Câu chuyện tiến triển của bệnh thận Apolipoprotein L1: Sự kết thúc của sự khởi đầu

Tóm tắt|Các biến thể mã hóa di truyền trong APOL1, mã hóa apolipoprotein L1 (APOL1), được xác định vào năm 2010 và tương đối phổ biến ở các cá nhân có nguồn gốc châu Phi cận Sahara. Khoảng 13% người Mỹ gốc Phi mang hai alen có nguy cơ APOL1. Những biến thể này, được gọi là G1 và G2, là một biến thể thường xuyênnguyên nhân bệnh thận- được gọi là bệnh thận APOL1 - thường biểu hiện dưới dạng xơ cứng cầu thận cục bộ và biểu hiện lâm sànghội chứng tăng huyết ápVàxơ cứng động mạch. Các nghiên cứu nuôi cấy tế bào cho thấy các biến thể APOL1 gây ra rối loạn chức năng tế bào thông qua một số quá trình, bao gồm thay đổi hoạt động kênh cation,kích hoạt mạnh mẽ,tăng căng thẳng lưới nội chất, hoạt hóa protein kinase R,rối loạn chức năng ty thể, Vàsự gián đoạn của quá trình phổ biến APOL1. Nguy cơ mắc bệnh thận APOL1 chủ yếu chỉ giới hạn ở những người có hai biến thể nguy cơ APOL1. Tuy nhiên, chỉ một số ít cá nhân có hai alen APOL1 có nguy cơ mắc bệnh thận, cho thấy cần phải có 'cú đánh thứ hai'. Yếu tố được công nhận rõ ràng nhất gây ra 'lần tấn công thứ hai' này là nhiễm virus mãn tính, đặc biệt là HIV-1, dẫn đến việc kích hoạt chất kích thích APOL1 qua trung gian interferon, mặc dù hầu hết những người mắc bệnh thận APOL1 không có đồng yếu tố rõ ràng. Các phương pháp điều trị hiện tại cho bệnh thận APOL1 không đủ đểngăn chặn sự tiến triển của bệnh thận mãn tính, VàLiệu pháp phân tử nhắm mục tiêu mớiđang trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng.

CÔNG THỨC THẢO DƯỢC MỚI CHO BỆNH THẬN

Kể từ khi được phát hiện vào năm 1997, những nỗ lực nghiên cứu đã tiết lộ bản chất đa diện của apolipoprotein L1 (APOL1) và đáng chú ý nhất là ý nghĩa của nó đối với việc thích ứng vớibệnh ký sinh trùngvàcơ chế bệnh sinh của bệnh thận. Việc phát hiện ra các biến thể của APOL1 vào năm 2010 đã cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về mức độ phổ biến không cân xứng của bệnh.bệnh thận không đái tháo đườngở những cá nhân có tổ tiên châu Phi cận Sahara1,2. Sau chiến thắng của quân Đồng minh tại El Alamein năm 1942, Winston Churchill đã nói "Nó không phải là kết thúc. Nó thậm chí không phải là sự khởi đầu của sự kết thúc. Nhưng có lẽ, nó là sự kết thúc của sự khởi đầu". Bây giờ, khoảng một thập kỷ sau khi phát hiện ra các biến thể nguy cơ APOL1, có lẽ chúng ta đã đi đến phần cuối của nhiệm vụ tìm hiểu phổ và cơ chế của bệnh thận APOL1. Tuy nhiên, chúng tôi chỉ mới bắt đầu tìm kiếm phương pháp điều trị hiệu quả.

