomeruloskleroze (FSGS) i nefropatije povezane s HIV-om (HIVAN) - među Afroamerikancima sugerira da su određene varijante rizika vjerovatno odgovorne i da bi takve varijante mogle biti obogaćene o afričkim naslijeđenim haplotipovima. U 2008, dvije studije su koristile strategiju mapiranja primjesa za identifikaciju hromozomskih segmenata afričkog porijekla obogaćene kod pacijenata sa biopsijom potvrđenim FSGS-om i nedijabetičkim zatajenjem bubrega. Jedna grupa je identifikovala region na hromozomu 22, sa središtem na MYH9, koji je bio snažno povezan sa FSGS i HIVAN; ovaj nalaz se ponovio kod pacijenata sa hipertenzivnom nefrosklerozom i nedijabetičkim zatajenjem bubrega, ali ne i kod pacijenata sa zatajenjem bubrega povezanim sa dijabetesom21. Druga grupa je identificirala istu regiju povezivanja afričkog porijekla na hromozomu 22 s nedijabetičkim zatajenjem bubrega, ali slično, ne i kod pacijenata sa zatajenjem bubrega povezanim s dijabetesom22. Ovi nalazi su doveli do otkrića 2 godine kasnije varijanti specifičnih za Afriku u genu APOL1, koji je u blizini MYH9. Dvije studije su identificirale tri varijante APOL1 u blizini u C-terminalnom SRA-vezujućem domenu APOL1 (slika 1a) kao primarno odgovorne za povezanost s bubrežnom bolešću1. Dvije varijante haplo tipa nazvane su G1 i G2, pri čemu G1 (rs73885319 i rs60910145) sadrži dvije nesinonimne varijante kodiranja (Ser342Gly, Ile384Met), a G2 (rs71785313) koji se sastoji od dvije aminokiseline brisanja sa šest aminokiselina. brisanja: del Asn388 i del Tyr3891. Kod Zapadnoafrikanaca i njihovih nedavnih potomaka, dva alela (G1 i G2) formiraju dva uobičajena varijantna haplotipa i jedan rijetki haplotip (slika 1b) 13. Haplotip predaka naziva se G0 i ne nosi G1 ili G2 varijante1,13. U nedostatku G0, varijante rizika pokazale su snažnu povezanost sa FSGS, nedijabetičkom zatajenjem bubrega i HIVAN-om, što je dovelo do zaključka da doprinose ukupnom većem riziku od ovih poremećaja bubrega kod Afroamerikanaca1,2,13 (Sl. 1c).

Gubitak funkcije ili dobijanje disfunkcije

Osim jedne južnoafričke studije, koja je pokazala dominantnu povezanost G1 s HIVAN23, neodoljivi dokazi iz studija slučaja-kontrole i kohortnih studija sugeriraju da varijante rizika APOL1 slijede recesivni model nasljeđivanja. Većina recesivnih alela je povezana s gubitkom funkcije gena; međutim, neki dokazi sugeriraju da bi varijante APOL1 mogle biti suprotne ovoj paradigmi. Iako barem jedna in vitro studija nije primijetila toksičnost nakon ekspresije varijanti rizika APOL1 u stanicama bubrega, podržavajući mehanizam gubitka funkcije24, većina studija sugerira da aleli rizika APOL1 slijede mehanizam pojačanja disfunkcije8,9. Jedan model sugerira da multimerizacija APOL1 omogućava recesivni način nasljeđivanja sa efektima pojačanja disfunkcije za G1 i G2 i supresijom toksičnosti od strane G0 (ref.25). Druga studija26 izvijestila je da G0 spašava toksičnost G1 i G2 transportome varijanta proteina iz endoplazmatskog retikuluma do citoplazme na lipidnim kapljicama; ovaj model sugerira da G{{0}} može djelovati kao dominantni supresor toksičnosti oligomerizacijom sa varijantnim proteinima i služeći kao pratilac. Drugi su otkrili da G1 i G2, ali ne i G0, formiraju multimere u mitohondrijskom matriksu i induciraju ćelijsku smrt aktiviranjem prelaznih pora mitohondrijalne permeabilnosti27. Nedavno su istraživači predložili model u kojem su aleli rizika povezani s povećanom aktivnošću kationske permeaze u usporedbi s referentnim genotipom28.

