Развиващата се история на аполипопротеинова L1 нефропатия: Краят на началото Ⅱ

Географско разпределение на алелите APOL1

Вариантите APOL1 G1 и G2 вероятно са възникнали в Западна Африка след миграциите извън Африка преди 60 000 години1,31 и следователно се срещат само при индивиди с произход от Африка на юг от Сахара. Регионално, алелите G1 и G2 са най-разпространени в Западна Африка, с комбинирано разпространение на алелите от над 40% сред основните етнически групи в Гана и Нигерия 13, 32–34. Въпреки това,разпределение на честотите на алелитее сложен и варира в широки граници сред африканските етнически популации, дори в рамките на един и същи географски регион или страна, вероятно поради актуалната ендогамия в рамките на етническите групи и миграционните модели (фиг. 2).

Trypanosoma brucei (Tb) gambiense и Tb rhodesiense са вътреклетъчни паразити, които причиняват африканска човешка трипанозомиаза (африканска сънна болест). Т. б. rhodesiense е разпространен в източна и южна Африка и причинява острата форма на заболяването, което представлява 2% от всички случаи на трипанозомиаза. Хроничната форма на сънна болест, която се причинява от T. b. gambiense, се среща в западна и централна Африка и представлява 98% от случаите35,36 (фиг. 2). Trypanosoma brucei brucei е подвид, който е физически неразличим от другите два подвида; заразява много гръбначни животни, включително домашни говеда и коне37, но не и хора. Тази селективност на гостоприемника вероятно е резултат от съвместна еволюция, като приматите и трипанозомите разработват мерки и контрамерки, за да осигурят оцеляване. От почти век е известно, че някои трипанозоми не могат да заразят хората, тъй като се лизират от компонент на нормален човешки серум, за който сега се разбира, че е свързан с подклас човешки HDL38.

НОВА БИЛКОВА ФОРМУЛА ЗА ЛЕЧЕНИЕ НА ХБН

Фиг. 2|Глобално разпространение на APOL1 високорискови генотипове и ендемични области на Trypanosoma brucei gambiense и Trypanosoma brucei rhodesiense. Най-голямото разпространение на APOL1 високорискови генотипове, определени като наличието на два рискови алела (т.е. G1/G1, G1/G2 или G2/G2), е в Западна Африка, но носителството на високорискови генотипове се открива в целия под- Сахара Африка и сред тези с африкански произход в Америка и другаде. Данните за честотата на алелите са получени от Nadkarni et al.4 и Limou et al.7 ) и непубликувани данни (CA Winkler, непубликувана работа).

През 2003 г. изследователите направиха основното наблюдение, че APOL1 допринася за лизис на трипанозома чрез действията на трипанозомни литични фактори39. Те също така идентифицираха T. b. rhodesiense ген, който кодира лизозомна SRA, която взаимодейства с С-терминалния домен на APOL1 (фиг. 1а) и придава резистентност към T. b. лизис на rhodesiense от APOL1 in vitro39. Последващите проучвания показват, че максималната анти-трипанозомна активност изисква сглобяването на APOL1 с други компоненти40, присъстващи в HDL частицата, и че това сглобяване е необходимо за защита на хората от инфекция с Tb brucei и Tb evansi40,41. Мисенсните варианти на G1 и делецията на G2 се срещат в домейна на свързване на SRA протеин и насърчават трипанолитична активност на APOL1 in vitro чрез намаляване или предотвратяване на свързването на SRA, съответно, от Tb rhode siense1,31. Въпреки това нито един от вариантите не възстановява трипанолитична активност срещу Tbgambiense1.

