アポリポタンパク質 L1 腎症の進化する物語: 始まりの終わり

要約 |アポリポタンパク質 L1 (APOL1) をコードする APOL1 の遺伝子コード変異は 2010 年に同定され、サハラ以南アフリカ系の人々の間で比較的一般的です。アフリカ系アメリカ人の約 13% は 2 つの APOL1 リスク対立遺伝子を持っています。 G1 および G2 と呼ばれるこれらの亜種は、頻繁に発生します。腎臓病の原因- APOL1 腎症と呼ばれる - これは通常、限局性分節性糸球体硬化症として現れ、臨床的高血圧症候群そして動脈腎硬化症。細胞培養研究は、APOL1 変異体がカチオンチャネル活性の変化を含むいくつかのプロセスを通じて細胞機能不全を引き起こすことを示唆しています。インフラマソームの活性化,小胞体ストレスの増加、プロテインキナーゼRの活性化、ミトコンドリア機能不全、 そしてAPOL1のユビキチン化の破壊。 APOL1 腎症のリスクは、主に 2 つの APOL1 リスクバリアントを持つ個人に限定されています。しかし、APOL1 リスク対立遺伝子を 2 つ持つ人のうち腎疾患を発症するのは少数であり、「第 2 弾」の必要性が示唆されています。この「第二のヒット」の原因となる最もよく知られた因子は、慢性ウイルス感染症、特に HIV-1 であり、インターフェロンを介した APOL1 プロモーターの活性化が引き起こされますが、APOL1 腎症患者のほとんどは明らかな補因子を持っていません。 APOL1腎症に対する現在の治療法は、慢性腎臓病の進行を止める、 そして新しい分子標的療法臨床試験中です。

腎臓病のための新しいハーブ製剤

1997 年の発見以来、研究努力により、アポリポタンパク質 L1 (APOL1) の多面的な性質、そして最も注目すべきことに、その適応に対する影響が明らかになりました。寄生虫病そして腎臓病の発症機序。 2010 年に APOL1 の変異が発見されたことで、APOL1 の不均衡な蔓延についての理解が深まりました。非糖尿病の腎臓病サハラ以南のアフリカ系の祖先を持つ個人で発生します1,2。 1942年のエル・アラメインでの連合軍の勝利後、ウィンストン・チャーチルは「これは終わりではない。終わりの始まりですらない。しかし、おそらく始まりの終わりだ」と語った。 APOL1 リスク変異の発見から約 10 年が経過した現在、APOL1 腎症のスペクトルとメカニズムを理解するという私たちの課題はおそらく終わりに達したと思われます。しかし、私たちは今、効果的な治療法の探索を始めたばかりです。

G1 および G2 リスク対立遺伝子によって定義される APOL1 リスク遺伝子型は、アフリカ系の祖先を持たない集団には存在せず、おそらく西アフリカの保因者をアフリカ睡眠病から守るために進化したと考えられます。大西洋横断奴隷貿易と最近の移住の結果として、西アフリカと中央アフリカからアメリカ大陸とカリブ海の島々へ人々が分散したことにより、APOL1 変異体の世界的な分布が生じています4,5。したがって、この対立遺伝子はアフリカ系アメリカ人に共通しており、対立遺伝子の合計頻度は約 34% です6,7。 APOL1 変異体と腎機能との関連性は完全には理解されていません。機能的な（偽遺伝子化されていない）APOL1 遺伝子が少数のアフリカの霊長類種にのみ存在するという観察と、正常な腎機能を持つ APOL1- 欠損個体の同定は、この遺伝子が正常な腎機能には必要ないことを示唆しています 8,9 。この観点から、腎臓病に関連する APOL1 コード変異体は「機能不全の獲得」変異体であると考えられます 8,10。したがって、サハラ以南のアフリカ人集団における自然選択は、トリパノソーマ免疫に対する変異体の有益な効果と腎機能に対する悪影響のバランスをとることによって、この遺伝子座を形成した可能性があります11。これらの遺伝子変異は、原発性糸球体疾患への影響に加えて、腎臓同種移植、冠状動脈疾患、心筋症、子癇前症などの他の腎臓および腎臓外の状態の転帰も変化させる可能性があります12-15。

この総説は、腎疾患における APOL1 変異体の役割に関する過去 10 年間の研究から得られた洞察を要約し、今後数年間に明らかになることが予想される知見の背景を提供します。我々は、APOL1 知識ベースの主要な側面について説明します。特に、APOL1 変異体の遺伝学、タンパク質構造、生物学的機能と心腎疾患との関連性についての理解に重点を置き、腎臓学に最も関連する知見に焦点を当てます。

重要なポイント

・主に細胞内に存在する他の A​​POL ファミリーメンバーとは対照的に、APOL1 は独自の分泌シグナルペプチドを含み、その結果血漿中に分泌されます。

• APOL1 腎リスク対立遺伝子はアフリカ人トリパノソーマ症を保護しますが、2 つのリスク対立遺伝子を持つ人では進行性腎臓病の危険因子となります。

• APOL1 リスク対立遺伝子の頻度は、米国のアフリカ系アメリカ人人口の約 35% であり、約 13% の個人が 2 つのリスク対立遺伝子を持っています。対立遺伝子の頻度が最も高いのは西アフリカの集団とその子孫です。

