(kidney ciliopaties) – implikacje terapeutyczne

(kidney ciliopaties) – implikacje terapeutyczne

Współczesne ujęcie
patogenezy zwyrodnienia
wielotorbielowatego nerek jako jednej z
chorób rzęskowych (kidney ciliopaties)
- implikacje terapeutyczne
Sławomir Zmonarski, dr n. med.,
Grażyna Szymańska, dr n. med.,
Kat. Nefrologii i Med. Transpl., Uniw. Medyczny Wrocław.
2009 r.
Zwyrodnienie wielotorbielowate nerek
Zwyrodnienie wielotorbielowate nerek
(polycystic kidney disease, PKD) jest najczęstszą
chorobą dziedziczną
• dziedziczenie w sposób autosomalny dominujący
• związana z uszkodzeniem pojedynczego genu –
obecność wielu mutacji lub wariantów genowych w
1 locus
•częstość występowania 1:500 – 1:1000 urodzeń
• objawy pojawiają się ok. 30- 40 r. ż.
- usg: obecność torbieli i powiększenie nerek; wzrost
liczby torbieli z czasem
(kryteria Racine`a: wywiad rodzinny dodatni/ujemny:
30- 50 r.ż. – mini 2 torbiele/ mini 5
> 60 r.ż. – mini 4 torbiele/ mini 8
- wczesnym objawem jest nadciśnienie
- współistnienie torbieli w wątrobie lub anomalii
pozanerkowych:
torbiele wątroby (40- 50%; u 80% w 60 r.ż.),
wady zastawkowe serca (wypadanie płatka zastawki
mitralnej 20- 25%),
przepukliny (20%),
torbiele trzustki (9%),
tętniaki tętnic mózgowych (8%),
uchyłkowatość jelit
• najczęstsza przyczyna przewlekłej niewydolności nerek 50%
chorych w wieku 60 lat wymaga leczenia nerkozastępczego,
do 70 r.ż. 77% chorych rozpocznie dializoterapię lub umrze
(powikłani sercowo-naczyniowe)
Identyfikacja i lokalizacja genów
determinujących - patogeneza choroby:
• badania genetyczne, takie jak klonowanie miejsc złamań w
translokacjach chromosomowych, analiza sprzężeń, analiza
genów–kandydatów, badania genów na modelach zwierzęcych,
sekwencjonowanie genomu ludzkiego w ramach projektu HUGO
• wykrywanie mutacji
- bezpośrednie (próbka krwi probanta)
czułość>60% (Pei, 2006)
- pośrednie (technika analizy sprzężeń DNA)
• nadekspresja białek w materiale biologicznym:
- czynniki wzrostu, regulatory apoptozy, białka
transportujące, bialka receptorowe, białka
sygnałowe, enzymy, czynniki transkrypcyjne (Zhao, 2008)
Tab.1.
Za fenotyp zwyrodnienia torbielowatego
nerek odpowiedzialne są mutacje w:
• genie PKD-1 (16 p13,3)
który koduje policystynę1 (PC-1)- receptor błonowy
rzęsek nabłonka nerkowego cewek
- 85% przypadków choroby
- większość mutacji PKD-1 to mutacje utraty funkcji
• genie PKD-2 (4 q 13-23)
kodującym policystynę 2 (PC-2), białko należące do
napięciozależnego kanału wapniowego, jest
homologiem strukturalnym policystyny 1
- 15% przypadków
Gen PKD-1
Gen PKD-1 – wielkości 54 kbp, zawiera 46 eksonów, 45 intronów.
- transkrypt (mRNA) jest duży (14 kbp), zawiera dużo GC, co
sprzyja powstawaniu mutacji (możliwość pojawienia się „poślizgu
replikacji”, czyli przesunięcia nici matrycowej i kodującej
względem siebie- część matrycy jest 2krotnie powielona lub
opuszczona.
