Развивающаяся история аполипопротеиновой нефропатии L1: конец начала Ⅱ

Географическое распространение аллелей APOL1

Варианты APOL1 G1 и G2, вероятно, возникли в Западной Африке после миграций из Африки 60000 лет назад1,31 и, таким образом, встречаются только у людей с африканским происхождением к югу от Сахары. На региональном уровне аллели G1 и G2 наиболее распространены в Западной Африке, при этом совокупная распространенность аллелей превышает 40% среди основных этнических групп в Гане и Нигерии13,32–34. Однакораспределение частот аллелейявляется сложным и широко варьируется среди африканских этнических популяций, даже в пределах одного географического региона или страны, вероятно, из-за актуальной эндогамии внутри этнических групп и моделей миграции (рис. 2).

Trypanosoma brucei (Tb) gambiense и Tb rhodesiense — внутриклеточные паразиты, вызывающие африканский трипаносомоз человека (африканскую сонную болезнь). Т. б. rhodesiense распространен в восточной и южной Африке и вызывает острую форму заболевания, составляя 2% всех случаев трипаносомоза. Хроническая форма сонной болезни, вызываемая T. b. gambiense встречается в Западной и Центральной Африке и составляет 98% случаев35,36 (рис. 2). Trypanosoma brucei brucei — подвид, физически неотличимый от двух других подвидов; он инфицирует многих позвоночных, включая домашний крупный рогатый скот и лошадей37, но не человека. Такая избирательность к хозяину, вероятно, является результатом совместной эволюции, когда приматы и трипаносомы разрабатывают меры и контрмеры для обеспечения выживания. Уже почти столетие известно, что некоторые трипаносомы не могут инфицировать человека, поскольку они лизируются компонентом нормальной человеческой сыворотки, который, как сейчас считается, связан с подклассом человеческого ЛПВП38.

НОВАЯ ТРАВЯНАЯ ФОРМУЛА ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ХБП

Рис. 2|Глобальное распространение генотипов высокого риска APOL1 и эндемичных территорий Trypanosoma brucei gambiense и Trypanosoma brucei rhodesiense. Самая высокая распространенность генотипов высокого риска APOL1, определяемая как наличие двух аллелей риска (т.е. G1/G1, G1/G2 или G2/G2), наблюдается в Западной Африке, но носительство генотипов высокого риска обнаружено во всех субрегионах. Сахара, а также среди лиц африканского происхождения в Америке и других странах. Данные о частоте аллелей взяты из Nadkarni et al.4 и Limou et al.7) и неопубликованных данных (CA Winkler, неопубликованная работа).

В 2003 году исследователи сделали плодотворное наблюдение, что APOL1 способствует лизису трипаносом посредством действия литических факторов трипаносом39. Они также выявили T. b. ген rhodesiense, кодирующий лизосомальный SRA, который взаимодействует с С-концевым доменом APOL1 (рис. 1а) и придает устойчивость к T. b. rhodesiense с помощью APOL1 in vitro39. Последующие исследования показали, что максимальная антитрипаносомная активность требует сборки APOL1 с другими компонентами40, присутствующими в частицах ЛПВП, и что эта сборка необходима для защиты людей от инфекций Tb brucei и Tb evansi40,41. Миссенс-варианты G1 и делеция G2 встречаются в домене связывания белка SRA и способствуют трипанолитической активности APOL1 in vitro за счет уменьшения или предотвращения связывания SRA, соответственно, с помощью Tb rhode siense1,31. Однако ни один из вариантов не восстанавливает трипанолитическую активность против Tbgambiense1.

