Сімейна ниркова глюкозурія та SGLT2: від менделівської ознаки до терапевтичної мішені

Анотація

Глюкоза є основним джерелом енергії для мозку, м’язів та інших органів. Однак мембранні ліпідні шари практично непроникні для гідрофільних молекул глюкози і покладаються на транспортери глюкози, щоб полегшити їх переміщення через клітинні мембрани та їх розподіл у різних тканинах (1,2). Нирка сприяє гомеостазу глюкози, реабсорбуючи приблизно 180 г із клубочкового фільтрату щодня. Через активність транспортерів глюкози в проксимальних канальцях нирки, 220 членів сімейства SLC5, також відомого як сімейство генів симпортера натрієвого субстрату (SSSF); з них 12 виявлено в геномі людини (4,5). Члени SGLT - це багатофункціональні мембранно-зв’язані білки, які виконують широкий спектр функцій - від зв’язаного натрієм співотранспорту цукрів, монокарбоксилатів, амінокислот, вітамінів, осмолітів та іонів до активності натрієвих уніпортерів, каналів для сечовини та води, зондування глюкози, та придушення пухлини (4,5).

Щонайменше два сполучені натрієм транспортери глюкози, SGLT1 та SGLT2, відіграють важливу роль в апікальній мембрані проксимальних канальцевих клітин нирки (рис. 1). Ці транспортери спочатку зв'язують Na +, перш ніж вони зв'язують глюкозу, а електрохімічний градієнт Na +, генерований Na +/K + -ATPase, є рушійною силою активності симпортера. SGLT1 переважно експресується в ентероцитах (6). Його основна функція тут полягає в опосередкуванні активного транспорту глюкози та галактози через апікальну мембрану при низькій концентрації цукру, але вона також опосередковує експресію сприяючих транспортерів при високій концентрації глюкози. Кінетичні характеристики SGLT1, хоча і не беруть участь у резорбції основної маси глюкози в нирках, є сприятливими для транспортування глюкози, якщо вони присутні у низьких концентраціях. На додаток до кишечника та нирок, SGLT1 експресується в таких органах, як мозок та серце.

Модель транспорту Na +/глюкози в нирках. SGLT2 переважно експресується в сегменті S1 проксимального канальця і відповідає за переважну більшість реабсорбції глюкози з сечею.

Експресія SGLT2 відбувається переважно в межі просвітньої кисті проксимальних канальців кори нирок, де саме основний транспортер опосередковує резорбцію глюкози (7) (табл. 1). Це також виражається набагато нижчим ступенем в інших органах, включаючи печінку. SGLT4, SGLT5, SGLT6 та SMIT1 експресуються в декількох тканинах, включаючи нирку, і передбачувана роль у транспорті глюкози в нирках передбачається, але ще не доведена. SGLT є багатофункціональними білками, і для решти шести продуктів генів SLC5, які, як передбачається, існують у геномі людини, повідомлялося про різні функції. Наприклад, SGLT3, спочатку призначений співтранспортером на основі гомології послідовностей, пізніше був охарактеризований як закріплений глюкозою іонний канал, що експресується в холінергічних нейронах і нервово-м'язовому з'єднанні (8) і може відігравати певну роль у дієті перистальтика кишечника.

Субстрати та розподіл транспортерів глюкози людини

Розташування та відносна близькість ниркових SGLT для глюкози

SGLT2 та SGLT1 можна розрізнити за спорідненістю до глюкози та Na + та розташуванням у нирках (9–12). SGLT2 експресується виключно біля раннього проксимального звивистого канальця (називається S1) (13), тоді як SGLT1 експресується поблизу медулярного проксимального канальця (називається S3) (9-11). SGLT2 - транспортер глюкози з низькою спорідненістю і великою ємністю, тоді як SGLT1 - транспортер глюкози з високою спорідненістю. SGLT1 транспортує глюкозу та галактозу (10), має K0,5 для глюкози приблизно 0,4 мМ та несе дві молекули Na + для кожної молекули глюкози. SGLT1 має K0,5 приблизно 3 мМ для Na + (14). SGLT2 має K0,5 для глюкози приблизно 2 мМ, несе одну молекулу Na + на кожну молекулу глюкози і має K0,5 для Na + 100 мМ (14). SGLT2, на відміну від SGLT1, не транспортує галактозу. Таким чином, основна частина глюкози реабсорбується на сегменті S1 транспортером SGLT2 великої ємності, тоді як решта глюкози, яка потрапляє в сегмент S3, реабсорбується транспортером SGLT1 високої спорідненості; разом вони мінімізують втрати глюкози в сечі (14).