НОВА БИЛКОВА ЦИСТАНА ЗА ЛЕЧЕНИЕ НА ХБН

Степента на естествена защита срещу човешката африканска трипанозомиаза (HAT), осигурена от вариантните протеини, не е напълно разбрана. Въпреки че маллитичната активност на трипанозомата се приписва на протеина на варианта APOL1 G2 и в по-малка степен на протеина на варианта G1, като се използват in vitro анализи1 и забавена паразитемия е демонстрирана при трансгенни мишки, експресиращи варианта APOL1 G131, ефектите от тези варианти на естествена инфекция и развитие на остра и хронична HAT, причинена съответно от Tb rhodesiense и Tb gambiense, не е напълно изяснен. Констатациите от проучванията случай-контрол от HAT ендемични региони на Африка на юг от Сахара показват, че защитата, предадена от вариантите G1 и G2, е сложна (фиг. 1c). В едно проучване случай-контрола, вариантът G2 предотвратява инфекция от Tb rhodesiense, ендемична за Източна Африка, в съответствие с in vitro констатациите. Въпреки това, докато G2 се свързва с развитието на симптоматична HAT при тези, заразени с Tb gambiense, ендемичен за Западна и Централна Африка42, вариантът G1 се свързва с асимптоматична Tb gambiense паразитемия, но по-специално не повлиява риска от инфекция от Tb Rhode sense или Tb gambiense42. Тези диференциални ефекти бяха потвърдени от второ проучване, което установи, че вариантът G2 е свързан с по-висок риск от развитие на свързана с Tb gambiense HAT, докато вариантът G1 е свързан с по-нисък риск43 (фиг. 1c). За разлика от това, проучване от 2018 г. не наблюдава значими асоциации между наличието на рискови алели APOL1 и HAT в две угандийски популации, които са били изложени и на трипанозомни видове44. Тези проучвания предполагат, че ефектите върху инфекцията с трипанозома и тежестта на HAT могат да се различават регионално поради локални адаптации от гостоприемника и патогена. Несъответствието между географското разпределение на честотите на алелите и трипанозомната чувствителност също повдига възможността за все още неидентифициран източник на селективен натиск, действащ върху APOL1.

По този начин съществува сложно взаимодействие между еволюцията на APOL1 и трипанозомните инфекции и свързаният селективен натиск в Африка на юг от Сахара вероятно е основният двигател в основата на появата на рискови алели APOL1 и свързаните с тях токсичности за крайни органи, наблюдавани в клиничната практика днес

APOL1 и бъбречно заболяване

След откриването на вариантите на APOL1, няколко проучвания съобщават за силни връзки между рисковите варианти на APOL1 ибъбречно заболяване, по-специално FSGS и HIVAN (коефициенти на шансове съответно 17 и 29 в Съединените щати (и 89 за HIVAN в Южна Африка)), но също и със сърповидноклетъчна нефропатия и по-специалноимунно-медиирани бъбречни заболявания, включително лупусен нефрит13,23,45–48. При пациенти с определени форми на ХБН наличието на два рискови алела APOL1 се свързва с по-бърза прогресия на заболяването и повишенариск от бъбречна недостатъчност49. Други проучвания показват, че макар и малко иначе здрави, възрастни на млада до средна възраст с два рискови алела APOL1, нормална изчислена скорост на гломерулна филтрация (eGFR) и никаква или ниска степен на протеинурияразвиват бъбречно заболяванепо време на живота си някои от тези индивиди наистина развиват инцидентно бъбречно заболяване9,50,51. Тези констатации предполагат, че е необходим "втори удар", за да започне увреждане на бъбреците при индивиди с APOL1 рискови генотипове52. Факторите, считани за втори удар, включват генетични варианти извън APOL1, системни фактори и фактори на околната среда45,53,54. Най-утвърдените системни фактори са вирусни инфекции (например ХИВ) и, по-общо, системни повишения на нивата на интерферон. Сега е очевидно, че APOL1 се експресира по интерферон-зависим начин55.

През последните няколко години е наблюдавано, че състоянието на рисковия алел APOL1 променяриск от увреждане на бъбрецитесвързано със SARS-CoV-2 инфекция. Съобщени са случаи на колабираща гломерулопатия при индивиди с рискови варианти на APOL1 с COVID-19 и хипервъзпалителни характеристики, потенциално отразяващи състояние с високо ниво на интерферон56,57. Трябва да се отбележи обаче, че един доклад за случай описва пациент с колапсираща гломерулопатия, свързана с COVID-19-в условията на един рисков алел APOL158, което предполага потенциален доминиращ ефект или съществуването на друго неизвестно второ попадение.

