Медицина/ Педиатрия

Арутюнян С.С.

ГБОУ ВПО Санкт-Петербургская государственная педиатрическая медицинская академия Министерства здравоохранения и социального развития России

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АУТОСОМНО-ДОМИНАНТНОГО ПОЛИКИСТОЗА ПОЧЕК

Ключевые слова:Аутосомно-доминантный поликистоз почек, ген PKD1,  PKD2.

Key words: Autosomal dominant polycystic kidney disease, PKD1, PKD2.

Целью обзора литературы является обобщение имеющихся в литературе сведений о генетических особенностях аутосомно-доминантного поликистоза почек (АДПП).

АДПП - системное заболевание,  характеризующееся прогрессирующим кистозным расширением всех участков нефрона и внепочечными проявлениями в виде поражения различных органов и систем[1,2]. Частота встречаемости колеблется в пределах 1:400-1:1000 живорожденных [3], что составляет примерно 12,5 миллионов больных во всем мире.

Генетика АДПП. АДПП генетически  гетерогенен, в 85% случаев он обусловлен мутацией гена PKD1(MIM 601313), в остальных случаях - гена PKD2(MIM 173910).

PKD1 - довольно большой по размеру (52kb) ген, состоящий из 46 экзонов, длина кодируемой транскрипты ≈14 kb, расположение-16р13,3. Известно, что три четверти 5’ конца гена (экзоны 1-33) повторяются приблизительно 6 раз на той же хромосоме 16 в виде высокогомологичных (с идентичностью в ≈95%) псевдогенов, что усложняет генетическое тестирование PKD 1. PKD2 ген расположен на хромосоме 4 (4q21-q23). Несмотря на большую длину (≈68 kb), его геномное строение намного проще – он состоит из 15 экзонов, и у него нет  высокогомологичных  псевдогенов, длина кодируемой транскрипты - 5,4kb. Продуктами генов PKD1 и PKD2 являются белки полицистин 1 (ПЦ1) и полицистин 2 (ПЦ2), соответственно. ПЦ 1 – большой мембранный гликопротеин, который  состоит из 4303 аминокислот (АК), имеет структуру рецептора или молекулы адгезии и содержит нижеперечисленные части: внеклеточный NH2 – концевой домен (~ 3074 АК), цитоплазматический COOH - концевой домен (~197АК) и 11 трансмембранных доменов(1032АК). В С-концевом домене находится биспиральный участок, с помощью которого он взаимодействует с С- концевым участком ПЦ2, обеспечивая стабилизацию последнего.  Предполагают, что ПЦ1 и ПЦ2 представляют из себя сигнальный комплекс рецептора и ионного канала [4]. ПЦ1 взаимодействует также с множеством других белков посредством различных участков, расположенных как в цитоплазматическом, так и во внеклеточном домене. ПЦ1 представлен в почках, мозге, сердце, костях, мышцах и бронхах [5,6]. Основной синтез в почках ПЦ 1 происходит в эпителии дистальных канальцев и собирательной системы [7]. Следует заметить, что кисты при АДПП в большинстве случаев развиваются именно из собирательной системы.