Структура білка SGLT та динаміка транспорту

Гени SLC5 людини кодують білки з молекулярною масою приблизно 75 кД. Вони демонструють значну функціональну подібність, незважаючи на те, що розчинені речовини є різними. Модель топології та вторинної структури SGLT1, найбільш ретельно вивченого члена групи SSSF, була експериментально окреслена шляхом обширного аналізу її первинної послідовності, порівняння послідовностей, методів обчислювального прогнозування та функціональних та електронно-мікроскопічних аналізів, проведених у гетерологічних системах експресії. (2,4,15,16). Очікується, що мембранна топологія інших представників сімейства SGLT буде подібною на основі їх загального походження, функції та подібних первинних послідовностей. SGLT2, який складається з 672 амінокислот, має 59% ідентичності з 664 амінокислотами, що складають SGLT1 (17). Загалом, цитоплазматичні домени краще зберігаються, ніж позаклітинні домени серед SGLT.

Члени сімейства SGLT мають спільне ядро з 13 трансмембранних спіралей (TMH), хоча деякі члени мають одну або дві додаткові С-кінцеві спіралі. SGLT1 і SGLT2 мають по 14 TMH, причому як гідрофобні N-, так і С-кінцеві домени лежать позаклітинно (2). Послідовність консенсусу SSSF [GS] -2 (2) - [LIY] -x (3) - [LIVMFYWSTAG] (7) -x (3) - [LIY] - [STAV] -x (2) -GG- [ LMF] -x- [SAP] лежить у TMH5. Крім того, менші члени SGLT еукаріотів та члени підродини SMIT мають спільний мотив R-x-T-x (4) -F-L-A-G-x (4) -W-W-x (2) -G-A-S поблизу N-кінцевого домену, проксимальний у TMH2.

Нещодавно повідомлялося про кристалічну структуру vSGLT, симпортера натрію-галактози від Vibrio parahaemolyticus та члена SSSF (18). Білок збирається у вигляді щільно упакованого паралельного димеру, хоча попередні роботи показали, що SGLT1 повністю функціонує як мономер. Структурне ядро утворене з перевернутих повторів п’яти TMH (від 2 до 6 та від 7 до 11; малюнок 2А). Сім TMH (від 2 до 4, від 7 до 9 та 11) сприяють взаємодії бічних ланцюгів щодо селективності ліганду. Ідентифіковані позаклітинні та внутрішньоклітинні ворота, що окреслюють шлях галактози, із залишками M73, Y87 та F424, що утворюють позаклітинні, а Y263, Y262 та W264 - внутрішньоклітинні. На перетині TMH2 та TMH9 є правдоподібна Na-зв'язуюча ділянка, приблизно на 10 Å від ділянки зв'язування субстрату. Зовнішній Na + пов'язується спочатку, що полегшує перебудову TMH2, утворюючи ділянку зв'язування субстрату. Зв’язування галактози індукує утворення позаклітинних воріт і збільшує внутрішньоклітинну порожнину за рахунок конформаційних змін в TMH3, TMH4, TMH7 і 8, і TMH9 по 11. Нарешті, витіснення Y263 вивільняє Na +, а потім галактозу внутрішньоклітинно (Малюнок 2B).