Slika 1|APOL1 domeni i varijante. a|APOL1 protein ima četiri funkcionalna domena i signalni peptid, koji je neophodan za izlučivanje APOL1 proizvedenog u jetri u plazmu. Oblici APOL1 kojima nedostaje signalni peptid zbog alternativnog spajanja zadržavaju se kao intracelularni proteini. Izoforme G1 i G2 varijante su primarni pokretači APOL1-posredovane hronične bolesti bubrega (CKD). Prisustvo dvije missense mutacije (Ser342Gly i Ile384Met) u nukleotidnoj sekvenci koja kodira domenu APOL1 vezanu za proteine ​​povezanu sa serumskom rezistencijom stvara G1 varijantu, dok delecija od 6 baznih parova rezultira gubitkom dvije aminokiseline (delAsn388 i delTry389) generiše G2 varijantu. b|Tri varijante rizika za bubrege formiraju samo četiri uočena haplotipa. Zbog bliske fizičke blizine tri alela povezana s bolešću, događaji rekombinacije nisu uočeni i stoga se aleli G1 i G2 međusobno isključuju i ne pojavljuju zajedno na istom kromosomu. Haplotipovi G1 i G2 su jedinstveni za pojedince sa podsaharskim porijeklom, dok se haplotip predaka G0 nalazi u svim globalnim populacijama. Prikazane su frekvencije haplotipa za zdravu afroameričku populaciju7. c|Osjetljivost i otpornost (označene crvenim i plavim nijansama, redom) na akutnu afričku tripanosomijazu (HAT) uzrokovanu Trypanosoma brucei rhodesiense i kronični HAT uzrokovan Tb gambiense, te rizik od KBB-a povezane s APOL1-, variraju u zavisnosti od funkcije haplotipa APOL1. Heterozigotni ili homozigotni nosioci alela G{{30}} nisu pod povećanim rizikom od bolesti bubrega. Nosioci 1 ili 2 kopije G1 alela su podložni infekciji Tb gambiense, ali je manja vjerovatnoća da će razviti simptome HAT; mehanizam ove zaštitne asocijacije je nepoznat. G2 varijantni protein efikasno lizira Tb rhodesiense in vitro, čime se ograničava infekcija kod G2 nosilaca. Ljudi sa genotipovima G1/G1, G2/G2 i G1/G2 su pod povećanim rizikom od CKD. U određenim neuobičajenim okruženjima (na primjer, kod osoba s neliječenom HIV infekcijom), osobe G1/G0 također mogu biti izložene povećanom riziku od CKD.

Treba napomenuti da je poređenje prirodno prisutnih haplotipova G1 i G2 s umjetnim haplotipovima korištenim u eksperimentalnim modelima pokazalo postojanje promjena aminokiselina u drugim domenima prirodno nastalih haplotipova prstena G1 i G2 koje nisu bile prisutne u uobičajeno korištenim umjetnim, referentnim haplotip29. Ove prirodne povezane varijante utiču na svojstva izraženog proteina i modifikuju stepen toksičnosti posredovane alelom rizika. Ovi nalazi podržavaju hipotezu o povećanju toksičnosti i dodatno objašnjavaju zašto neke studije ne primjećuju povećanu toksičnost s varijantama rizika29. Studija 2020 otkrila je da aleli rizika APOL1 imaju toksične efekte zavisne od doze u ćelijama HEK293 bubrega ljudskog embriona, što rezultira gubitkom vitalnosti ćelije, oticanjem ćelija i disregulacijom energetskog metabolizma30. Ovi efekti nisu bili ublaženi koekspresijom G0, što podržava ideju da aleli rizika APOL1 dobijaju toksičnost na način povećanja funkcije.