ПЦ2 (968АК) – неселективный катионный канал, проницаемый для Са2+. Он состоит из коротких  цитоплазматических N- и С-концевых участков и 6 трансмембранных сегментов, последние 5 из которых имеют структуру, строго соответствующую таковой TRP канала, а между пятой и шестой сегментами находится предполагаемая щель для прохода ионов [8]. ПЦ2 взаимодействует с большим числом разных протеинов, в том числе, как уже отмечалось, с ПЦ1. ПЦ2 представлен в почках, сердце, яичниках, тестикулах, гладкой мускулатуре сосудов и в тонкой кишке [9,10]. В почках выявляется во всех отделах нефрона, за исключением тонкой части петли Генле и клубочка. Примечательно, что кисты при АДПП развиваются  фокально, в этот процесс вовлекается только 5% нефронов. Для объяснения этого факта был предложена гипотеза “двойного поражения” (“two-hit” hypothesis) [11]. Согласно этой гипотезе “первым поражением” является генеративная мутация в одной из двух копий (аллелей) PKD1 или PKD2. Этого недостаточно, чтобы данная клетка изменилась фенотипически и превратилась в кистозную, так как второй аллель функционирует нормально. Киста возникает, только когда в данной клетке возникает соматическая мутация второй “нормальной” аллели – “второе поражение”. Это подтверждается обнаружением соматических мутаций  в PKD1 и PKD2 генах в тканях почки и печени больных с АДПП. Этот феномен называется, так же,  “потеря гетерозиготности” (loss of heterozygosity-LOH) [12]. Доказано, что при таком механизме развития кист, необязательно полное отсутствие полицистина. По-видимому, существует некий пороговый уровень экспрессии, и при количестве белка ниже этого уровня, запускается механизм развития кист [13,14]. Парадоксально, но есть работы, указывающие на то, что чрезмерная экспрессия полицистинов также сопровождается развитием кист [15]. В последнее время появилось много данных, которые не позволяют объяснять фокальное развитие кист только “two hit” механизмом. По всей вероятности, существует добавочный пусковой момент.  Исследования на грызунах, выявили, что при остальных равных условиях, сроки развития кист, распространенность поражения, а так же отделы нефрона из которых наиболее часто возникают кисты, отличаются в зависимости от того, на каких сроках развития животного был применен третий повреждающий агент. При поражении в эмбриональном периоде подавляющее большинство кист развивается из собирательного участка нефрона, а в постнатальный период – из петли Генле. Возможно, это связано с разным пролиферативным потенциалом тканей в различные периоды развития [16]. Показано также, что частота развития кист намного выше, если повреждающий агент действует на новорожденного животного, по сравнению с более зрелым. Это означает, что полицистины в процессе быстрого роста и деления клеток почечных канальцев играют очень важную роль, и потеря их функции именно в этот период приводит к развитию кист [17]. Следовательно, третьим пусковым моментом цистогенеза при АДПП является повреждение эпителиальных клеток канальцев, так как оно инициирует включение репаративных процессов, то есть - быстрый рост и деление клеток, что при нарушенной функции полицистинов заканчивается не восстановлением поврежденного участка, а развитием кист [18,19]. Это может быть одной из причин возникновения новых кист в течение жизни у больных с АДПП, так как вероятность возникновения разных обструктивных и ишемических повреждений увеличивается с возрастом. Данное открытие очень ценно, так как дает ключ к профилактике прогрессирования заболевания.    Другое возможное объяснение появления новых кист - постепенное накопление соматических мутаций в течение жизни [20,21].

Генное воздействие на фенотип АДПП. АДПП1 (мутация в гене PKD1), протекает тяжелее, чем  АДПП2 (мутация в гене PKD2). Распространённость гипертензии в 4 раза больше в популяции с АДПП1, инфекции мочевыводящих путей и гематурия также чаще обнаруживаются при этом типе. Частота внутричерепных аневризм (ВЧА) и тяжелого поликистозного поражения печени  приблизительно равна при АДПП1 и АДПП2 [22]. Больные с АДПП1 достигают терминальной стадии ХПН на ≈20 лет раньше - в 53 года при АДПП 1 и 69,1 года при АДПП2 (оба значительно отличаются от популяции-78лет). В связи с этой разницей, процентное соотношение АДПП 2 с годами растёт. В одном из исследований описано, что 39,1% больных,  достигших терминальной стадии ХПН после 63 лет, имеют PKD2 мутацию [23]. Доказано, что в одном и том же возрасте при АДПП 1 размер почек намного больше, чем при АДПП 2, а большой объем почек сопряжен с быстрым прогрессированием заболевания. Однако некоторые авторы считают, что генами PKD1 и PKD2 регулируется образование кист, а не увеличение их размера, и тяжесть АДПП 1 объясняется тем, что больше кист возникает на более раннем этапе развития болезни, а не потому, что уже существующие кисты быстрее увеличиваются в размере. Следовательно, процесс цистогенеза состоит из ген-зависимого этапа развития кист и ген-независимого этапа увеличения кист [24]. Выявлено также, что при АДПП2 есть половые различия в сроках достижения терминальной стадии ХПН: у мужчин в среднем 68,1 лет, у женщин-76, а при АДПП1 различия не отмечены [25].

На сегодняшний день известно 864 мутаций гена PKD1 и 139 мутаций гена PKD2 (табл.1,2).

Таблица 1.

Количество известных на сегодняшний день мутаций в генах PKD1 и PKD2 [по данным ADPKD Mutation Database [http://pkdb.mayo.edu]]

Ген

Общее число мутаций

Патогенные мутации

PKD 1

864

436(50,5%)

PKD 2

139

115(82,7%)

 

Таблица 2.

