含钙结石的遗传学研究进展

2021
10/14

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医学镜界
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肾结石病是一种常见的疾病,其可能与代谢综合征和终末期肾病相关,并给医疗保健系统造成了巨大的负担。

肾结石病是一种常见的疾病,其可能与代谢综合征和终末期肾病相关,并给医疗保健系统造成了巨大的负担。数据显示,美国人终身的肾结石发病率为8.8%。其中含钙结石约占所有肾结石75%左右。既往研究证实,肾结石具有明显的遗传倾向。许多遗传和环境因素均可能会增加肾结石病患病风险。值得注意的是,在全球范围内,儿童和成人的肾结石发病率均在增加。这一增长与全面的环境影响和饮食结构改变相关,如高动物蛋白和高钠摄入。此外,由于女性肾结石发病的增高,男女发病率差异正在缩小。在此,我们将讨论钙石病的基本病因,并在已知的代谢危险因素中回顾钙石病的单基因和多因素研究。了解这些分子,结合肾结石疾病的新动物模型,将有助于确定潜在的疾病机制和新疗法。

钙石病发病机制及其非基因因素

    含钙结石是最常见的肾结石类型。各种原因导致钙石形成,如:炎性肠病、原发性甲状旁腺功能亢进和肾小管性酸中毒等。然而,大部分人均无上述疾病。相反,尿液中的代谢因子,最常见的是高钙尿症,有助于结石形成。有证据表明,在肾乳头状突起部位形成的草酸钙结石是由间质磷灰石沉积形成的,其被称为兰德尔斑(Randall plaques)。然而,在钙盐尿过饱和的情况下,在贝利尼导管(Bellini duct)尖端和髓内集合管中,结石的形成可能由晶体沉积引起。最明显的环境因素是低流量液体摄入和其他因素,包括高动物蛋白和高钠的摄入。单基因型肾结石很罕见,但对于它们的研究可以提供一个了解肾结石基础病理和发展新疗法的机会。

一、单基因型肾结石的研究

     如上所述,特发性含钙肾结石可能是由基因和环境因素的相互作用而成。并且,越来越多的证据显示(表1),单基因在钙石形成过程中产生重要作用,其中大部分在童年时期出现。肾结石最常见的类型为草酸钙结石,其潜在的代谢因素为高钙尿、高草酸尿、以及低柠檬酸尿症。

      高草酸尿症可由罕见的原发性高草酸尿(PH,1型、2型、3、常见的肠源性高草酸尿(图1)或是特发性高草酸尿引起。有学者已经回顾并更新了PH值的分子遗传学及其相关表型。PH值包括一种罕见的常染色体隐性条件(患病率为1:58000),导致草酸盐过度产生,进而形成肾脏草酸钙结石。随着慢性肾脏病病情进展导致全泌尿系统草酸盐沉积。目前3种已知的遗传基因(AGXTGRHPRHOGA1)与335例来自罕见肾结石协会病例的表型密切相关。其症状出现的平均年龄为5.2岁。

     约占总例数三分之二的AGXT表型(PH1型)病例最为严重,较早的发生终末期肾脏病;其次是GRHPR型(PH2型)突变(占总例数9%);最后为HOGA1型(PH3)突变(占总例数11%)。有趣的是,HOGA1突变的患者最早出现,但其肾功能下降最慢。与PH1PH2相比,本组38例患者肾钙化少,尿草酸盐水平低。该组中终末期肾脏病的低发病率和良性的表型表明,随着年龄的增长对HOGA的敏感性降低。仍有11%PH临床和生化诊断的家庭仍未得到解决。通过代谢评估证实PH1型病例有着较高的结石发病率和高草酸盐尿症。尿糖、L-甘油和HOGA的升高可能没有足够的差异来证实PH的亚型和分子遗传学是确诊最精确的方法。在考虑肾移植之前必须对PH值晚期表型做出诊断。此外,肾脏结石组的检查还发现了有关单基因结石疾病的其他资料。以前认为单基因结石疾病仅占所有肾结石的2%,两项基因研究表明,肾脏结石疾病的单基因形式可能更为常见。第二代测序可以对涉及单因子肾结石的基因进行高通量分析。例如,在小儿(106)和成人中(166)肾结石的队列中有40例患者(近15%)有单基因因素。然而,应该指出的是,这不是一个随机选择的人群,而是从专科中心和诊所招募患者,其中可能包含了过多的稀有结石病患者,从而潜在地过度估计单因素的贡献。在143例专科诊所招募的肾结石病或肾积水症患儿的队列中发现24例患者出现单基因因素(16.8%)。在常染色体隐性遗传基因中发现了纯合和复合杂合突变,其中包含ATP6V1B1 ATP6V0A4 CLDN16SLC3A1CYP24A1 SLC12A1AGXT。从显性遗传性疾病基因中发现了杂合变异体ADCY10SLC4A1 SLC9A3R1 SLC34A1、和VDR。值得注意的是,上述研究中并不是所有与结石相关的基因都具有作用机制,其与正常生理或与所述变异表型均相关。例如ADCY10编码碳酸氢盐敏感的腺苷酸环化酶,目前尚未证实其在常染色体显性遗传的吸收性高钙尿中起作用。