НОВЫЙ ТРАВЯНОЙ ЦИСТАНЧ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ХБП

Степень естественной защиты от африканского трипаносомоза человека (HAT), обеспечиваемая вариантами белков, до конца не изучена. Хотя малитическая активность трипаносом приписывается вариантному белку APOL1 G2 и, в меньшей степени, вариантному белку G1, с использованием анализов in vitro1, а отсроченная паразитемия была продемонстрирована на трансгенных мышах, экспрессирующих вариант APOL1 G131, эффекты этих варианты естественного заражения и развития острой и хронической ГАТ, вызванной Tb rhodesiense и Tb gambiense соответственно, до конца не изучены. Результаты исследований «случай-контроль» в эндемичных по HAT регионах Африки к югу от Сахары показывают, что защита, обеспечиваемая вариантами G1 и G2, является сложной (рис. 1c). В одном исследовании «случай-контроль» вариант G2 предотвращал заражение Tb rhodesiense, эндемичным для Восточной Африки, что согласуется с результатами in vitro. Однако, тогда как G2 был связан с развитием симптоматической HAT у лиц, инфицированных Tb gambiense, эндемичным для Западной и Центральной Африки42, вариант G1 был связан с бессимптомной паразитемией Tb gambiense, но заметно не влиял на риск заражения любым Tb Rhode sense или Tb gambiense42. Эти дифференциальные эффекты были подтверждены вторым исследованием, которое показало, что вариант G2 был связан с более высоким риском развития HAT, связанного с Tb gambiense, тогда как вариант G1 был связан с более низким риском43 (рис. 1c). Напротив, исследование 2018 года не выявило значимой связи между наличием аллелей риска APOL1 и HAT в двух популяциях Уганды, которые подвергались воздействию обоих видов трипаносом44. Эти исследования показывают, что влияние на трипаносомную инфекцию и тяжесть HAT может различаться в зависимости от региона из-за местной адаптации хозяина и патогена. Несоответствие между географическим распределением частот аллелей и чувствительностью трипаносом также повышает вероятность существования пока неидентифицированного источника селективного давления, действующего на APOL1.

Таким образом, существует сложное взаимодействие между эволюцией APOL1 и трипаносомными инфекциями, и связанное с этим селективное давление в странах Африки к югу от Сахары, вероятно, является основным фактором, лежащим в основе появления аллелей риска APOL1 и связанной с этим токсичности для органов-мишеней, наблюдаемой сегодня в клинической практике.

APOL1 и заболевания почек

После открытия вариантов APOL1 в нескольких исследованиях сообщалось о сильной связи между вариантами риска APOL1 иболезнь почек, особенно ФСГС и ВИЧАН (отношение шансов 17 и 29 соответственно в США (и 89 для ВИЧАН в Южной Африке)), а также при серповидноклеточной нефропатии и особенностяхиммуноопосредованные заболевания почек, включая волчаночный нефрит13,23,45–48. У пациентов с определенными формами ХБП наличие двух аллелей риска APOL1 было связано с более быстрым прогрессированием заболевания и увеличениемриск почечной недостаточности49. Другие исследования показали, что, хотя и мало здоровых взрослых людей молодого и среднего возраста с двумя аллелями риска APOL1, нормальной расчетной скоростью клубочковой фильтрации (рСКФ) и отсутствием или низкой протеинуриейразвивается заболевание почекв течение жизни у некоторых из этих людей действительно развивается заболевание почек9,50,51. Эти результаты позволяют предположить, что для инициирования повреждения почек у людей с генотипами риска APOL1 необходим «второй удар»52. Факторы, рассматриваемые как вторые совпадения, включали генетические варианты помимо APOL1, системные факторы и факторы окружающей среды45,53,54. Наиболее установленными системными факторами являются вирусные инфекции (например, ВИЧ) и, в более общем смысле, системное повышение уровня интерферона. Сейчас очевидно, что APOL1 экспрессируется интерферон-зависимым образом55.

За последние пару лет было замечено, что статус аллеля риска APOL1 изменяетриск повреждения почексвязанный с инфекцией SARS-CoV-2. Сообщалось о случаях коллапсирующей гломерулопатии у лиц с вариантами риска APOL1 с COVID-19 и гипервоспалительными признаками, что потенциально отражает состояние высокого уровня интерферона56,57. Следует, однако, отметить, что в одном сообщении о случае описан пациент с коллапсирующей гломерулопатией, связанной с COVID-19-, на фоне одного аллеля риска APOL158, что позволяет предположить потенциальный доминантный эффект или существование другого неизвестного второго удара.

