UMOD と腎臓病の構造
Aug 18, 2023
抽象的な
病気のリスク、発症、進行に関連する遺伝的要因の特定腎臓病メカニズムに関する洞察を提供する可能性があり、治療の観点。 20 年も経たないうちに、技術の進歩により、人間の遺伝子構造に関する大量の情報が得られました。慢性腎臓病。 遺伝的影響の範囲は、メンデル病に関与する大きなエフェクトサイズをもつ（超）稀な変異から、多遺伝子性疾患に寄与する非コードでエフェクトサイズが小さい一般的な変異まで多岐にわたります。 ここで、次のパラダイムを確認します。UMODウロモジュリンをコードする遺伝子である、生理学的に重要な腎臓特異的タンパク質がさまざまな腎臓障害にどのように関与しているかを説明します。 この新しい研究分野は、病因および病因における遺伝的変異の重要性を示しています。病気の予後、 と治療上の影響.
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世界的な有病率は10%を超えていると推定されており、個人と社会の負担が大きく、治療の選択肢が限られているため、慢性腎臓病(CKD) は重大な公衆衛生問題です。 CKD は初期段階であっても複数の合併症や有害な転帰を伴い、進行性疾患の主要な危険因子となっています。循環器疾患そして老化[15]。 何十年にもわたって、腎臓によって確保されている複数の機能についてのメカニズムの理解が不足していたため、CKD およびそれに関連する合併症を対象とした薬理学的介入の開発は遅れていました [10、32]。
腎疾患の家族性クラスター、腎機能パラメーターの高い遺伝率、および腎障害に対する近交系動物の感受性の変動性により、腎疾患の遺伝的構造を解読するための強力な努力が推進されています[5、15、37、60]。 腎臓学における最初の遺伝的進歩は、1985 年の常染色体優性多発性嚢胞腎 (ADPKD) のマッピングと 1990 年のアルポート症候群の原因となる COL4A5 の変異の同定でした [1]。 その後、ステロイド抵抗性ネフローゼ症候群、腎症性シスチン症、デント病、バーターおよびギテルマン症候群、腎性尿崩症、ADPKD などの古典的な糸球体および尿細管疾患に関与する遺伝子がすぐに同定されました [10]。 20 年も経たないうちに、次世代シーケンス (NGS) やゲノムワイド関連研究 (GWAS) などの新技術の出現により、遺伝性腎疾患の原因となる遺伝子、または腎機能指標や CKD のリスクに関連する数百の遺伝子が特定されました。 。 次に、これらの洞察により、正常なネフロンセグメントと疾患のあるネフロンセグメントで機能するプロセスについての理解が深まり、新しい治療標的が提供されました[10、60、67]。 これらの発見は、それぞれ稀な遺伝子変異と一般的な遺伝子変異を発見するために、希少疾患を持つ家族と大規模な多民族コホートを集めた共同研究のおかげで可能になりました。 この簡単な総説では、腎臓および正常な尿中に最も豊富に含まれるタンパク質であるウロモジュリンをコードする遺伝子である UMOD の遺伝的変異のパラダイムを使用して、遺伝的アプローチがどのように CKD の構造に関する洞察をもたらす可能性があるかを説明します。 。 これらの研究には、正常な人々から希少疾患に至るまでのスイスのいくつかのコホートと、スイス国立腎臓センターが支援する技術開発が含まれていました。 CH.