Структура vSGLT. (А) Топологія. Структура забарвлена у вигляді веселки від N-кінця (червоний) до C-кінця (фіолетовий). Сині та червоні трапеції представляють інвертовану топологію TMH2 - TMH6 та TMH7 - TMH11. Сірий шестикутник з червоним контуром представляє галактозу. Залишки, що беруть участь у розпізнаванні цукру, залишки воріт та запропоноване місце Na + відображаються блакитними, сірими та жовтими колами. (B) Почергова доступність. (Ліворуч) Проріжте поверхню моделі, спрямованої назовні, якщо дивитись із площини мембрани, показуючи позаклітинну порожнину (синя сітка). (Праворуч) Проріжте поверхню структури, спрямованої всередину, в площині мембрани, показуючи внутрішньоклітинну порожнину (синя сітка). Спіралі, що демонструють структурну перебудову, пофарбовані в оранжевий, зелений та синій кольори для спіралей TMH3, TMH7 та TMH11 відповідно; спіралі з невеликим рухом пофарбовані в білий колір. Поверхня показана бежевим кольором. Галактоза зображена як чорна та червона сфери для атомів С та О відповідно. Y263 та іон Na + пофарбовані відповідно у сіру та синю сфери. Передруковано з посилання (18), з дозволу.

Інші функції SGLT

На додаток до своєї ролі в транспортуванні цукру, SGLT можуть виконувати функції сполучників. SGLT1, SGLT3 та SGLT5 транспортують Na + за відсутності цукру (19). SGLT3 функціонує як датчик глюкози в клітинах вісцеральних нейронів (8). Показано, що SGLT1 та інші ко-транспортери функціонують як канали для води та інших дрібних гідрофільних розчинених речовин, коли вони експресуються в ооцитах (20, 21), і пропонується відігравати важливу роль у транспорті рідини та сечовини через кишечник. Показано, що SGLT1 відіграє значну роль у транспорті води через мембрану кишкової кисті, переносячи воду разом з Na + та глюкозою, або осмосом (20, 22, 23). SGLT1 не просто опосередковує вторинний активний транспорт на апікальній мембрані самих ентероцитів, але також регулює інші механізми транспорту глюкози, такі як сприяння введенню GLUT2 в апікальну мембрану, щоб забезпечити полегшуючий компонент абсорбції до трьох разів більший, ніж у SGLT1 у повній мірі відповідно до дієтичного споживання вуглеводів (24).

Регуляція експресії та активності SGLT2 (при діабеті)

Раніше було показано, що пацієнти з діабетом 1 типу мали значне збільшення максимуму ниркового транспорту глюкози (25), а кілька моделей діабету на гризунах показали підвищення регуляції білка GLUT2 у ниркових проксимальних канальцях діабетиків з тривалим періодом. гіперглікемія, що підтверджує необхідність вищого витікання глюкози та реабсорбції глюкози (26,27). Цікаво, що змін у експресії білка SGLT1 не виявлено (27). Що стосується експресії SGLT2, то дослідженням заважає відсутність відповідних антитіл.

Сімейна ниркова глюкозурія

Глюкозурія може виникати в умовах глобальної дисфункції проксимального канальця, відомого як синдром Фанконі-де-Тоні-Дебре або нирковий синдром Фанконі. У цьому випадку глюкозурія супроводжує надмірну екскрецію з сечею амінокислот, фосфатів, бікарбонату та інших розчинених речовин, які зазвичай реабсорбуються в проксимальних канальцях. Виникнення глюкозурії за відсутності як генералізованої проксимальної канальцевої дисфункції, так і гіперглікемії відоме як ниркова глюкозурія і визнане спадковим розладом, а отже і позначенням сімейної ниркової глюкозурії (ФРГ).

Діагностичні критерії та режим успадкування

Кореляція між гломерулярним навантаженням глюкози та канальцевою реабсорбцією глюкози (ТГ) у різних ниркових глюкозуріях. TmG, максимальна канальцева реабсорбція глюкози; PG, концентрація глюкози в плазмі крові. Площа штрихування є коефіцієнтом - різниця між фактичною та ідеальною реабсорбцією, яка проявляється, коли крива реабсорбції показує нелінійний перехід при досягненні TmG. Перемальовано з посилання (72), з дозволу.

Характеристика FRG на типи A/B/O представлена тут переважно з історичних причин. Сучасні молекулярні знахідки дозволили забезпечити відповідні кореляції генотип – фенотип у переважній більшості випадків, а отже, простішу та простішу класифікацію у ФРГ.

Молекулярна генетика

Оскільки SLC5A2 був клонований, і окреслення основного механізму резорбції нирок для глюкози стало очевидним, цей транспортер був залучений як головний кандидат-ген для FRG (7). Перша мутація гена SLC5A2, розташована в 16p11.2, повідомляється Santer та співавт. (43) та інші серії випадків підтвердили, що мутації SLC5A2 справді відповідають за переважну більшість випадків FRG (44–46). Додаткову підтримку отримали кілька звітів про випадки (47–51).