• 細胞およびマウスのモデルは、エンドリソソームおよびミトコンドリアの機能不全、イオン チャネル活性の変化、オートファジーの変化、およびプロテイン キナーゼ R の活性化が APOL 関連腎疾患の発症に関与していることを示唆しています。{0}}しかし、これらの損傷経路とヒトの病気との関連性はまだ解明されていません。

• APOL1 腎疾患は進行性である傾向があり、現在の標準治療は一般に効果がありません。標的を絞った治療戦略が最も有望です。

APOL1タンパク質

1997 年、高密度リポタンパク質 (HDL) 粒子に存在するリポタンパク質を含む ApoA1- のタンパク質成分を同定しようとする研究者らは、ApoL16 と呼ばれる新規タンパク質を単離しました。 4 年後、彼らはさらに 3 つの APOL ファミリーメンバー、ApoL I-IV (現在は APOL 1-4 と呼ばれています) を記載しました。 APOL ファミリーは 2001 年にさらに拡大し、2 つのグループが染色体 22 上の APOL 遺伝子クラスターをクローニングしました。この遺伝子クラスターは APOL5 と APOL6 もコードしています (参考文献 17、18)。一部の研究者はリポタンパク質分野のタンパク質用語と一致して「ApoL」を使い続けていますが、このレビューでは、HUGO 遺伝子命名委員会が推奨するヒトタンパク質 (APOL) および遺伝子 (APOL) の命名法とスタイルを使用します 17。

APOL1 RNA は多くの組織で発現しています 18。 APOL1は、分泌シグナルペプチドをコードする点でAPOL遺伝子の中で独特であり、その結果、APOL1が血漿中に分泌されます（図1a）。しかし、APOL1 はヒトといくつかの旧世界霊長類に存在しますが、その他の哺乳類には存在しません。このことは、APOL1 が約 3,000 万年前の霊長類の進化中にタンデム遺伝子重複によって生じた可能性が高いことを示しています 19。

2009年、APOLファミリーメンバーの研究により、APOL1〜6がヒトにも存在し、サル霊長類の急速な進化が宿主と寄生虫の相互作用に関与するドメインで起こったことが示された。たとえば、APOL1 では、急速な進化の証拠を持つ配列が、トリパノソーマの血清耐性抗原 (SRA) と相互作用する APOL1 のドメイン内またはそのドメインに隣接して存在しており、おそらく長期間にわたる宿主と寄生虫の相互作用を反映していると考えられます 20。

APOL1 変異体の進化

アフリカ系アメリカ人におけるCKDおよび腎不全の負担の高さ、特に限局性分節性糸球体硬化症（FSGS）およびHIV関連腎症（HIVAN）の頻度が著しく高いことは、特定のリスク変異型が原因である可能性が高く、そのような変異型が増加している可能性があることを示唆している。アフリカ遺伝ハプロタイプについて。 2008では、2つの研究が混合マッピング戦略を採用して、生検でFSGSが確認された非糖尿病性腎不全の患者に豊富に存在するアフリカ起源の染色体セグメントを特定した。あるグループは、FSGSおよびHIVANと強く関連するMYH9を中心とする染色体22上の領域を特定した。この所見は高血圧性腎硬化症および非糖尿病性腎不全の患者では再現されましたが、糖尿病に関連した腎不全の患者では再現されませんでした21。別のグループは、非糖尿病性腎不全では 22 番染色体上の同じアフリカ系祖先の連鎖領域を特定しましたが、同様に糖尿病関連腎不全の患者ではそうではありませんでした 22。これらの発見は、2 年後に MYH9 に隣接する APOL1 遺伝子のアフリカ特有の変異体の発見につながりました。 2つの研究により、APOL1のC末端SRA結合ドメインの近くにある3つのAPOL1変異体が腎臓病との関連に主に関与していることが特定された（図1a）。 2 つのバリアント ハプロ タイプは G1 および G2 と呼ばれ、G1 (rs73885319 および rs60910145) は 2 つの非同義コード バリアント (Ser342Gly、Ile384Met) で構成され、G2 (rs71785313) は 2 つのアミノ酸をもたらす 6 塩基対の欠失で構成されます。欠失: del Asn388 および del Tyr3891。西アフリカ人とその最近の子孫では、2 つの対立遺伝子 (G1 および G2) が 2 つの一般的なバリアント ハプロタイプと 1 つのまれなハプロタイプを形成します (図 1b) 13。祖先ハプロタイプは G0 と呼ばれ、G1 または G2 バリアントを持ちません 1,13。 G0 が存在しない場合、リスク変異は FSGS、非糖尿病性腎不全、および HIVAN と強い関連性を示し、それらがアフリカ系アメリカ人におけるこれらの腎疾患のリスクが全体的に高いことに寄与しているという結論につながりました 1,2,13 (図1c）。