疾患における対立遺伝子の頻度と効果の大きさのスペクトル
腎機能の特定の側面に対する遺伝的影響が確立されると、特定の研究により、その形質に関連する疾患の遺伝的構造を解読できるようになります。 疾患に関連する対立遺伝子変異を考慮する場合、次の 3 つの基準が重要です。(i) 集団内の変異の頻度。 (ii) 表現型に対する変異の効果の大きさ。 (iii) 表現型に作用する遺伝的変異の数 [52]。 これらの基準は古典的に X-Y プロットで表され、遺伝的変異の蔓延率が X 軸に、その効果量の大きさが Y 軸に表示されます (図 1)。 この関係は、（超）稀な変異（マイナー対立遺伝子頻度）から始まる対立遺伝子変異のスペクトルを視覚化します。< 1°/00) with large effect size, involved in Mendelian disorders, to common variants (frequency>5%)、一般的な多遺伝子性疾患に関与する影響の大きさは小さい[34]。 これらの遺伝的変異は、それぞれ NGS や GWAS などの新しい技術を使用して識別できます。 中間効果変異体は、GWAS では捕捉されないが配列決定アプローチの影響を受けやすく、連続体の一部であると予測されています (図 1)。 このような遺伝子発見には、集団ベースの研究と希少疾患コホートの両方が不可欠です。
SKIPOGH および CoLaus コホート: 遺伝率および GWAS 研究
スイスの2つの集団ベースのコホートは、腎機能パラメータの遺伝性とCKDにおけるUMOD変動の役割を調査する研究に貴重な支援を提供した（図2）。
CoLaus 研究 (「コホート ローザンノイズ」) は、2003 年にローザンヌ市で開始された縦断的な人口ベースのコホートです。 CoLaus の参加者は、2003 年にローザンヌ住民の完全なリストからランダムに選ばれました [16]。 包含基準は、(i) 書面によるインフォームドコンセント。 (ii) 年齢 35 ～ 75 歳。 (iii) 検査に参加し、血液サンプルを提供する意欲。 (iv) 白人起源。 2006 年の募集終了までに、ベースライン CoLaus データセットには 6538 人の参加者が含まれていました (参加率: 34%)。 参加者は2003年から2006年に初めて受診し、その後2009年から2012年、2014年から2017年、2018年から2021年まで追跡調査した。4回の訪問すべてにおいて、参加者は一晩の絶食の後、ローザンヌ大学病院での午前中の健康診断に参加した。採血、人体測定的特徴の評価、ライフスタイル要因、社会経済的および婚姻状況、個人および家族の疾病歴、および薬物摂取について尋ねる詳細な健康質問票への記入[39]。 CoLaus プロジェクトには、特定の健康関連の結果と環境への曝露を調査することを目的とした一連の「サブ研究」が含まれています (https://www.colaus-psycolaus.ch/)。
図 1 疾患の遺伝的構造: 対立遺伝子の頻度と効果の大きさのスペクトル。 重要な遺伝子の変異は、集団内のリスク対立遺伝子頻度 (x 軸) と効果の大きさの強さ (オッズ比、y 軸) に応じて、希少疾患と複雑な疾患の間の連続体に関与している可能性があります。 (超) 希少対立遺伝子は次世代シーケンシング (NGS) によって特定できますが、一般的なバリアントはゲノムワイド関連研究 (GWAS) によって特定できます。 中間サイズの効果バリアントは、完全に浸透していないメンデル病または疾患の発現性を改変するオリゴ/ポリジェニックモデルとして現れる、二分法を完成すると予測されています。 図は Manolio et al. から引用。 [34]
図 2 CoLaus および SKIPOGH の集団ベースの研究のデザインを要約したインフォグラフィック