Аналіз геномної структури людського SGLT2 виявив ген 14-екзону, який охоплює 8 kb, з організацією інтрон-екзон, подібною до SGLT1 (44). Усі інтрони відображають консенсусні послідовності донорів та акцепторів злиття GT/AG, і раніше не повідомлене повторення CA було виявлено в інтроні 1. Кодуюча послідовність 2019-bp точно передбачає 672-залишковий білок SGLT2, про який раніше повідомляли після клонування SGLT2 з бібліотека кДНК нирок людини (17). Немає повідомлень про варіанти зрощення або ізоформи.

Співвідношення генотип – фенотип у ФРН

Встановлення певних кореляційних зв'язків генотип-фенотип у ФРГ є складним завданням через змінну експресивність та через те, що інші гени можуть впливати на загальну резорбцію глюкози в нирках. Загалом, пацієнти з легкою глюкозурією (2 на день), як правило, гетерозиготні щодо мутацій SGLT2, як нонсенсу, так і міссенсу, хоча, як зазначалося раніше, це може статися не у всіх носіїв таких мутацій. Випадки важкої глюкозурії (≥10 г/1,73 м 2 на добу) показують характеристики аутосомно-рецесивного успадкування з гомозиготністю або складеною гетерозиготністю для мутацій SGLT2 (44–46).

Повідомлялося про сорок чотири різні мутації, розпорошені по всьому гену SCL5A2, причому більшість із них є приватними (46) (рис. 4). Серед них мутації міссенсу та дурниці, невеликі делеції (зсув у кадрі та кадрі) та мутації зрощування. IVS7 + 5G можна вважати мутаційною гарячою точкою через періодичну знахідку IVS7 + 5G → Алель у кількох неродинних сім'ях, які мають ФРГ і мають різне етнічне походження (44,46).

Мутаційний аналіз гена SL-транспортера Na +/глюкози людини SLC5A2, який кодує SGLT2. Трансмембранні домени з 1 по 14 показані у вигляді темно-сірих коробок. Перемальовано з посилання (46), з дозволу.

Молекулярний аналіз також може бути корисним для розуміння результатів попередніх досліджень титрування. Гаплонедостатність призведе до зменшення кількості нормально функціонуючих носіїв у ниркових канальцях, тим самим приводячи до глюкозурії типу А, тоді як певні помилкові мутації можуть зменшити спорідненість SGLT2 до глюкози, і пацієнти виявлять глюкозурію типу В (44). Однак складна гетерозиготність мутацій SGLT2, мабуть, є причиною того, що багато минулих випадків важкої глюкозурії не можна було чітко класифікувати на тип А або В, і що у цих пацієнтів було виявлено широкий спектр порушеного канальцевого транспорту глюкози. Тому ми пропонуємо, щоб особи з ФРГ характеризувались кількістю глюкози, що виділяється за 24-годинний збір сечі, нормалізованим для поверхні тіла: Помірна ниркова глюкозурія 2 рази на добу та важка ниркова глюкозурія ≥10 г/1,73 м 2 на добу.

Клінічні наслідки ФРГ

Загалом, не було показано, що на пацієнтів із нирковою глюкозурією тяжкі клінічні наслідки впливають, і ця сутність вважається доброякісним станом, більше фенотипом, ніж хворобою. Наприклад, поліурія та енурез, а згодом м’який ріст та затримка статевого дозрівання були єдиними проявами, що спостерігалися протягом періоду спостереження 30 років (53). Іноді повідомляється про кілька інших проявів при важких формах ФРГ, таких як епізодична дегідратація та кетоз під час вагітності та голоду (40), наявність кількох аутоантитіл без клінічних ознак аутоімунного захворювання (54) або підвищена частота інфекцій сечовивідних шляхів. (54,55). Також спостерігалася активація ренін-ангіотензин-альдостеронової системи, вторинна щодо натрійурезу, і можливе виснаження позаклітинного об'єму (45,46).