    对于其他罕见的单基因结石目前也有了新的见解。编码依赖于钠离子的磷酸盐转运蛋白2cSLC34A3中双等位基因突变,导致遗传性低钙性佝偻病。双等位性SLC34A3突变的患者可能也表现出高钙尿、肾钙质沉积和无结石表型的肾结石。然而,杂合SLC34A3载体具有模拟特发性高钙尿症的生物化学表型,并且可能不存在结石病。Dasgupta等通过研究来自27个具有SLC34A3突变的家族133人队列,结果发现:16%的杂合性载体,特别是血清磷酸盐减少的患者出现肾钙化。这提醒我们,肾结石患者的详细生化表型可以指向一种潜在的分子遗传学诊断,并且不应忽视结石形成的家族遗传模式。此外,这些严格的单基因的模式,尤其是隐性的,需要重新定义,因为杂合性或成双性可能会导致一个(较温和的)表型,只有在额外的环境或饮食诱导下才会患病,例如低的液体摄入或阳光照射下才会表现出来。

     维生素D途径的基因参与肾结石形成并不奇怪。自从CYP24A1突变被发现是导致婴儿特发性高钙血症的原因,这一基因突变的表型谱已经扩大。成人钙石症患者可能是双等位基因CYP24A1突变的表现,其童年并无明显症状。引起这种肾结石罕见的单一成因的生化特征是升高或高正常水平的血清钙和被抑制的甲状旁腺激素。突变导致25 --维生素D - 24 -羟化酶的功能丧失,此种关键酶作用于24 -- 25 --维生素D(2425 -二羟基维生素D)24 -- 125 -二羟基维生素D(12425 -三羟基维生素D)。肾结石表型可能会通过增加维生素D摄入量和阳光照射表现出来。并且,肾结石表型可能与单个杂合子突变以及双重突变有关。重要的是,尽管长期应用氟康唑等药物治疗不可行,然而针对cyp450依赖酶抑制的治疗可能用于控制1,25-二羟基维生素D水平。总之,这些由单基因病例和肾结石形成队列的结果表明,单基因结石(1)必须以系统的方式进行筛选,以了解“特发性结石形成”的遗传载体。令人好奇的是,导致含钙结石的罕见单一成因的基因,如ATP6V1B1SLC34A1在更广泛的人口研究中,是否已被确定为有风险等位基因,我们将在下文进行讨论。

二、一种新型的单基因性草酸钙结石病

    最近,SLC26A1作为编码硫酸阴离子交换蛋白SAT1的高草酸尿症的候选基因的已经成为研究热点。鼠模型(Sat1- / -)揭示了肾小管和继发于高草酸尿的膀胱的肝脏毒性和结石形成的表型。SAT1是一种上皮转运蛋白,表达于肾脏(在肾近端小管上皮细胞和集合管的基底部外侧膜)、肝(肝细胞的窦状膜)和小肠(1),其作为一个硫酸盐交换剂,促进草酸盐分泌物。最近已有报道称,SLC26A1变体可促进人草酸钙的形成。Dawson等研究了13例复发性草酸钙结石患者,其中在一例严重肾病的患者中鉴定出罕见的杂合子p.M132T,然而,并未对该患者的其他家族成员进行分析研究。上述案例为一组包含348名肾结石或肾钙质沉着症患者的队列候选方法奠定了基础,其中30个基因原因之前被排除在外。在一名来自马其顿的患者中,研究者发现了SLC26A1复合杂合子突变,其在5岁时患有草酸钙结石并确诊为高草酸尿症。在另一位父母有血缘关系的患者中,检测出SLC26A1单个纯合子变体,然而,其二十四小时尿中草酸盐含量正常。功能实验证实了转染HEK293T细胞在阴离子交换中的存在缺陷。这些结果表明,SLC26A1可能是常染色体隐性草酸钙结石病的新型遗传基因,在肠和管状草酸盐转运中起作用(图1)。虽然目前尚不清楚其具体的代谢表型,但是草酸钙结石形成将有助于临床医生的鉴别。尽管最近有证据表明敲除SLC26A6基因的小鼠患有高草酸盐尿和草酸钙尿石症,遗憾的是,其并没有被列入此候选基因。

     最近,一个比较了225名来自中国草酸钙结石患者和201个健康健康对照的研究,结果发现,在肾结石疾病中SLC26A6基因存在一种错义变体。13例患者和2例健康对照者均具有杂合型p.G539R。相比之下,SLC26A6变体在AGXTGRHPR突变被排除的8例高草酸盐尿病患者中未被发现是重要的遗传因素。

三、基因组遗传学研究和候选基因分析

      先前我们对特发性含钙结石的遗传性进行了详细的讨论。家族聚集、病例对照研究和统计学模型都强烈表明了肾结石疾病的遗传性(达个体患病风险的50%)。 确切地说,大约35%的结石形成受家庭成员的影响随着大规模基因研究的现代技术的实施,我们对这种含钙肾结石遗传倾向的理解已经取得了一些进展。基因组关联研究(GWAS)发现与含钙肾结石相关的基因包括SLC34A3CLDN14SLC34A1AQP1DGKHUMOD