Проучванията през последните няколко години показват товареципиенти на бъбречна трансплантацияс APOL1 високорисков генотип донорни бъбреци имат по-нисък eGFR при проследяване и по-лоша преживяемост на алографта15,59–61. Въпреки това, дали наличието на два рискови алела APOL1 в реципиента на трансплантация влияе върху резултата от трансплантирания бъбрек, не е ясно, като проучванията показват противоречиви резултати 62,63. Освен това донорите на бъбреци с два рискови алела APOL1 имат повишен риск от намалена бъбречна функция след донорство на бъбрек, което има потенциал да прогресира до бъбречна недостатъчност, което предполага, че трябва да се обмисли консултиране, за да се информират потенциалните донори на бъбреци с рискови варианти на APOL1 за свързаните рискове61 . Следователно най-убедителният случай за генетично тестване на APOL1 в клиничната среда в момента е бъбречна трансплантация, особено за потенциални живи донори64,65. Текущо проучване, финансирано от NIH - проучването APOL1 за дългосрочни резултати от бъбречна трансплантация (APOLLO) - е насочено към проспективно определяне на резултатите при живи донори на бъбрек с африкански произход и при реципиенти на бъбреци от живи и починали донори от лица с африкански произход, за да се подобрят дефинира ефекта на рисковите алели APOL1 върху резултатите от трансплантацията и ще предостави данни, с които да насочва пациентите и клиницистите при преценката на риска от трансплантация за живи донори и реципиенти66,67. Рисковият статус на APOL1 също се свързва с бъбречно заболяване при деца, най-силно в условията на HIV инфекция 68,69. Доклади от две големи педиатрични кохорти - проучването на Хроничното бъбречно заболяване при деца (CKiD) и Мрежата за изследване на нефротичния синдром (NEPTUNE) - показват, че децата с високорисков генотип имат по-високо разпространение на FSGS, отколкото тези с нискорисков генотип и че заболяването често следва агресивен курс70. Към днешна дата не е установена значима корелация между плазмените нива на APOL1 и бъбречната функция, с възможното изключение на бъбречна трансплантация, както е обсъдено по-долу 71. Освен това, проучвания върху миши модели на бъбречно заболяване, свързано с APOL1-, показват, че експресията на рисковите варианти на APOL1 в подоцитите е свързана с функционални (албуминурия и азотемия), хистоморфологични (изтриване на крака на подоцитите и гломерулосклероза) и характерни молекулярни (генна експресия) промени72. Заедно с опита с бъбречна трансплантация, тези открития предполагат, че експресираният в бъбреците APOL1 е основният двигател на бъбречно увреждане, а не циркулиращият APOL1 в плазмата15,61.

Локализация на APOL1 в бъбреците.

През 2011 г. имунохистохимични проучвания демонстрираха локализирането на APOL1 в подоцити, артериоларен ендотел и проксимален тубуларен епител в бъбречна тъкан от здрави индивиди и пациенти с FSGS или HIVAN73. Интересно е, че въпреки запазването на подоцитните маркери, по-малко подоцити в гломерулите от пациенти с FSGS и HIVAN експресират APOL1 в сравнение с подоцитите в нормалните бъбреци. От друга страна, повишено оцветяване с APOL1 се наблюдава във васкулатурата на болни бъбреци, с експресия, локализирана в подгрупа от -гладкомускулни актин-позитивни клетки, средата на средно големи артерии и артериоли. Моделите на експресия са сходни както в случаите на HIVAN, така и в случаите на FSGS, което кара изследователите да предложат, че силната експресия на APOL1 в специфични бъбречни клетки е маркер за de novo синтез на APOL1 в бъбречната тъкан, а не следствие от отлагането на плазмен APOL1 в бъбреците.