高血圧遺伝子に関するスイス腎臓プロジェクト (SKIPOGH) は、腎機能と血圧の遺伝的および環境的決定要因を研究する家族および集団ベースのコホートです。 SKIPOGHは、ローザンヌ市、ジュネーブ州、ベルン州で募集された参加者による多施設の縦断的研究である[46、49]。 開始時に、適格な被験者は、ローザンヌでの集団ベースの CoLaus 研究およびジュネーブでの集団ベースの Bus Santé 研究からランダムに選択されました [26]。 ベルンでは、被験者は州の電話帳を使用してランダムに選択されました。 包含基準は、(i) 書面によるインフォームドコンセント。 (ii) 18 歳以上。 (iii) ヨーロッパ系。 (iv) 研究に参加する意思のある少なくとも 1 人、理想的には 3 人の一親等家族。 参加率はローザンヌで20％、ジュネーブで22％、ベルンで21％だった。 最初の SKIPOGH の波は 2009 年から 2013 年の間に発生しました (ベースライン: SKIPOGH 1)。一方、第 2 の波は 2012 年に始まり 2016 年に終了しました (フォローアップ: SKIPOGH 2)。 SKIP-OGH 1 には、273 の核家族からの 1,128 人の参加者が含まれていました。 どちらのウェーブでも、研究参加者は一晩の絶食の後、採血、腎臓の画像検査、心臓の評価、バイオバンキングを含む朝の診察に参加しました。 参加者は、病歴、投薬摂取、ライフスタイル要因、社会経済的特徴に関する詳細なアンケートに回答しました (http://www.skipo gh.ch/index.php/Welcome_to_the{{ 24}}スキポー_勉強して！）
腎機能パラメータおよび血清および尿中電解質レベルに対する遺伝的および環境的影響の相対的な寄与を推定することは、腎機能に関与する遺伝子の同定を目的とした研究の前提条件です。 いくつかのセンターにわたる標準化されたプロトコルの適用により、推定糸球体濾過率 (eGFR) および血清および尿の濃度、腎クリアランス、主要な電解質の部分的排泄は、家族ベースの SKIPOGH コホートで分析できます [37]。 CKD EPI 式を使用して推定された GFR では、高い遺伝率推定値が観察されました。 (46±6%)、血清クレアチニン (49±6%)、CKD-EPI シスタチン C (58±5%)、および血清尿素 (49±6%)。 血清濃度の遺伝率は、カルシウムで最も高く 37%、ナトリウムで最も低く、13%でした。 すべての確率値は有意でした。 これらの結果は、一般集団における腎機能と電解質恒常性の遺伝的基盤をさらに調査するための基礎を提供しました。
遺伝性研究に加えて、SKIPOGH および/または CoLaus コホートの参加者からのデータが GWAS に含まれ、腎機能と CKD [70]、ウロモジュリンの産生と排泄 [29、40]、アルブミン尿 [58、59] の新しい遺伝子座が特定されました。 ]、血清尿酸値[61]、マグネシウムおよびカルシウムの恒常性[6、7]、浸透圧調節[3]。
腎機能とCKDに対するGWASのUMODバリアント
ゲノムワイド関連研究は、腎機能パラメーターおよび CKD のリスクに関連するゲノム領域 (「遺伝子座」) を明らかにするための有用で公平なツールです。 通常、GWAS では大きなサンプルサイズが必要となり、ゲノム全体で有意な (P 値が得られます)<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 の遺伝子座があり、その遺伝率のほぼ 20% が説明されました [70]。 それらの中で、UMOD 遺伝子座の変異体は、eGFR と CKD に対して最大の効果量を示します [70]。 この効果はウロモジュリンの遺伝的に引き起こされる発現に関連していると考えられており（以下を参照）、さまざまな民族グループにわたって一貫しており、eGFRの急速な低下を含む長期的形質でも観察されます[23]。