Количественное соотношение разных видов патогенных мутаций в генах PKD1 и PKD2 [по данным ADPKD Mutation Database [http://pkdb.mayo.edu]]

 

PKD1

PKD2

 

Патогенные мутации (436)

Патогенные мутации (115)

Тип мутаций

Явно  патогенные

308

Вероятно патогенные

128

Явно патогенные

97

Вероятно патогенные

18

frameshift

134

-

50

-

nonsense

110

-

30

-

splice

32

13

14

3

deletions and large deletions

27

20

2

4

insertions

3

2

1

1

substitutions

2

93

-

11

large duplication

1

-

-

-

 

На вопрос, зависят ли особенности течения и прогноз заболевания от типа и локализации мутации в генах PKD1 и PKD2, до сих пор нет однозначного ответа. Розетти с соавторами выявили, что от позиции мутации в гене PKD1 зависит тяжесть заболевания: 5’ локализация мутаций, в отличие от 3’ локализации, сопряжена с более ранним развитием терминальной стадии почечной недостаточности и склонностью к внутричерепным аневризмам (ВЧА), однако прямая зависимость от типа мутации не установлена [26].

Модифицирующие факторы. Есть много исследований, касающихся воздействия генов-кандидатов. Хотя в более ранних публикациях есть данные о том, что вариант DD полиморфизма I/D гена ангиотензин-превращающего фермента (ACE) связан с более тяжелым течением АДПП [27], однако проведенный впоследствии мета-анализ данных большого числа исследований, посвященных этой проблеме, показал, что этот полиморфизм не влияет на исход [28]. Тазон-Вега с соавторами опубликовали результаты исследования, целью которого являлось выявление ассоциации полиморфизма семи генов-кандидатов (NOS3- синтаза эндотелиального оксида азота, ACE – ангиотензин-превращающий фермент,TGFB-фактор роста опухоли β1, BDKRB1 и BDKRB2- рецепторы брадикинина 1 и 2, EGFR-рецептор фактора эпидермального роста и PKD2) с возрастом развития терминальной стадии ХПН у 355 пациентов из 131 семьи с АДПП1. Не установлена значительная связь прогрессирования заболевания с каким-либо из них [29].

Роль негенетических факторов. Очевидно, что на почечные и внепочечные проявления АДПП воздействуют и негенетические факторы. Об этом свидетельствует, например, тот факт, что кистозное поражение печени тяжелее протекает у женщин, особенно у тех, кто принимал гормональные контрацептивы, замещающую эстрогенную терапию и  у кого в анамнезе многократные беременности [30]. Считают, что у мужчин при АДПП скорость увеличения размера кист выше, чем у женщин, и терминальная стадия ХПН при АДПП 2 возникает раньше у мужчин, что говорит о роли  половых гормонов, как факторов, способных изменить течение болезни. Доказано, что кофеин способен повышать продукцию cAMP в кистобразующих клетках, тем самым стимулируя пролиферацию и секрецию жидкости [31]. Курение также является фактором риска более быстрого прогрессирования почечного поражения и развития ХПН, особенно у мужчин [32]. Ожирение способствует развитию протеинурии и терминальной стадии ХПН.

Молекулярная диагностика АДПП. Диагностика заболевания в большинстве случаев основывается на данных анализа родословной и УЗИ почек. Однако развитие кист возраст-зависимый процесс, поэтому у лиц моложе 30 лет, а так же у тех, кто имеет АДПП2 (отличающийся более поздним началом и более легким течением), могут иметь место неоднозначные  данные УЗИ, или ложноотрицательные ответы. В таких случаях для более точного диагноза оправдано проведение молекулярно-генетического тестирования.

Анализ сцепления требует участие не менее двух (а лучше нескольких) пораженных членов семьи, что не всегда представляется возможным. Соответственно, при наличии только одного больного в семье и в случаях мутаций de novo, использование этого метода невозможно.

Прямое секвенирование ДНК - наиболее подходящий метод исследования и обеспечивает выявление мутаций в ≈78-90% случаев [33]. Однако в связи с тем, что большинство мутаций уникальны для конкретной семьи, и одна – треть выявляемых PKD мутаций представляют из себя missense варианты, патогенность некоторых изменений трудно доказать.

Делеционно-дупликационный анализ. Для выявления делеций/дупликаций могут быть использованы: качественный ПЦР, ПЦР длинных фрагментов (long–range PCR), метод мультиплексной амплификации (multiplex ligation dependent probe amplification-MLPA), матричная геномная гибридизация (array genomic hybridization). Частота выявления делеций/дупликаций составляет ≈4 % при PKD1 и ≈1% при PKD2 [34].