- transwersja C w T - spowodowana zwiększoną podatnością
cytozyny na deaminację (C jest zasadą często metylowaną
- 70% długości genu PKD-1 jest powtórzona 4krotnie
proksymalnie na tym samym chromosomie (rejon 5` końca genueksonów 1-33/34 (tzw. HG-loci) - powtórzenia są identyczne w
97%, co powoduje utrudnienie wykrycia mutacji (Int PKD
Consortium, 1995)
c.d. Gen PKD-1
-w obszarze chromosomu dla genu PKD-1, znajduje się locus dla
genu TSC-2 (stwardnienie guzowate)- możliwość wzajemnych
oddziaływań i wpływu na aktywność transkrypcyjną genów
(tuberynao zbliżonej funkcji do PC-1); delecje w obu genach
przyczyniają się do pojawienia się ADPKD o ostrzejszym
przebiegu
-introny wykazujące obecność długich ciągów
polipirymidynowych predysponują do pojawiania się potrójnych
helis, błędnej naprawy DNA i powstania mutacji przy translacji
-mutacje w rejonie 3` końca genu PKD-1 – tylko 10-15%
wszystkich mutacji PKD-1
- mutacje w rejonie 5` decydują o ciężkości przebiegu klinicznego
(Rossetti, 2002)
Gen PKD-2
Gen PKD-2 – wielkości 68 kbp, zawiera 15 eksonów na
obszarze 2904 bp z otwartymi ramkami odczytu i 2086bp z
rejonem 3` , który nie ulega translacji.(Torra, 2000)
-mutacje genu PKD-2 występują na całym jego obszarze
(kilkadziesiąt mutacji typu wewnątrzgenowych delecji,
defektu splicingu, mutacji nonsensownych, insercji 1
nukleotydu.
- mutacje 3` końca genu PKD-2 odpwiadają za łagodny
przebieg choroby
- dotychczas określono ponad 200 mutacji w obu genach
(http:archive.uwcm.ac.uk/uwcm/mg/hgmd/serach.html)
- dowody na interakcję PC-2 z PC-1 na poziomie
komórkowym, czyli w obrębie rzęsek nabłonka
- początek, przebieg choroby szybszy i bardziej
dramatyczny u pacjentów z mutacją w genie PKD-1 niż u
nosicieli mutacji PKD-2
- sugeruje się występowanie genu PKD-3, ale brak
potwierdzenia mutacji odpowiedzialnej za ten typ
choroby (Torres, 2007)
- komercyjne testy diagnostyczne pozwalają rozpoznać
chorobę na molekularnym poziomie u 75 % chorych z
mutacją PKD-1
- czułość badania większa w przypadku mutacji PKD-2
- 75% sekwencji genu PKD-1 zduplikowane jest w innej
lokalizacji na chromosomie 16:
uwaga na identyfikację defektu w genie PKD-1, a nie w
jego kopii.
Mutacje ludzkich genów PKD-1 i PKD-2
powoduję zmiany w produktach
ekspresji tych genów (policystynach):
• Substytucja pojedynczego nukleotydu prowadzi do
zmiany aminokwasów i powoduję inaktywację
policystyny
• Mutacje w genach PKD-1 i-2 dotyczą powstania kodonu
STOP, zmiany sensu ramki odczytu lub wadliwego
usuwania intronu (wadliwy splicing).
Mutacje ludzkich genów PKD-1 i PKD-2
powoduję zmiany w produktach ekspresji
tych genów (policystynach):
c.d.