Последващата оценка на тази хипотеза от други изследователи доведе до заключението, че APOL1 в бъбречните клетки се получава както от клетъчния синтез, така и от поглъщането от плазмата или гломерулния филтрат. Използвайки индиректна имунофлуоресцентна микроскопия на бъбречна тъкан от здрави индивиди, тези изследователи отбелязват повече APOL1 протеин в подоцитите и по-малко протеин в тубулните епителни клетки. Изследванията на флуоресцентна in situ хибридизация разкриха експресия на APOL1 иРНК в подоцити, ендотелни клетки и проксимални тубули, потвърждавайки ендогенното производство на APOL1 в ограничен набор от бъбречни клетки. Тези резултати са в съответствие с проучванията на клетъчни линии, получени от бъбреците, в които както APOL1 mRNA, така и протеинът са открити в проксималните тубулни епителни клетки и гломерулни ендотелни клетки, с по-ниска експресия в подоцитите. Освен това, тези проучвания демонстрират поемането на протеин APOL1 от култивирани подоцити, но не и от култивирани гломерулни ендотелни клетки и проксимални тубулни клетки74. Изследвания на трансгенни модели на риба зебра също показват ко-локализация на APOL1 с подоцитни маркери и в по-малка степен с ендотелни клетки. В подоцитите експресията на APOL1 е по-забележима в тялото на подоцитите, отколкото в процесите на краката75. Заедно тези данни показват, че производството на APOL1 се случва в бъбреците и може да доведе до локално увреждане

Нива на APOL1 в плазмата.

Въпреки значението на експресирания в бъбреците APOL1 за бъбречно увреждане, по-голямата част от APOL1 се произвежда в черния дроб и циркулира в плазмата. Няколко групи оцениха последиците от циркулиращия APOL1 и показаха, че нивата не корелират с риска от бъбречно заболяване, подчертавайки съществената роля на експресирания в бъбреците APOL1 при бъбречно заболяване71,76,77. По-скорошно проучване предполага, че циркулиращите варианти на APOL1 имат имуномодулираща роля, свързана с Т-клетъчно медиирано отхвърляне и цензурирана от смъртта загуба на алографт63. Необходими са допълнителни проучвания, за да се установи ролята на нивата на APOL1 в кръвообращението. Изследванията на бъбречна трансплантация осигуряват уникална настройка за разграничаване на ефектите от системната експресия на APOL1 и ограничената от бъбреците експресия на APOL1.

Модели на APOL1-свързано бъбречно заболяване.

Генът APOL1 отсъства от всички експериментални животни, използвани за моделиране на човешки разстройства и по този начин разработването на животински модели на разстройства, свързани с APOL1-, изисква трансгенни подходи. Няколко групи са разработили трансгенни миши модели на APOL1 нефропатии. Мишки с подоцит-специфична експресия на APOL1 G2 вариантите под нефринов промотор не демонстриратявни прояви на бъбречно заболяванено има по-ниска плътност на подоцитите от APOL1 G0-трансгенни мишки на около 6-месечна възраст. Въпреки това, трансгенните мишки APOL1 G2 и в по-малка степен трансгенните мишки APOL1 G0 показват фенотип, подобен на прееклампсия, свързан с бременността78. Трансгенни миши модели с подоцит-специфична и тубулно-специфична експресия на APOL1 G0, G1 или G2 изоформи също са генерирани с помощта на тетрациклин-индуцируем усилен зелен флуоресцентен протеин (EGFP)-експресиращ плазмиден вектор. Мишки с гломерулна експресия на някой от рисковите алели на APOL1, но не и на общия вариант, развиха протеинурия и гломерулосклероза, като степента на гломерулосклероза корелира с нивото на експресия на APOL172. Обратно, мишки с тубулно-специфична експресия на APOL1 не демонстрират бъбречни аномалии, подчертавайки важността на гломерулната и по-специално подоцитната експресия на APOL172. Трансгенни мишки с индуцирана от доксициклин експресия на APOL1 в подоцити също показват протеинурия и FSGS лезии79.

Други подходи за изследване на APOL1 бъбречно заболяване включват хидродинамично доставяне на човешка APOL1 иРНК на мишки. Използвайки тази техника, мишките, получаващи APOL1 рискови варианти, показват повече увреждане на черния дроб и бъбреците, отколкото тези с APOL1 G0 вариант 31,41,80.