В заключение можно сказать что, все известное на сегодняшний день о генетике АДПП, лишь верхушка айсберга. Многие вопросы пока не нашли своего окончательного решения. Во-первых, в силу отсутствия можорных мутаций, в силу сложностей исследования генов PKD (большие размеры, особенности строения), выявление причинно-значимых мутаций крайне затруднено. Даже самые полные молекулярные исследования в хорошо оснащенных лабораториях с использованием нескольких методик, в 10-30% случаев не выявляют мутаций в уже известных генах [33,35]. Но  и выявление мутации не дает нам ответы на все вопросы.  Так например, несмотря на данные, утверждающие, что мутация в гене PKD1 протекает тяжелее, чем в PKD2, остается неясным, почему у одних больных с повреждением PKD1 гена заболевание протекает крайне тяжело, с внепочечными кистами, артериальной гипертензией и исходом в терминальную стадию почечной недостаточности, а у других – является случайной находкой при проведении УЗИ почек. Более того – внутри одной семьи, где все члены наследуют один и тот же тип мутации, заболевание тоже может протекать совершенно по-разному. Окончательно не ясна роль генов-кандидатов в патогенезе АДПП, так как имеющиеся публикации часто содержат противоречивые данные. Возможно, в будущем ученые смогут дать ответы на эти и многие другие вопросы. Не исключено, что появится классификация АДПП с выделением конкретных его вариантов, имеющих в основе доселе неизвестные нам молекулярные механизмы.

 С учетом быстрого развития новых подходов к лечению, крайне важным становится установление диагноза в раннем возрасте, когда еще нет клинических проявлений заболевания, поэтому в перспективе молекулярная диагностика АДПП должна стать более доступной для лечащих врачей. Такой точный метод диагностики позволит начать патогенетическую терапию с малых лет, и не всем членам семьи, а только тем, кто наследовал мутантный ген.

Литература:

1.   MacRae Dell K.,Sweeney W.E.: Polycystic Kidney Disease//Pediatric Nephrology-Sixth edition-edited by Ellis D. Avner, William E. Harmon, Patrick Niaudet, Norishige Yoshikawa-Springer, /P:849-887; 2009

2.   Stefan Somlo, Lisa M.Guay-Woodford: Polycystic Kidney Disease //Genetic Diseases of the Kidney-edited by Richard P.Lifton, Stefan Somlo, Gerhard H. Giebisch, Donald W. Seldin, P: 393-424; 2009

3.   Wilson PD; Polycystic kidney disease,N Engl J Med 350:151-64,2004.

4.   Huang AL, Chen X, Hoon MA et al. The cells and logic for mammalian sour detection. Nature. 442: 934-8:2006

5.   Peters DJM, van de Wai A, Spruit L, et al. Cellular localization and tissue distribution of polycystin-1. J. Pathol.; 188:439-46. 1999

6.   Driscoll JA, Bhalla S, et al. Autosomal dominant polycystic kidney disease is associated with an increased prevalence of radiographic bronchiectasis. Chest. May;133(5):1181-8. 2008

7.   Ibraghimov-Beskrovnaya O, Dackowski WR, Foggensteiner L, et al. Polycystin: In vitro synthesis, in vivo tissue expression, and subcellular localization identifies a large membrane-associated protein. Proc. Natl Acad. Sci. USA; 94: 6397-402. 1997

8.   Li A, Tian X, Sung SW et al. Identification of two novel polycystic kidney disease 1-like genes in human and mouse genomes. Genomics; 82: 498-500. 2003

9.   Markowitz GS, Cai Y, Li L, et al. Polycystin-2 expression is devel-opmentaliy regulated. Am. J. Physiol.; 277: F17-25. 1999

10. Obermuller N. et al. The rat Pkd2 protein assumes distinct subcellular distributions in different organs. Am. J. Physiol.; 277: F914-25. 1999

11. Pei Y. A “two-hit” model of cystogenesis in autosomal dominant polycystic kidney disease? Trends Mol Med;7:151–156. 2001

12. Pei Y, Watnick T, He N, et al. Somatic PKD2 mutations in indi­vidual kidney and liver cysts support a "two-hit" model of cystogenesis in type 2 autosomal dominant polycystic kidney disease. J. Am. Soc. Nephrol.; 10: 1524-9;1999

13. Ong AC, Harris PC. Molecular pathogenesis of ADPKD: the polycystin complex gets complex. KidneyInt;67:1234–1247;2005

14. Jiang ST, Chiou YY, Wang E, et al. Defining a link with auto-somal-dominant polycystic kidney disease in mice with con-genitally low expression of Pkdl. Am. J. Pathol.; 8: 205-20; 2006