• Zmiana sensu ramki odczytu powstaje w wyniku insercji lub
delecji nukleotydów (np.: insercja tymidyny w genie PKD-2
powoduje zanik miejsca restrykcyjnego dla enzymu Ddel,
przez co można szybko wykryć mutację w genie PKD-2 u
członków rodziny (Iglesias, 2000)
• Zmiana ramki odczytu może powodować przedwczesne
zatrzymanie translacji białka- mutacja przycięcia (truncation
mutations) (Rossetti 2001)
• Opisano kilkaset mutacji PKD-1- większość jest
charakterystyczna dla danego osobnika
Mutacje genów PKD powodują zaburzenia ich
aktywności i produkcję nieprawidłowych białek
policystyny – rodzina białek o szczególnej roli fizjologicznej:
przekazywanie sygnałów ze środowiska
zewnątrzkomórkowego, indukcja kaskady przewodnictwa
wewnątrzkomórkowego poprzez kanały jonowe (jony Ca) i
aktywację białek (kinaza C), β-kateiny, białka G; związane są z
rzęską (cilia) komórek cewek zlokalizowaną laminarnie.
Kompleksy białek - rodzaj mechanosensora.- odpowiadają
przy ruchu rzęski (przepływ płynu w świetle cewki) za
gwałtowne zwiększenie stężenia wewnątrzkomórkowego Ca,
który jest inhibitorem cyklazy adenylowej → zmniejszenie
stężenia cAMP
Ryc.1. Anatomia rzęska, a lokalizacja genów kodujących
w różnych chorobach rzęskowych
(J Cell Biol, 2008)
Policystyny
1. PC-1 – glikoproteina, zawiera 4303 aminokwasów, związana z
błoną komórkową, zawiera wiele transbłonowych domen i
cytosolowy C-koniec, zewnątrzkomórkowy N-koniec PC-1
zawiera domeny bogate w leucynę (LRRS)
- białka zawierające LRRS związane są z przewodzeniem sygnałów
w komórkach
- domeny pektynowe wpływają na zewnątrzkomórkowe wiązanie
reszt węglowodanowych
- domeny LDL-A wiążą lipoproteidy
- domena GPS wiążąca się z białkiem G i domena WSG –integracja
z błoną
Ryc.2. Schemat budowy rzęska
komórek nabłonkowych nerki
(NDT, 2003)
Wykazano rolę PC-1 w regulacji kanału jonowego,
cechy strukturalne sugerują rolę receptora
potrzebnego do oddziaływań na poziomie
komórka-komórka i komórka-macierz (Lakkis,2003)
Obserwacje interakcji PC-1 z kompleksem Ekadheryny i karenin, które biorą udział w tworzeniu
spolaryzowanych komórek nabłonkowych (Van
Adalberg, 2000)
Policystyny
2. PC-2 – białko zawierające 968 aminokwasów, z
sekwencyjnym podobieństwem do PC-1 i
rodziny kanałów wapniowych i sodowych
aktywowanych napięciem (Torres, 2001)
- domena EF, która może wiązać wapń
• Interakcja między PC-1 i PC-2 prowadzi do
powstania nowego nieselektywnego kanału
przepuszczalnego dla jonów wapnia.
• Wykazano obecność policystyn w mięśniówce
naczyń - wpływ na objawy naczyniowe w
zwyrodnieniu torbielowatym (tętniaki)
(Torres, 2001)
Mutacje w genach prowadzą do produkcji
nieprawidłowych PC, co powoduje zaburzenia funkcji
biologicznych:
• zmutowane PC zmieniają fenotyp komórek (pod wpływem
czynnika wzrostu naskórka EGF i cAMP dochodzi do
zwiększonej proliferacji komórek , wzrostu torbieli i progresji
choroby) – badania chorych z ADPKD wykazały zmienioną
odpowiedź komórek rzęskowych na cAMP (wzrost poziomu
cAMP - stymulacja sekrecji płynu komórkach i proliferacja
torbieli komórek nabłonkowych u ludzi z PKD) (Yun-Hee
Choi, 2009)
• wzrost stężenia cAMP aktywuje białka enzymatyczne
– kinazę mTOR
(nieaktywna u zdrowych; aktywacja w mutacji PC-1)
• Nadmierna ekspresja i nieprawidłowe zlokalizowanie
receptorów o aktywności tyrozynowej :
- aktywacja receptorów ErbB1 iErbB2 – EGFR (epidermal
growth factor receptor),
udział ligandów: EGF (naskórkowy czynnik wzrostu) i
TGF-α (transkrypcyjny czynnik wzrostu α) w wiązaniu z
receptorem → różnicowanie i wzrost proliferacji
komórki, wzrost sekrecji płynu → wzrost torbieli
(Torres, 2004; Wang, 2005)
• Progresja choroby zależy od czynników stymulujących cAMP:
wazopresyna, prostaglandyna PGE2, agoniści β-adrenergiczni,
inhibitory fosfodiesterazy (kofeina, teofilina)
Ryc.3.