В одному дослідженні гіперкальціурія була визначена як супутня ознака у п’яти з семи дітей чоловічої статі з нирковою глюкозурією (56), а також у одного пацієнта, у якого спостерігалась важка ниркова глюкозурія, також було описано підвищений коефіцієнт кальцію/креатиніну в плямі сечі (53). Причина цієї знахідки залишається невідомою.

Є кілька повідомлень про селективну аміноацидурію, пов’язану з нирковою глюкозурією, за участю аспарагінової кислоти в одному; глутамінова кислота, цитрулін та аланін в іншій; та аргінін, карнозин та таурин у ще одного пацієнта (57,58). Показано, що у шести дітей, які мали глюкозурію, були з трьох родоводів і були гомозиготними щодо нової мутації SGLT2 p.K321R, має генералізовану аміноацидурію, яка не супроводжується будь-якими іншими аномаліями проксимального канальцевого транспорту (51). Було постульовано, що аміноацидурія може бути вторинною щодо глюкозурії, а не первинним ефектом мутації SGLT2. Дійсно, аміноацидурія була виявлена не лише у MODY3, а й у діабету 1 та 2 типів, де вона позитивно корелювала з кількістю глюкозурії (59). Запропонований механізм полягає в тому, що глюкозурія викликає деполяризацію та дисипацію електричного градієнта натрієзалежних транспортерів амінокислот у проксимальних ниркових канальцях.

Інгібування SGLT2: новий варіант лікування діабету 2 типу

Крім того, у лікуваних пацієнтів спостерігалася стійка втрата ваги. Гіпоглікемічні епізоди були подібними у порівнянні з групою, яка отримувала метформін, але частота статевих інфекцій була вищою.

Варто зазначити, що в обох дослідженнях з дапагліфлозином повідомлялося про неповне пригнічення SGLT2 при нижчих рівнях глюкозурії, ніж у найважчих формах ФРГ. Можливо, що накопичується канальцева глюкоза конкурує з дапагліфлозином за зв'язування SGLT2, обмежуючи тим самим ступінь інгібування.

Інгібування ниркової абсорбції глюкози може забезпечити кілька переваг у лікуванні пацієнтів з діабетом 2 типу. На відміну від протидіабетичних препаратів, що спричиняють збільшення ваги, щоденна втрата калорій від 100 до 300 ккал, пов’язана з пригніченням SGLT2, може допомогти пацієнтам насправді схуднути. Також можна очікувати, що вони матимуть менший ризик розвитку гіпоглікемії, несприятливого ефекту, який часто спостерігається при застосуванні інсуліну або секреторів секреції інсуліну. Помірний сечогінний ефект може зробити інгібітори SGLT2 найкращим класом препаратів, що застосовуються разом з тіазолідиндіонами, які, як було показано, викликають затримку рідини, особливо за наявності серцевої недостатності. Нарешті, діуретичний ефект може сприяти контролю АТ. Передбачається, що пригнічення SGLT2 є безпечним та позбавленим невиправданих наслідків для пацієнтів, принаймні від хронічної глюкозурії. Це можна зробити з спостереження за пацієнтами, які мають ФРГ і у яких природні мутації SGLT2 проявляються переважно доброякісним розладом.

Висновки

На сьогоднішній день сімейна ниркова глюкозурія є доброякісним спадковим станом, який у більшості випадків не створює серйозних фізичних/клінічних наслідків для постраждалих людей. Мутації в SLC5A2 (ген, що кодує SGLT2) лежать в основі більшості, якщо не всіх, випадків FRG. Однак, успадкований як домінуючий суб’єкт, існує мінлива експресивність. Навіть при рідкісних важких формах, що характеризуються повною відсутністю канальцевої резорбції глюкози, клінічні прояви рідкісні. На підставі цих спостережень та поточних клінічних досліджень, інгібування SGLT2 може бути можливим способом лікування пацієнтів з діабетом 2 типу.

Розкриття інформації

J.C. отримував консультаційні збори від AstraZeneca/Bristol-Myers Squibb та Johnson and Johnson.

Подяка

Ми дякуємо Вільяму Уоткінсу з PPSI за редакційну допомогу щодо рукопису. Цю допомогу фінансував Брістоль-Майерс Сквіб.