UMOD 遺伝子座には、遺伝子プロモーターを含む大きなブロック内で完全な連鎖不平衡 (LD) にある一塩基多型 (SNP; 例: rs12917707 および rs4293393) が含まれます。 これらの SNP の場合、「リスク」対立遺伝子は共通対立遺伝子であり、頻度は 0.765 から 0.955 の範囲にあります [65]。 重要なことに、UMOD プロモーターの変異体は、腎臓におけるウロモジュリンの発現と、尿および血液中のウロモジュリンのレベルに関連しています。 実際、UMOD リスク対立遺伝子のホモ接合保因者は、(マイナー) 防御対立遺伝子のホモ接合保因者と比較して、尿中のウロモジュリンのレベルが 2 倍高くなっています [29、40、64]。 eGFR の最新の GWAS では、染色体 16 上の UMOD に隣接する遺伝子である PDILT 内の強力な独立したシグナルが同定されました [70]。 興味深いことに、PDILT イントロン変異体 rs77924615 はウロモジュリンの尿中レベルと関連しているが、PDILT の発現とは関連しておらず、これがウロモジュリンの発現を調節していることが示唆されている [70]。 この仮説は、rs77924615 と 2 つのメタ GWAS における尿中ウロモジュリン レベルとの独立した関連性によって裏付けられています [29、40]。 UMOD-PDILT 変異体について実験的に検証されているウロモジュリン発現と、同じ遺伝子座の変異体と相関する他の転写物との間の関連の可能性は調査されていません [31]。
UMOD 遺伝子座は、高血圧および偶発的な心血管疾患 [44]、腎臓結石 [25]、および痛風/尿酸 [25、61] とも関連しており、一連の一般的な疾患に対するその重要性が強化されています。 これらのGWASでは、より高いウロモジュリン発現/レベルに関連するUMOD対立遺伝子はCKD、高血圧、および高尿酸血症のリスク増加と関連しているが、それらは腎臓結石に対して保護的である[11、53]。
CKDに対するUMOD遺伝子座の生物学的関連性
UMOD は、腎臓で発現され、正常な尿中に排泄される最も豊富なタンパク質であるウロモジュリンをコードする腎臓特異的遺伝子であるため、腎機能と UMOD GWAS 遺伝子座の関連性はすぐにわかります [11、13、53]。 ウロモジュリンは主にヘンレループの太い上行肢（TAL）によって産生され、程度は低いですが（約10％）遠位尿細管（DCT）の最初の部分でも産生されます[63]。 ウロモジュリンは、透明帯（ZP）ドメインタンパク質ファミリーに属するグリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）アンカータンパク質です（図3）。 このタンパク質は高度にグリコシル化されており (Mw の 30%)、正しいフォールディングに必要な 24 個の分子内ジスルフィド結合に関与する 48 個の保存されたシステイン残基が含まれています。 ウロモジュリンには、4 つの上皮成長因子 (EGF) 様ドメイン、システインリッチ ドメイン (D8C)、およびタンパク質の重合を可能にする二部構成の ZP ドメインが含まれています。 TAL 細胞では、頂端膜に結合した単量体ウロモジュリンが、タンパク質の C 末端近くに位置する保存された切断部位でセリン プロテアーゼ ヘプシンによって切断されます [4、42]。 この切断により、細胞外ウロモジュリンがフィラメントに重合して、尿円柱の主成分である尿中にマトリックス様構造を形成することが可能になる[56]。 最近、天然の尿中ウロモジュリンポリマーの三次元（3D）構造がクライオ電子断層撮影法によって得られ、重合したZPドメインとEGFおよびD8Cドメインから構成される突出アームによって形成されたジグザグ状の骨格が示された[68]。 N-グリコシル化マッピング、生物物理学的アッセイ、およびイメージングにより、ウロモジュリンが大腸菌1型線毛付着因子に結合し、ウロモジュリンフィラメントが尿路病原体と会合して細菌の凝集を媒介し、潜在的に付着を防止し、病原体の除去を促進することが明らかになった[68]。 最近の研究では、カルシウム感知受容体 [62] や 1 型ケラチン KRT40 [29] が果たす役割や、TAL で機能する輸送プロセスの活性など、尿中へのウロモジュリン排泄の制御にも光を当てています [50] 、54、62]。