Kiểu gen nguy cơ APOL1, được xác định bởi các alen nguy cơ G1 và G2, không có ở các quần thể không có nguồn gốc châu Phi và có khả năng tiến hóa để bảo vệ người mang mầm bệnh ở Tây Phi khỏi bệnh ngủ ở châu Phi. Sự phân tán của người dân từ Tây và Trung Phi đến Châu Mỹ và các đảo Caribe do hậu quả của hoạt động buôn bán nô lệ xuyên Đại Tây Dương và sự di cư gần đây hơn đã dẫn đến sự phân bố toàn cầu của các biến thể APOL14,5. Do đó, các alen này phổ biến ở người Mỹ gốc Phi, với tần số alen tổng hợp khoảng 34%6,7. Mối liên quan giữa các biến thể APOL1 và chức năng thận chưa được hiểu đầy đủ. Quan sát cho thấy gen APOL1 chức năng (không được tạo giả) chỉ tồn tại ở một số loài linh trưởng châu Phi và việc xác định một cá thể APOL{13}}không có giá trị có chức năng thận bình thường cho thấy rằng gen này không cần thiết cho chức năng thận bình thường8,9 . Từ quan điểm này, các biến thể mã hóa APOL1 liên quan đến bệnh thận dường như đại diện cho các biến thể "tăng rối loạn chức năng"8,10. Do đó, chọn lọc tự nhiên ở các quần thể châu Phi cận Sahara có khả năng đã định hình vị trí này bằng cách cân bằng giữa tác động có lợi của các biến thể đối với khả năng miễn dịch của trypanosomal với tác động bất lợi đối với chức năng thận11. Ngoài tác dụng đối với các bệnh cầu thận nguyên phát, các biến thể di truyền này còn có thể làm thay đổi kết quả ở các tình trạng thận và ngoài thận khác, chẳng hạn như ghép thận cùng loài, bệnh động mạch vành, bệnh cơ tim và tiền sản giật12–15.

Đánh giá này tóm tắt những hiểu biết sâu sắc thu được từ nghiên cứu trong thập kỷ qua về vai trò của các biến thể APOL1 trong bệnh thận và cung cấp bối cảnh cho những phát hiện dự kiến ​​sẽ xuất hiện trong những năm tới. Chúng tôi mô tả các khía cạnh chính của cơ sở kiến ​​thức APOL1, đặc biệt tập trung vào những phát hiện có liên quan nhất đến bệnh thận với sự nhấn mạnh vào hiểu biết của chúng tôi về di truyền, cấu trúc protein và chức năng sinh học của các biến thể APOL1 và mối liên hệ của chúng với bệnh tim thận.

Điểm mấu chốt

• Ngược lại với các thành viên khác trong họ APOL, chủ yếu là nội bào, APOL1 chứa một peptide tín hiệu bài tiết độc nhất, dẫn đến việc nó được bài tiết vào huyết tương.

• Các alen nguy cơ thận APOL1 bảo vệ bệnh trypanosomosis ở người châu Phi nhưng lại là yếu tố nguy cơ gây bệnh thận tiến triển ở những người mang hai alen nguy cơ.

• Tần số alen nguy cơ APOL1 là ~35% trong dân số người Mỹ gốc Phi ở Hoa Kỳ, với ~13% số cá nhân có hai alen nguy cơ; tần số alen cao nhất được tìm thấy ở quần thể Tây Phi và con cháu của họ.

• Các mô hình tế bào và chuột cho thấy rối loạn chức năng nội thể và ty thể, hoạt động của kênh ion bị thay đổi, quá trình tự thực bị thay đổi và hoạt hóa protein kinase R trong cơ chế bệnh sinh của bệnh thận liên quan đến APOL1-; tuy nhiên, mối liên quan của những con đường gây thương tích này với bệnh tật ở người vẫn chưa được giải quyết.

• Bệnh thận APOL1 có xu hướng tiến triển và các liệu pháp điều trị chuẩn hiện nay nhìn chung không có hiệu quả; chiến lược trị liệu nhắm mục tiêu có nhiều hứa hẹn nhất.