Използвани са и други моделни организми. Генът zAPOL1 в рибката зебра е хомоложен на човешкия ген APOL175,81,82. Този ген е от съществено значение за нормалната гломерулна функция при рибата зебра, тъй като загубата на функция е свързана с разстройство на гломерулната архитектура. При рибки зебра с делеция на zAPOL1, експресията на човешкия APOL1 G0 вариант води до подобряване на гломерулната функция, докато експресията на G1 и G2 вариантите не го прави82,83. Нещо повече, трансгенната експресия на G1 и G2 вариантите води до фини промени в бъбречната структура, които са очевидни само при електронна микроскопия; тези изменения не присъстват в APOL1-G0 трансгенни рибки зебра. Подобни констатации са докладвани при изследвания на нефроцити на Drosophila, които показват функционални и структурни прилики с подоцитите. В тези клетки експресията на два варианта APOL1 G1 и G2 причинява дефекти във вътрешноорганелното подкисляване, което води до клетъчна хипертрофия и последваща смърт 84,85.

Асоциации на заболяването APOL1 извън бъбреците

Рисковите варианти на APOL1 могат да бъдат свързани със заболявания, различни от бъбречни заболявания86, като някои доказателства подкрепят връзката със сърдечно-съдови заболявания87, включително атеросклероза88,89, хипертония90,91, остър коронарен синдром и миокарден инфаркт88, инсулт92 и сърдечна недостатъчност93 ,94. Данните относно тези асоциации обаче са противоречиви. Въпреки че някои проучвания съобщават за по-висока сърдечно-съдова смъртност сред пациенти с рискови варианти на APOL195, други проучвания, включително мета-анализ на 21 305 чернокожи лица от осем кохорти, не подкрепят силна корелация между рисковите варианти на APOL1 и сърдечно-съдовите заболявания51,93,96–98 .

Възможно е също да съществуват асоциации между рисковите варианти на APOL1 и прееклампсията - усложнение на бременността, което е по-често срещано при популации от субсахарски африкански произход, отколкото при други популации99. Проучване 2018 съобщава, че въпреки че майчиният рисков генотип APOL1 не е свързан с прееклампсия, майките на фетуси с два рискови алела APOL1 са имали по-висок риск от прееклампсия, отколкото майките на фетуси с нискорискови алели14, със съотношение на шансовете от 1.8. Тази констатация беше потвърдена и разширена във второ проучване, което също установи, че APOL1 алелното несъответствие между плода и майката е свързано с почти трикратно повишени шансове за прееклампсия100. Въпреки това, както е описано по-рано, изследване на APOL1 трансгенни мишки показа, че фенотип, подобен на еклампсия, е свързан с рисковия алел G2 и също така неочаквано с генотипа G0; ефектът на G1 рисковия алел не е изследван78. Появата на фенотип на прееклампсия при майки без ортологичен APOL1 ген може да се дължи на експресията на фетален APOL1 трансген в плацентата, което води до несъвместимост на плода и майката, или на общата токсичност на високи нива на APOL1 протеин, независимо от генотип. Други проучвания също демонстрират връзка на генотип APOL1 със сепсис при чернокожи възрастни101,102. Механизмът за този ефект остава неясен и изисква допълнително внимание.

Механизми на клетъчно увреждане

Предложени са различни механизми на APOL{0}}медиирана клетъчна токсичност, които може да са в основата на връзката между рисковите варианти на APOL1 и бъбречното заболяване. Няколко от тях са описани по-долу (фиг. 3; таблица 1).

APOL1 и лизозомна дисфункция.

През 2007 г. изследователите показаха, че APOL1 убива трипанозомите чрез образуване на пори в лизозомната мембрана на трипанозомата, към която APOL1 преминава след поглъщане в паразита103. Използвайки ендоцитоза, паразитът поема APOL1 в комплекс с HDL, от който паразитът получава липиди и желязо20. Структурата на рН-чувствителния мембранно-адресиращ домейн на APOL1 съдържа област на фиби, която свързва две -спирали. Този структурен елемент претърпява конформационна промяна в киселата среда на лизозомата, което позволява вмъкването на APOL1 в мембраната на лизозомата и активиране на домена, образуващ пори APOL1. APOL1-медиираното образуване на пори разрушава лизозомната мембрана, предизвиквайки неконтролиран приток на йони от цитоплазмата в лизозомата. Този процес води до осмотично набъбване на лизозомата и евентуална трипанозомна смърт25,104,105.