Исследования последних нескольких лет показали, чтореципиенты трансплантата почкидонорские почки с генотипом высокого риска APOL1 имеют более низкую рСКФ при последующем наблюдении и меньшую выживаемость аллотрансплантата15,59–61. Однако неясно, влияет ли наличие двух аллелей риска APOL1 у реципиента трансплантата на исход пересаженной почки, а исследования показывают противоречивые результаты (62,63). Кроме того, доноры почек с двумя аллелями риска APOL1 имеют повышенный риск снижения функции почек после донорства почки, что может привести к развитию почечной недостаточности, что позволяет предположить, что следует рассмотреть возможность консультирования для информирования потенциальных доноров почек с вариантами риска APOL1 о связанных рисках61 . Поэтому наиболее убедительным аргументом в пользу генетического тестирования APOL1 в клинических условиях в настоящее время является трансплантация почки, особенно у потенциальных живых доноров64,65. Продолжающееся исследование, финансируемое НИЗ, — APOL1 Long-term Kidney Transplantation Outcomes Study (APOLLO) — направлено на проспективное определение результатов у живых доноров почек африканского происхождения и у реципиентов живых и умерших донорских почек от людей африканского происхождения, чтобы улучшить определят влияние аллелей риска APOL1 на результаты трансплантации и предоставят данные, которые помогут пациентам и врачам оценить риск трансплантации для живых доноров и реципиентов66,67. Статус риска APOL1 также был связан с заболеванием почек у детей, наиболее сильно на фоне ВИЧ-инфекции 68,69. Отчеты двух крупных педиатрических групп — исследования «Хроническая болезнь почек у детей» (CKiD) и исследования Сети изучения нефротического синдрома (NEPTUNE) — показывают, что дети с генотипом высокого риска имеют более высокую распространенность ФСГС, чем дети с генотипом низкого риска. и что заболевание часто имеет агрессивное течение70. На сегодняшний день не выявлено значимой корреляции между уровнями APOL1 в плазме и функцией почек, за возможным исключением трансплантации почки, как обсуждается ниже 71. Более того, исследования на мышиных моделях APOL1-ассоциированного заболевания почек показали, что Экспрессия вариантов риска APOL1 в подоцитах связана с функциональными (альбуминурия и азотемия), гистоморфологическими (стирание отростков подоцитов и гломерулосклероз) и характерными молекулярными (экспрессия генов) изменениями72. Вместе с опытом трансплантации почек эти данные позволяют предположить, что экспрессируемый почками APOL1 является основным фактором повреждения почек, а не циркулирующий в плазме APOL115,61.

Локализация APOL1 в почках.

В 2011 году иммуногистохимические исследования продемонстрировали локализацию APOL1 в подоцитах, эндотелии артериол и проксимальном канальцевом эпителии в ткани почек здоровых людей и пациентов с ФСГС или ВИЧАН73. Интересно, что, несмотря на сохранение маркеров подоцитов, меньше подоцитов в клубочках пациентов с ФСГС и ВИЧАН экспрессируют APOL1 по сравнению с подоцитами в нормальных почках. С другой стороны, повышенное окрашивание APOL1 наблюдалось в сосудистой сети больных почек, при этом экспрессия локализовалась в подмножестве гладкомышечных актин-позитивных клеток, среде артерий среднего размера и артериолах. Паттерны экспрессии были схожими как в случаях ВИЧAN, так и в случаях FSGS, что побудило исследователей предположить, что сильная экспрессия APOL1 в специфических клетках почек является маркером синтеза APOL1 de novo в ткани почек, а не следствием отложения APOL1 в почках в плазме.