Protein APOL1

Năm 1997, các nhà nghiên cứu đang tìm cách xác định các thành phần protein của ApoA1-chứa lipoprotein - hiện diện trong các hạt lipoprotein mật độ cao (HDL) - đã phân lập được một loại protein mới, được gọi là ApoL16. Bốn năm sau, họ mô tả thêm ba thành viên khác trong họ APOL, ApoL I–IV (nay gọi là APOL 1–4). Họ APOL mở rộng hơn nữa vào năm 2001 khi hai nhóm nhân bản cụm gen APOL trên nhiễm sắc thể 22, cũng mã hóa APOL5 và APOL6 (refs17,18). Mặc dù một số nhà nghiên cứu tiếp tục sử dụng "ApoL", nhất quán với thuật ngữ protein từ lĩnh vực lipoprotein, nhưng trong Đánh giá này, chúng tôi sử dụng danh pháp và kiểu dáng do Ủy ban Danh pháp Gen HUGO khuyến nghị cho protein của con người (APOL) và gen (APOL)17.

RNA APOL1 được biểu hiện ở nhiều mô18. APOL1 là gen duy nhất trong số các gen APOL có khả năng mã hóa peptide tín hiệu bài tiết, dẫn đến việc tiết APOL1 vào huyết tương (Hình 1a). Tuy nhiên, APOL1 hiện diện ở người và một số loài linh trưởng Cựu Thế giới, nhưng lại không có ở các động vật có vú khác, cho thấy APOL1 có khả năng phát sinh do sự sao chép gen song song trong quá trình tiến hóa linh trưởng khoảng 30 triệu năm trước19.

Năm 2009, các nghiên cứu về các thành viên họ APOL cho thấy APOL1–6 hiện diện ở người và sự tiến hóa nhanh chóng giữa các loài linh trưởng khỉ xảy ra trong các lĩnh vực liên quan đến tương tác giữa vật chủ và ký sinh trùng. Ví dụ, trong APOL1, các chuỗi có bằng chứng về sự tiến hóa nhanh chóng hiện diện trong hoặc liền kề với miền APOL1, tương tác với kháng nguyên kháng huyết thanh (SRA) trong trypanosome, có khả năng phản ánh thời gian tương tác kéo dài giữa vật chủ và ký sinh trùng20.

Sự phát triển của các biến thể APOL1

Gánh nặng cao về bệnh thận mạn và suy thận - đặc biệt là tần suất cao đáng kinh ngạc của bệnh xơ cứng cầu thận khu trú (FSGS) và bệnh thận liên quan đến HIV (HIVAN) - ở những người Mỹ gốc Phi cho rằng các biến thể nguy cơ cụ thể có thể là nguyên nhân và các biến thể đó có thể được làm phong phú thêm. trên các haplotypes di truyền ở châu Phi. Trong 2008, hai nghiên cứu đã sử dụng chiến lược lập bản đồ hỗn hợp để xác định các đoạn nhiễm sắc thể có nguồn gốc châu Phi được làm giàu ở những bệnh nhân có FSGS được xác nhận bằng sinh thiết và suy thận không mắc bệnh tiểu đường. Một nhóm đã xác định một vùng trên nhiễm sắc thể 22, tập trung vào MYH9, có liên quan chặt chẽ với FSGS và HIVAN; phát hiện này được lặp lại ở những bệnh nhân bị xơ thận do tăng huyết áp và suy thận không do đái tháo đường, nhưng không được lặp lại ở những bệnh nhân bị suy thận liên quan đến đái tháo đường21. Một nhóm khác xác định vùng liên kết tổ tiên châu Phi trên nhiễm sắc thể 22 với bệnh suy thận không do tiểu đường nhưng tương tự, không xảy ra ở bệnh nhân suy thận liên quan đến tiểu đường22. Những phát hiện này đã dẫn đến việc phát hiện ra các biến thể đặc trưng của Châu Phi trong gen APOL1, gần với MYH9, 2 năm sau. Hai nghiên cứu đã xác định ba biến thể APOL1 gần đó trong miền liên kết SRA đầu C của APOL1 (Hình 1a) là nguyên nhân chính gây ra mối liên quan với bệnh thận1. Hai loại đơn bội biến thể được gọi là G1 và G2, với G1 (rs73885319 và rs60910145) bao gồm hai biến thể mã hóa không đồng nghĩa (Ser342Gly, Ile384Met) và G2 (rs71785313) bao gồm việc xóa sáu cặp bazơ dẫn đến hai axit amin xóa: del Asn388 và del Tyr3891. Ở người Tây Phi và các hậu duệ gần đây của họ, hai alen (G1 và G2) tạo thành hai kiểu đơn bội biến thể phổ biến và một kiểu đơn bội không thường xuyên (Hình 1b) 13. Kiểu đơn bội tổ tiên được gọi là G0 và không mang các biến thể G1 hoặc G21,13. Khi không có G0, các biến thể nguy cơ cho thấy mối liên quan chặt chẽ với FSGS, suy thận không do tiểu đường và HIVAN, dẫn đến kết luận rằng chúng góp phần làm tăng nguy cơ mắc các rối loạn thận nói chung ở người Mỹ gốc Phi1,2,13 (Hình . 1c).