機能の喪失または機能障害の獲得

G1とHIVAN23の支配的な関連性を示した1つの南アフリカの研究を除いて、症例対照研究およびコホート研究からの圧倒的な証拠は、APOL1のリスクバリアントが劣性遺伝モデルに従うことを示唆しています。ほとんどの劣性対立遺伝子は遺伝子機能の喪失に関連しています。しかし、いくつかの証拠は、APOL1 変異体がこのパラダイムに対抗する可能性を示唆しています。少なくとも 1 つの in vitro 研究では、腎細胞における APOL1 リスク変異体の発現後の毒性は観察されず、機能喪失メカニズムを裏付けていますが 24、ほとんどの研究は、APOL1 リスク対立遺伝子が機能不全獲得メカニズムに従うことを示唆しています 8,9。 1つのモデルは、APOL1の多量体化により、G1およびG2の機能不全獲得効果およびG0による毒性の抑制を伴う劣性遺伝様式が可能になることを示唆している(ref.25)。別の研究26は、G0がG1およびG2の毒性を輸送することによって救済することを報告しました。e 小胞体から脂肪滴上の細胞質までの変異タンパク質。このモデルは、G{{0}} が変異タンパク質とオリゴマー化してシャペロンとして機能することにより、毒性の主要な抑制因子として機能する可能性があることを示唆しています。他の研究者らは、G0 ではなく G1 と G2 がミトコンドリア マトリックス内で多量体を形成し、ミトコンドリア透過性遷移孔を活性化することによって細胞死を誘導することを発見しました 27。より最近では、研究者らは、リスク対立遺伝子が参照遺伝子型と比較してカチオン透過酵素活性の強化に関連しているというモデルを提案しました28。

図1|APOL1 ドメインとバリアント。|APOL1 タンパク質には 4 つの機能ドメインと、肝臓で生成された APOL1 の血漿中への分泌に必要なシグナル ペプチドがあります。選択的スプライシングによりシグナルペプチドを欠いたAPOL1は細胞内タンパク質として保持されます。 G1 および G2 バリアント アイソフォームは、APOL1- 媒介慢性腎臓病 (CKD) の主な要因です。 APOL1 の血清耐性関連タンパク質結合ドメインをコードするヌクレオチド配列に 2 つのミスセンス変異 (Ser342Gly および Ile384Met) が存在すると G1 変異体が生成されますが、6 塩基対の欠失により 2 つのアミノ酸 (delAsn388) が失われます。および delTry389) は G2 バリアントを生成します。 b|3 つの腎臓リスク バリアントは、観察されたハプロタイプを 4 つだけ形成します。 3 つの疾患関連対立遺伝子は物理的に近接しているため、組換え事象は観察されておらず、したがって G1 対立遺伝子と G2 対立遺伝子は相互に排他的であり、同じ染色体上で同時に発生することはありません。 G1 および G2 ハプロタイプはサハラ以南の祖先を持つ個人に固有ですが、祖先の G0 ハプロタイプは世界中のすべての集団に見られます。ハプロタイプ頻度は、健康なアフリカ系アメリカ人集団について示されています7。 c |ブルーセイ・ローデシアン・トリパノソーマによって引き起こされる急性ヒトアフリカトリパノソーマ症（HAT）およびガンビア結核菌によって引き起こされる慢性HATに対する感受性と耐性（それぞれ赤と青の網掛けで示される）、およびAPOL1-関連CKDのリスクは関数として変化するAPOL1 ハプロタイプ。 G{{30}} 対立遺伝子のヘテロ接合性またはホモ接合性保因者は、腎臓病のリスクが高くありません。 G1 対立遺伝子のコピーを 1 つまたは 2 つ持つ保因者は、ガンビア結核菌に感染しやすいですが、HAT の症状を発症する可能性は低くなります。この保護結合のメカニズムは不明です。 G2 バリアントタンパク質は、インビトロで Tb ローデシエンスを効率的に溶解し、それによって G2 キャリアの感染を制限します。 G1/G1、G2/G2、および G1/G2 遺伝子型を持つ人は、CKD のリスクが高くなります。特定のまれな状況（たとえば、未治療の HIV 感染症患者）では、G1/G0 の個人も CKD のリスクが増加する可能性があります。

注目すべきことに、天然に存在する G1 および G2 ハプロタイプと実験モデルで使用された人工ハプロタイプを比較すると、一般に使用されている人工ハプロタイプには存在しない、天然に存在する環 G1 および G2 ハプロタイプの他のドメインにアミノ酸変化が存在することが示されました。ハプロタイプ29。これらの天然に存在する連鎖変異体は、発現されたタンパク質の特性に影響を与え、対立遺伝子媒介毒性のリスクの程度を変化させます。これらの発見は毒性獲得仮説を裏付けており、一部の研究でリスク変異による毒性の増強が観察されない理由をさらに説明しています29。 2020 年の研究では、APOL1 リスク対立遺伝子がヒト胎児腎臓 HEK293 細胞に用量依存的な毒性作用を及ぼし、細胞生存率の喪失、細胞の膨張、エネルギー代謝の調節不全を引き起こすことが判明しました30。これらの効果はG0の共発現によって減弱されず、APOL1リスク対立遺伝子が機能獲得方式で毒性を獲得するという考えを裏付ける。