ウロモジュリンの大部分が先端を標的として尿中で組織化ポリマーを形成する場合、ウロモジュリンは血清中で単量体の形態でも検出され、そのレベルは尿中より少なくとも100-低いレベルであることに注意する必要があります。 [11、53]。 ウロモジュリンの側底側輸送と間質への放出、さらには循環への放出を制御する機構は、本質的に不明のままである。 さまざまな検出法を使用した循環ウロモジュリンの最近のメタ GWAS により、ウロモジュリングリコシル化酵素 B4GALNT2 のミスセンス変異体 (p.Cys466Arg) が血清ウロモジュリン レベルの上昇につながる機能喪失対立遺伝子であり、他の遺伝子座がグリコシル化に影響を与えることが明らかになりました。循環ウロモジュリンの影響[33]。 現在の見解では、間質ウロモジュリンは近位尿細管細胞とクロストークして自然免疫の調節に寄与する一方、循環ウロモジュリンは抗酸化物質として作用する可能性があると考えられている[53]。
ウロモジュリンノックアウト（Umod-/-）マウスでの研究により、ウロモジュリンの役割と腎臓で機能するさまざまなプロセスとの関連性について重要な洞察が得られました。 これらの役割の詳細な説明は、最近のレビューで提供されています [11、53]。 簡単に言うと、尿中のウロモジュリンポリマーは腎臓結石の形成や尿路感染症（UTI）を防ぎます。 ウロモジュリンは、TAL および DCT のナトリウム輸送システムを調節し、血圧と尿の濃縮能力を調節します。 TRPV5、TRPV6、および TRPM6 チャネルを安定化させ、DCT での活性を高めます。 TAL細胞の側底側から間質に放出される少量のウロモジュリンは、隣接する近位尿細管細胞のプロセスを調節し、例えば常在性単核食細胞の量と活性を調節することによって、または循環に入り込み、生来の反応に寄与する可能性がある。抗酸化分子として機能します[53]。 これらすべてのプロセスは、CKD の発症、尿細管間質損傷、腎不全から生じる合併症を考慮する場合に関連します。
図3 ウロモジュリンの生成部位と構造。 ウロモジュリンは主に、太い上行肢 (TAL) の内側を覆う細胞によって生成されます。TAL は、NaCl と二価陽イオンの再吸収に関与する部分ですが、水には透過性がありません。 ウロモジュリンはグリコシルホスファチジルイノシトール (GPI) アンカー型タンパク質で、細胞の頂端膜に移動し、そこでセリンプロテアーゼ ヘプシンによって切断され、尿中に放出され、そこで大きなポリマーを形成します。 これらのポリマーは尿円柱のマトリックスを形成します。 ウロモジュリンの予測構造にはリーダーペプチド (L) が含まれています。 4つのEGF様ドメイン(IからIV)。 システインが豊富な D8C ドメイン。 リンカーによって接続された二部構成の C 末端透明帯ドメイン (ZP_N および ZP_C)。 7 つの N-グリコシル化部位は三角形で示されています。 図は Devuyst et al. から引用。 [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>リスクUMODハプロタイプについてホモ接合性の65歳を、保護的バリアントについてホモ接合性である個人と比較した[65]。 これらの結果を総合すると、UMOD リスク対立遺伝子を保有する被験者では、遺伝的に引き起こされるウロモジュリンの産生増加が時間の経過とともに有害となり、CKD の発症を促進することが示唆されます。 腎臓におけるウロモジュリン産生の増加による悪影響は、代謝需要の増加、塩分再吸収システムの慢性的な活性化、または遠位尿細管の内腔や循環系の欠陥が原因である可能性があり、これらの遺伝子座がなぜ強い老化と関連しているのかを説明しています。効果[11、13]。 注目すべきことに、より高いウロモジュリンレベルに関連するUMODリスクバリアントは、活性化されたNKCC2にも関連しており、したがってフロセミドに対するより高い反応にも関連している[65]。 高血圧患者におけるループ利尿薬に対する反応に対するこれらの UMOD 変異体の潜在的な影響を試験する臨床試験が進行中です (Clinical Trials.gov 識別子: NCT03354897)。
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