Mất chức năng hoặc đạt được rối loạn chức năng

Ngoại trừ một nghiên cứu ở Nam Phi cho thấy mối liên hệ vượt trội của G1 với HIVAN23, bằng chứng áp đảo từ các nghiên cứu đoàn hệ và kiểm soát trường hợp cho thấy các biến thể nguy cơ APOL1 tuân theo mô hình di truyền lặn. Hầu hết các alen lặn đều có liên quan đến sự mất chức năng của gen; tuy nhiên, một số bằng chứng cho thấy các biến thể APOL1 có thể chống lại mô hình này. Mặc dù ít nhất một nghiên cứu in vitro không quan sát thấy độc tính sau biểu hiện của các biến thể nguy cơ APOL1 trong tế bào thận, hỗ trợ cơ chế mất chức năng24, hầu hết các nghiên cứu cho thấy các alen nguy cơ APOL1 tuân theo cơ chế tăng rối loạn chức năng8,9. Một mô hình gợi ý rằng quá trình đa phân hóa APOL1 cho phép chế độ di truyền lặn với các hiệu ứng làm tăng rối loạn chức năng đối với G1 và G2, đồng thời ức chế độc tính bằng G0 (ref.25). Một nghiên cứu khác26 báo cáo rằng G{22}} cứu được độc tính của G1 và G2 bằng cách vận chuyểne các protein biến thể từ mạng lưới nội chất đến tế bào chất trên các giọt lipid; mô hình này gợi ý rằng G{{0}} có thể hoạt động như một chất ức chế độc tính vượt trội bằng cách oligome hóa với các protein biến thể và đóng vai trò là người đi kèm. Những người khác đã phát hiện ra rằng G1 và G2, chứ không phải G0, tạo thành các chất đa phân tử trong ma trận ty thể và gây chết tế bào bằng cách kích hoạt lỗ chân lông chuyển tiếp tính thấm của ty thể27. Gần đây hơn, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một mô hình trong đó các alen có nguy cơ có liên quan đến hoạt động thẩm thấu cation được tăng cường so với kiểu gen tham chiếu28.