15. Thivierge C, Kurbegovic A, Couillard M, et al. Overexpression of PKD1 causes polycystic kidney disease. Mol. Cell. Biol.; 26: 1538; 2006

16. Shibazaki S, Yu Z, Nishio S, et al. Cyst formation and activation of the extracellular regulated kinase pathway after kidney specific inactivation of Pkdl. Hum. Mol. Genet.; 17: 1505-16; 2008

17. Takakura A, Contrino L, et al. Pkd1 Inactivation Induced in Adulthood Produces Focal Cystic DiseaseJ Am Soc Nephrol 19:; 2351-2363; 2008

18. Bastos, A.P., K. Piontek, A.M. Silva, et al. Pkd1 haploinsufficiency increases renal damage and induces microcyst formation following ischemia/reperfusion. J. Am. Soc. Nephrol. 20:2389–2402. 2009

19. Prasad, S., J.P. McDaid, et al. Pkd2 dosage influences cellular repair responses following ischemia-reperfusion injury. Am. J. Pathol. 175:1493–1503. 2009

20. Takakura A. et al. Renal injury is a third hit promoting rapid development of adult polycystic kidney disease.Hum Mol Genet. Jul 15;18(14):2523-31; 2009

21. Chapin H.S., Caplan J.M  The cell biology of polycystic kidney disease J. Cell Biol. Vol. 191 No. 4, 701–710; 2010

22. Harris PC. et al.: Cyst number but not the rate of cystic growth is associated with the mutated gene in ADPKD. J Am Soc Nephrol 17: 3013–3019, 2006

23. Torra R, Badenas C. et al. Increased prevalence of polycystic kidney disease type 2 among elderly polycystic patients. Am. J. Kidney Dis.; 36: 728-34. 2000

24. Grantham JJ, Torres VE, Chapman AB, et al. Volume progression in polycystic kidney disease. N Engl J Med 354(20):2122–30. 2006

25. Magistroni R. et al.:Genotype-renal function correlation in type 2 autosomal dominant polycystic kidney disease. J Am Soc Nephrol 14: 1164–1174,2003

26. Rossetti S, Burton S, Strmecki L, et al.: The position of the polycystic kidney disease 1 (PKD1) gene mutation correlates with the severity of renal disease. J Am Soc Nephrol 13: 1230–1237, 2002

27. Peral B, Gamble V, Strong C, et al. Identification of mutations in the duplicated region of the polycystic kidney disease 1 gene (PKD1) by a novel approach. Am. J. Hum. Genet.; 60: 1399-410. 1997

28. Pereira TV, Nunes AC, et al. Influence of ACE I/D gene polymorphism in the progression of renal failure in auto-somal dominant polycystic kidney disease: a meta-analysis. Nephrol. Dial. Transplant.; 21: 3155-63; 2006

29. Tazon-Vega B, Vilardell M, Perez-Oiler L, et al. Study of candi­date genes affecting the progression of renal disease in auto­somal dominant polycystic kidney disease type 1. Nephrol. Dial. Transplant.; 22: 1567-77. 2007

30. Sherstha R, McKinley C, Russ P, et al.: Postmenopausal estrogen therapy selectively stimulates hepatic enlargement in women with autosomal dominant polycystic kidney disease. Hepatology 26: 1282–1286, 1997

31. Belibi FA, Wallace DP, Yamaguchi T, et al.: The effect of caffeine on renal epithelial cells from patients with autosomal dominant polycystic kidney disease. J Am Soc Nephrol 13: 2723–2729, 2002

32. Orth SR, Stockmann A, et al.: Smoking as a risk factor for end-stage renal failure in men with primary renal disease. Kidney Int 54: 926–931, 1998

33. Rossetti S, Consugar MB, Chapman AB, Torres VE, Guay-Woodford LM et al. CRISP Consortium; Comprehensive molecular diagnostics in autosomal dominant polycystic kidney disease. J Am Soc Nephrol.; 18: 2143–60. 2007

34. Consugar MB, Wong WC, Lundquist PA, Rossetti S, Kubly VJ et al. CRISP Consortium; Characterization of large rearrangements associated in autosomal dominant polycystic kidney disease and the PKD1/TSC2 contiguous gene syndrome. Kidney Int. 74: 1468–79; 2008

35. Rossetti S, Chauveau D, Walker D et al.: A complete mutation screen of the ADPKD genes by DHPLC. Kidney Int 61: 1588–1599, 2002