Последующая оценка этой гипотезы другими исследователями привела к выводу, что APOL1 в клетках почек возникает как в результате клеточного синтеза, так и в результате поглощения из плазмы или клубочкового фильтрата. Используя непрямую иммунофлуоресцентную микроскопию ткани почек здоровых людей, эти исследователи отметили больше белка APOL1 в подоцитах и ​​меньше белка в эпителиальных клетках канальцев. Исследования флуоресцентной гибридизации in situ выявили экспрессию мРНК APOL1 в подоцитах, эндотелиальных клетках и проксимальных канальцах, подтверждая эндогенную продукцию APOL1 в ограниченном наборе клеток почек. Эти результаты согласуются с исследованиями клеточных линий, полученных из почек, в которых как мРНК, так и белок APOL1 были обнаружены в эпителиальных клетках проксимальных канальцев и эндотелиальных клетках клубочков с более низкой экспрессией в подоцитах. Более того, эти исследования продемонстрировали поглощение белка APOL1 культивируемыми подоцитами, но не культивируемыми эндотелиальными клетками клубочков и клетками проксимальных канальцев74. Исследования на моделях трансгенных рыбок данио также показали совместную локализацию APOL1 с маркерами подоцитов и, в меньшей степени, с эндотелиальными клетками. В подоцитах экспрессия APOL1 была более выражена в теле подоцита, чем в отростках стопы75. В совокупности эти данные показывают, что выработка APOL1 происходит в почках и может привести к местному повреждению.

Уровни APOL1 в плазме.

Несмотря на важность APOL1, экспрессируемого почками, при повреждении почек, большая часть APOL1 вырабатывается в печени и циркулирует в плазме. Несколько групп оценили влияние циркулирующего APOL1 и показали, что уровни не коррелируют с риском заболевания почек, подчеркивая важную роль экспрессируемого почками APOL1 в заболевании почек71,76,77. Более недавнее исследование показало, что циркулирующие варианты APOL1 играют иммуномодулирующую роль, связанную с опосредованным Т-клетками отторжением и цензурированной гибелью аллотрансплантата63. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы установить роль уровней APOL1 в крови. Исследования почечной трансплантации предоставляют уникальную возможность различать эффекты системной экспрессии APOL1 и экспрессии APOL1, ограниченной почками.

Модели заболеваний почек,1-ассоциированных с APOL.

Ген APOL1 отсутствует у всех экспериментальных животных, используемых для моделирования заболеваний человека, и поэтому для разработки животных моделей заболеваний, связанных с APOL1-, потребовались трансгенные подходы. Несколько групп разработали трансгенные мышиные модели нефропатий APOL1. У мышей со специфичной для подоцитов экспрессией вариантов APOL1 G2 под промотором нефрина не наблюдалосьявные проявления заболеваний почекно имели более низкую плотность подоцитов, чем трансгенные мыши APOL1 G0- в возрасте примерно 6 месяцев. Однако трансгенные мыши APOL1 G2 и, в меньшей степени, трансгенные мыши APOL1 G0 демонстрировали связанный с беременностью фенотип, подобный преэклампсии78. Трансгенные мышиные модели со специфичной для подоцитов и канальцев экспрессией изоформ APOL1 G0, G1 или G2 также были созданы с использованием индуцируемого тетрациклином усиленного зеленого флуоресцентного белка (EGFP), экспрессирующего плазмидный вектор. У мышей с клубочковой экспрессией любого аллеля риска APOL1, но не общего варианта, развивалась протеинурия и гломерулосклероз, причем степень гломерулосклероза коррелирует с уровнем экспрессии APOL172. Напротив, мыши со специфичной для канальцев экспрессией APOL1 не обнаруживали аномалий почек, что подчеркивает важность клубочковой и особенно подоцитной экспрессии APOL172. Трансгенные мыши с индуцированной доксициклином экспрессией APOL1 в подоцитах также демонстрировали протеинурию и поражения ФСГС79.

Другие подходы к изучению заболеваний почек APOL1 включали гидродинамическую доставку мРНК человеческого APOL1 мышам. Используя этот метод, у мышей, получавших варианты риска APOL1, наблюдалось большее повреждение печени и почек, чем у мышей с вариантом APOL1 G031,41,80.