(Am Clin and Climat Asssociation, 2002)
Implikacje terapeutyczne
Cel terapii:
1. Zapobieganie występowaniu mutacji genów
kodujących policystyny
2. obniżenie wewnątrzkomórkowego stężenia cAMP
3. hamowanie aktywności kinazy tyrozynowej
4. hamowanie aktywności białka mTOR
Ad.1. Terapia genowa
-dotyczy chorób dziedziczonych autosomalnie recesywnie i
dziedziczonych z chromosomem X
-badania na modelach szczurzych i mysich, nie u ludzi
(Imai, 2004)
- leczenie chroniące przed mutacjami somatycznymi
(oltipraz, p-XS2, antyoksydanty- vit.E, selen, probukol)
(Qian, 2001)
Ad.2. Hamowanie proliferacji komórek torbieli
- antagoniści receptora wazopresyny: waptany –niepeptydowy
antagonista receptora V2 wazopresyny w komórkach cewki zbiorczej,
który w mechanizmie zmniejszenia aktywności cyklazy adenylowej
prowadzi do obniżenia poziomu cAMP → zmniejszenie objętości torbieli,
masy nerek i ich włóknienia
- zastosowanie u szczurów hamuje rozwój PKD (Gattone,2003; Wang,
2005; Arai,2007)
- badanie TEMPO (Tolvaptan Efficacy and Safety In Management of
PKD and Its Outcomes), rozp. W 2007)
(Torres, 2008)
-analogi somatostatyny: działa na receptory SST2 →hamuje akumulację
cAMP- wolniejszy wzrost torbieli; receptory obecne też w wątrobie
-badania na szczurach
- badanie (12 pacjentów z ADKPD) - leczenie i.m. 1x mies. oktreotydem,
ale liczne objawy niepożądane (nudności, biegunka, hiperglikemia,
kamica pęcherzyka żółciowego (Torres, 2007)
- pioglitazon (tiazolidinedion)– wpływ na zmienione szlaki
metaboliczne powstałe z powodu utraty funkcji PC-1:
badania ciężarnych myszy wykazały redukcję defektów
kardiologicznych i zmniejszenie stopnia nerkowej
cystogenezy (Muto,2002)
- inne: katecholaminy, leki β-adrenergiczne, adenozyna,
sekretyna, VIP, PGE1 i PGE2, testosteron, inhibitory
fosfodiesterazy (kofeina, teofilina)
Ad.3 Inhibitory receptora kinazy tyrozynowej i liganda EGF
- badania in vitro i in vivo → hamowanie rozwoju torbieli
(Granthau, 2000)
- w PKD obserwuje się nadekspresję receptorów ErbB na błonie
luminarnej → efektywna blokada receptora dla EGF od strony
światła (mocz) , bez wpływu na receptory w in. komórkach ciała
(onkologia: taksol, kolchicyna, winblastyna)
Ad.4: Inhibitory białka mTOR - rapamycyna
- badania u myszy i szczurów z PKD wykazały spowolnienie, a
nie zahamowanie wzrostu torbieli (Vahl, 2006; Tao, 2005)
- pacjenci z ADPKD po Tx, leczeni sirolimusem → zahamowanie
wzrostu torbieli natywnych nerek
(Mostov, 2006)
Tab.2. Białka rzęskowe związane z chorobami
dziedzicznymi
cd Tab.2.
(PathoGenetics, 2009)