Hình 1|Tên miền và biến thể APOL1. một|Protein APOL1 có bốn miền chức năng và một peptide tín hiệu, cần thiết để bài tiết APOL1 do gan sản xuất vào huyết tương. Các dạng APOL1 thiếu peptide tín hiệu do sự ghép nối thay thế được giữ lại dưới dạng protein nội bào. Các dạng đồng phân của biến thể G1 và G2 là nguyên nhân chính gây ra bệnh thận mãn tính qua trung gian APOL1-(CKD). Sự hiện diện của hai đột biến tên lửa (Ser342Gly và Ile384Met) trong trình tự nucleotide mã hóa miền liên kết với protein liên quan đến kháng thuốc trong huyết thanh của APOL1 tạo ra biến thể G1, trong khi việc xóa 6 cặp bazơ dẫn đến mất hai axit amin (delAsn388 và delTry389) tạo ra biến thể G2. b|Ba biến thể nguy cơ thận chỉ tạo thành bốn kiểu đơn bội được quan sát. Do sự gần gũi về mặt vật lý của ba alen liên quan đến bệnh tật nên các sự kiện tái tổ hợp đã không được quan sát thấy và do đó các alen G1 và G2 loại trừ lẫn nhau và không xảy ra cùng nhau trên cùng một nhiễm sắc thể. Các kiểu đơn bội G1 và G2 là duy nhất đối với các cá thể có tổ tiên cận Sahara trong khi kiểu đơn bội G0 tổ tiên được tìm thấy ở tất cả các quần thể trên toàn cầu. Tần số haplotype được hiển thị cho dân số người Mỹ gốc Phi khỏe mạnh7. c|Tính nhạy cảm và khả năng đề kháng (được biểu thị bằng màu đỏ và xanh lam tương ứng) đối với bệnh trypanosomosis châu Phi cấp tính ở người (HAT) do Trypanosoma brucei rhodesiense gây ra và HAT mãn tính do Tb gambiense gây ra và nguy cơ mắc bệnh CKD liên quan đến APOL{28}}, khác nhau tùy theo chức năng của kiểu đơn bội APOL1. Những người mang gen dị hợp tử hoặc đồng hợp tử của alen G{{30}} không có nguy cơ mắc bệnh thận cao hơn. Những người mang 1 hoặc 2 bản sao của alen G1 dễ bị nhiễm Tb gambiense nhưng ít có khả năng phát triển các triệu chứng của HAT; cơ chế của hiệp hội bảo vệ này vẫn chưa được biết. Protein biến thể G2 ly giải Tb rhodesiense một cách hiệu quả trong ống nghiệm, do đó hạn chế sự lây nhiễm ở người mang G2. Những người có kiểu gen G1/G1, G2/G2 và G1/G2 có nguy cơ mắc bệnh CKD cao hơn. Trong một số trường hợp không phổ biến (ví dụ, ở những người nhiễm HIV không được điều trị), những người thuộc nhóm G1/G0 cũng có thể có nguy cơ mắc bệnh CKD cao hơn.

Đáng chú ý, việc so sánh các kiểu đơn bội G1 và G2 xuất hiện tự nhiên với các kiểu đơn bội nhân tạo được sử dụng trong các mô hình thực nghiệm cho thấy sự tồn tại của những thay đổi axit amin trong các vùng khác của các kiểu đơn bội G1 và G2 xuất hiện tự nhiên không có trong các kiểu đơn bội nhân tạo thường được sử dụng. haplotype29. Các biến thể liên kết, xuất hiện tự nhiên này ảnh hưởng đến các đặc tính của protein được biểu hiện và làm thay đổi mức độ độc tính qua trung gian alen có nguy cơ. Những phát hiện này ủng hộ giả thuyết tăng độc tính và giải thích thêm tại sao một số nghiên cứu không quan sát thấy độc tính tăng cường với các biến thể nguy cơ29. Một nghiên cứu thứ 2020 cho thấy các alen có nguy cơ APOL1 có tác dụng độc hại phụ thuộc vào liều lượng đối với tế bào HEK293 của thận phôi người, dẫn đến mất khả năng sống của tế bào, sưng tế bào và rối loạn điều hòa chuyển hóa năng lượng30. Những tác động này không bị suy giảm do sự đồng biểu hiện của G0, ủng hộ quan điểm cho rằng các alen có nguy cơ APOL1 thu được độc tính theo cách đạt được chức năng.