Были использованы и другие модельные организмы. Ген zAPOL1 у рыбок данио гомологичен гену APOL1 человека75,81,82. Этот ген необходим для нормальной функции клубочков у рыбок данио, поскольку потеря функции связана с нарушением клубочковой архитектуры. У рыбок данио с делецией zAPOL1 экспрессия варианта человеческого APOL1 G0 приводит к улучшению функции клубочков, тогда как экспрессия вариантов G1 и G2 этого не делает82,83. Более того, трансгенная экспрессия вариантов G1 и G2 приводит к тонким изменениям в структуре почек, которые видны только при электронной микроскопии; эти изменения отсутствуют у трансгенных рыбок данио APOL1-G0. Аналогичные результаты были получены в исследованиях нефроцитов дрозофилы, которые демонстрируют функциональное и структурное сходство с подоцитами. В этих клетках экспрессия двух вариантов APOL1 G1 и G2 вызывает дефекты внутриорганеллового закисления, приводящие к клеточной гипертрофии и последующей гибели 84,85.

Ассоциации заболеваний APOL1 за пределами почек

Варианты риска APOL1 могут быть связаны с заболеваниями, отличными от заболеваний почек86, причем некоторые данные подтверждают связь с сердечно-сосудистыми заболеваниями87, включая атеросклероз88,89, гипертонию90,91, острый коронарный синдром и инфаркт миокарда88, инсульт92 и сердечную недостаточность93. ,94. Однако данные об этих ассоциациях противоречивы. Хотя в некоторых исследованиях сообщается о более высокой смертности от сердечно-сосудистых заболеваний среди пациентов с вариантами риска APOL195, другие исследования, включая метаанализ 21 305 чернокожих лиц из восьми групп, не подтверждают сильную корреляцию между вариантами риска APOL1 и сердечно-сосудистыми заболеваниями51,93,96–98 .

Также могут существовать ассоциации между вариантами риска APOL1 и преэклампсией – осложнением беременности, которое чаще встречается у выходцев из стран Африки к югу от Сахары, чем в других группах населения99. В исследовании 2018 сообщалось, что хотя материнский генотип риска APOL1 не был связан с преэклампсией, матери плодов с двумя аллелями риска APOL1 имели более высокий риск преэклампсии, чем матери плодов с аллелями низкого риска14, с отношением шансов 1,8. Этот вывод был подтвержден и расширен во втором исследовании, в котором также было обнаружено, что несоответствие аллелей APOL1 между плодом и матерью было связано почти с трехкратным увеличением риска преэклампсии100. Однако, как описано ранее, исследование трансгенных мышей APOL1 показало, что фенотип, подобный эклампсии, связан с аллелем риска G2, а также неожиданно с генотипом G0; влияние аллеля риска G1 не изучалось78. Возникновение фенотипа преэклампсии у самок, лишенных ортологичного гена APOL1, может быть связано с экспрессией фетального трансгена APOL1 в плаценте, что приводит к несовместимости плода и матери, или с общей токсичностью высоких уровней белка APOL1, независимо от генотип. Другие исследования также продемонстрировали связь генотипа APOL1 с сепсисом у чернокожих взрослых101,102. Механизм этого эффекта остается неясным и требует дальнейшего внимания.

Механизмы повреждения клеток

Были предложены различные механизмы клеточной токсичности, опосредованной APOL1-, которые могут лежать в основе связи между вариантами риска APOL1 и заболеванием почек. Некоторые из них описаны ниже (рис. 3; таблица 1).

APOL1 и лизосомальная дисфункция.

В 2007 году исследователи показали, что APOL1 убивает трипаносомы, образуя поры в лизосомальной мембране трипаносом, куда APOL1 перемещается после поглощения паразитом103. С помощью эндоцитоза паразит поглощает APOL1 в комплексе с ЛПВП, из которого паразит получает липиды и железо20. Структура pH-чувствительного мембраноадресующего домена APOL1 содержит шпильчную область, соединяющую две -спирали. Этот структурный элемент претерпевает конформационное изменение в кислой среде лизосомы, что позволяет внедрить APOL1 в мембрану лизосомы и активировать порообразующий домен APOL1. Образование пор, опосредованное APOL1-, разрушает лизосомальную мембрану, вызывая неконтролируемый приток ионов из цитоплазмы в лизосому. Этот процесс приводит к осмотическому набуханию лизосомы и возможной трипаносомной гибели25,104,105.