През 2003 г. беше идентифициран карбокси-краен -спирален домен в APOL1, който взаимодейства с амино-терминала на SRA в T. b. rhodesiense (фиг. 1а). Както беше описано по-рано, този домейн на SRA придава резистентност към APOL1, избягвайки защитата на гостоприемника и позволявайки на трипанозомата да причини човешко заболяване39. Последващо проучване показа, че взаимодействието със SRA променя вътреклетъчния трафик на APOL1, което води до неговото локализиране в SRA-съдържащи цитоплазмени везикули вместо в лизозомите, като по този начин инхибира мембранната токсичност в паразита106. Допълнителни изследвания на С-терминалната спирала на APOL1 потвърдиха, че взаимодействието на SRA домейна с тази област на APOL1 инхибира токсичността на APOL1 чрез предотвратяване на порообразуващата активност, като по този начин защитава трипанозомата107.

Трябва да се отбележи, че APOL1 причинява лизозомна дисфункция в култивирани човешки бъбречни клетки, както и в паразити. Вариантите APOL1 G1 и G2 намаляват броя на лизозомите в подоцитите, което води до изтичане на лизозомни ензими в цитоплазмата108. Свръхекспресията на рисковите варианти на APOL1 в култивирани подоцити е свързана с лизозомно подуване на подоцитите; също така може да възникне сомална дисфункция чрез функционално понижено регулиране на механистичната цел на рапамицин (mTOR)109.

Таблица 1|Възможни механизми на APOL1-свързано гломерулно увреждане

преминаване на калцеин, 623 Da отрицателно заредена молекула при неутрално pH. Установено е, че активността на APOL1 канал има три изисквания, които позволяват на APOL1 да се асоциира с образуващи пори везикули: ниско рН, наличие на отрицателно заредени фосфолипиди в мембраните на везикулите и ниска йонна сила108.

В съгласие с тези констатации, проучване от 2005 г. съобщава, че APOL1 образува различни анион-селективни пори в еднослойни везикуларни мембрани, като по този начин насърчава притока на хлорид. Изследователите спекулират, че пасивното навлизане на хлорид през анион-селективни канали се улеснява от първоначалния приток на извънклетъчен натрий надолу по неговия концентрационен градиент. Полученият осмотичен дисбаланс води до пасивно навлизане на вода в клетката, което насърчава клетъчното подуване и трипанозомния лизис111.

Проучване от 2015 г. обаче съобщава доста различни резултати, показващи, че APOL1-медиираният лизис на трипанозома изисква киселинно рН за първите стъпки, при които APOL1 взаимодейства и се вмъква във вакуоларните липидни двойни слоеве. Изследователите съобщават, че APOL1 впоследствие се транспортира до плазмената мембрана, където е изложен на некиселинно pH, което позволява на APOL1 да отвори pH-чувствителни неселективни катионни канали, диполярно оразмеряване на трипанозомната мембрана и убиване на трип-анозомата112. Последваща публикация подкрепи катион-селективния характер на тези йонни канали, като показа, че клетките на бозайници, експресиращи APOL1 рискови варианти, имат повишена неселективна пропускливост на катиони и насърчават нетен изтичане на вътреклетъчен калий през плазмените мембрани113. Съвсем наскоро беше отбелязано, че популация от катионни канали на плазмената мембрана за натрий и калций е селективно експресирана в HEK293 клетки, експресиращи рискови варианти на APOL1114.

Тези противоречиви открития могат да се обяснят с предположението, че селективността на йонните канали на APOL1 може да се превключва на pH. При pH 5, APOL1 може да насърчи пропускливостта на хлорид през анионни канали; при неутрално pH, той улеснява катионната (калиева) пропускливост, докато няма почти никаква канална активност в основна среда. Пропускливостта и за двата йона изисква отрицателно заредени фосфолипиди за максимална активност. Освен това, калиевите канали изискват калциеви йони за правилното функциониране. Тази рН-превключваща йон-селективна пропускливост може да обясни както активността на анионния, така и на катионния канал, докладвана по-рано за APOL1 в среди на вътреклетъчната и плазмената мембрана, съответно, тъй като разликите могат да се дължат на разликите в рН в различните вътреклетъчни отделения при определени експериментални условия115.