В 2003 г. в APOL1 был идентифицирован карбокси-концевой спиральный домен, который взаимодействует с аминоконцом SRA в T. b. rhodesiense (рис. 1а). Как описано ранее, этот домен SRA придает устойчивость к APOL1, ускользая от защиты хозяина и позволяя трипаносоме вызывать заболевания у человека39. Последующее исследование показало, что взаимодействие с SRA изменяет внутриклеточный транспорт APOL1, приводя к его локализации в SRA-содержащих цитоплазматических везикулах, а не в лизосомах, тем самым ингибируя мембранную токсичность паразита106. Дополнительные исследования С-концевой спирали APOL1 подтвердили, что взаимодействие домена SRA с этой областью APOL1 ингибирует токсичность APOL1, предотвращая порообразующую активность, тем самым защищая трипаносому107.

Следует отметить, что APOL1 вызывает лизосомальную дисфункцию в культивируемых клетках почек человека, а также у паразитов. Варианты APOL1 G1 и G2 уменьшают количество лизосом в подоцитах, что приводит к утечке лизосомальных ферментов в цитоплазму108. Сверхэкспрессия вариантов риска APOL1 в культивируемых подоцитах связана с набуханием лизосом подоцитов; Такая сомальная дисфункция может возникать вследствие функционального подавления механистической мишени рапамицина (mTOR)109.

Таблица 1|Возможные механизмы повреждения клубочков, связанного с APOL1-

прохождение кальцеина, отрицательно заряженной молекулы с молекулярной массой 623 Да при нейтральном pH. Было обнаружено, что активность канала APOL1 отвечает трем требованиям, которые позволяют APOL1 связываться с порообразующими везикулами: низкий pH, наличие отрицательно заряженных фосфолипидов в мембранах везикул и низкая ионная сила108.

В соответствии с этими выводами исследование 2005 года показало, что APOL1 образует отдельные анион-селективные поры в однослойных везикулярных мембранах, тем самым способствуя притоку хлоридов. Исследователи предположили, что пассивному входу хлорида через анион-селективные каналы способствует первоначальный приток внеклеточного натрия вниз по градиенту его концентрации. Возникающий в результате осмотический дисбаланс приводит к пассивному поступлению воды в клетку, что способствует набуханию клеток и лизису трипаносом111.

Однако исследование 2015 года сообщило о совершенно других результатах, показав, что для лизиса трипаносом, опосредованного APOL1-, на первых этапах требуется кислый pH, при котором APOL1 взаимодействует с вакуолярными липидными бислоями и встраивается в них. Исследователи сообщили, что APOL1 впоследствии попадает на плазматическую мембрану, где подвергается воздействию некислотного pH, что позволяет APOL1 открывать pH-чувствительные неселективные катионные каналы, диполярно изменяя размер трипаносомной мембраны и убивая трипаносому112. Последующая публикация подтвердила катион-селективную природу этих ионных каналов, показав, что клетки млекопитающих, экспрессирующие варианты риска APOL1, увеличивают неселективную катионную проницаемость и способствуют чистому оттоку внутриклеточного калия через плазматические мембраны113. Совсем недавно было отмечено, что популяция катионных каналов плазматической мембраны для натрия и кальция избирательно экспрессируется в клетках HEK293, экспрессирующих варианты риска APOL1114.

Эти противоречивые результаты могут быть объяснены предположением, что селективность ионных каналов APOL1 переключается с помощью pH. При pH 5 APOL1 может способствовать проницаемости хлоридов через анионные каналы; при нейтральном pH он облегчает катионную (калиевую) проницаемость, тогда как в основной среде он почти не проявляет активности каналов. Проницаемость для обоих ионов требует отрицательно заряженных фосфолипидов для максимальной активности. Более того, для правильного функционирования калиевых каналов требуются ионы кальция. Эта переключаемая pH ион-селективная проницаемость может объяснить активность как анионных, так и катионных каналов, о которой ранее сообщалось для APOL1 во внутриклеточной и плазматической мембранной среде, соответственно, поскольку различия могут быть обусловлены различиями pH в различных внутриклеточных компартментах в конкретных экспериментальных условиях115.