     最近,Oddsson等利用来自结石患病率很高的冰岛人群全基因组数据进行了GWAS研究。上述研究包含5419人,结果发现,ALPL(编码碱性磷酸酶同工酶)中的与肾结石相关的内含子序列变体(rs1256328),并且与已知的肾结石形成的候选基因 CASR(编码钙敏感受体编码)相关密切相关。此外,SLC34A1(编码钠依赖性磷酸转运蛋白2型)和TRPV5(编码瞬时受体潜在阳离子通道V5,别名上皮钙通道1)的错义变体也与复发性肾结石相关。

       ALPL是一种有趣的结石病候选基因,其内含子风险等位基因与血清ALP高水平相关。 此外,研究者还检测到与血清ALP低水平相关的保护性错义等位基因(rs149344982)。ALPL表达于肾脏近端小管,其作用是将焦磷酸盐水解为游离磷酸盐,进而促进结石形成。因此,肾结石患病风险是在管状焦磷酸盐和游离磷酸盐转化中寻求平衡。ALPL功能突变使其等位基因丧失导致低磷血症综合征,其可能存在婴儿期高钙血症,高钙尿症和肾钙质沉着症,并且与1,25-羟维生素D水平相关。ALPL在骨骼形成过程中至关重要,与成骨细胞膜相关的ALPL是骨矿化所必需的。骨吸收和骨矿化的失衡是肾钙化的危险因素。在SLC34A1中的一个相关和被预测为功能失调的变体编码钠/磷酸盐的共转运蛋白。此外,Oddsson等也发现肾小管腔的磷酸盐水平与肾结石风险有关。有研究者在低磷血症、肾结石和骨质疏松患者体内发现了一种SLC34A1罕见的变体,其常染色体隐性遗传突变在婴儿期高钙血症和磷酸盐的过度消耗的患者中得到了证实。杂合双亲患者的肾钙质沉着和肾结石风险显著增加。

       GWAS的研究相辅相成,候选基因方法已经识别出许多可能与钙肾结石有关的基因变异,其中一些已经在不同的人群中被复制。这些基因包括CASR,VDR,OPN, MGP, PLAU。令人惊讶的是,最近分析了包括CASR 在内40种已知候选基因,其被认为可能影响尿钙排泄。然而,并没有确认上述已知基因的稀有变体在尿钙排泄中的作用。另外,在冰岛人群GWAS45中鉴定的CLDN14变体在具有低和高尿钙水平的受试者之间没有差异。这些研究的综合结果证实了肾结石遗传学的复杂性。

      编码液泡H+-ATPaseB1亚基的ATP6V1B1突变是罕见肾结石和肾积水的单基因模式。由常染色体隐形遗传等位基因突变导致酸中毒伴听力丧失的患者更加可能存在肾积水和肾结石。最近的一项基因表型研究对555名患者                ATP6V1B1p.E161K)内的单核苷酸多态性(rs114234874)进行了基因分型,尽管对该变体计算机预测是良性多态性,然而在体外实验已证明其功能上的重要性。32名患者被鉴定为这种变体杂合子,并且在某些饮食限制下和氯化铵负载后,出现较高的尿酸值,具有形成磷酸钙结石的倾向。因此,这种单核苷酸多态性即使在杂合状态也可能会增加肾结石病的患病风险。ExAC数据库(http//exac.broadinstituteorg /)中的此变体的频率约为3%,因此该变体可能是普通人群磷酸钙结石风险的关键变量。

四、发病机制的研究和高钙尿症作为遗传特征

    近年来,关于特发性钙石形成途径的研究已成为热点。这些研究包含一种假设,即Bellini管内的尿液促进管腔内晶体聚集,进而使得磷酸钙沉积,并且Randall斑块(来自间质性羟基磷灰石沉积物形成)可能促使尿钙草酸盐沉淀。这两种机制均依赖于尿中钙盐的过饱和,而这些代谢风险因素背后的遗传学基础已经被证明是难以捉摸的。

      特发性高钙尿症最初是由Albright1953年定义的,在正常血清钙水平和低血清磷酸盐水平的情况下,有22名肾结石患者的尿钙含量高。这样的病人可能从肠道中吸收钙,并降低了肾小管的钙吸收,导致钙石形成的代谢趋势。这种高钙结石形成的趋势具有遗传性,但潜在的遗传学分子机制尚未明了。特发性高钙尿症仍然是与肾结石相关的最常见的异常代谢。由于尿钙排泄率是连续变量并且它对结石形成的影响也很可能是连续的,因此,必须重视对高钙尿症的定义。

         Curhan认为,异常尿钙的特定截止值并不总是适当的,因为即使在其“正常”范围内随着钙排泄量增加,石头形成的风险也会增加。代谢危险因素如高钙血症和结石形成的风险因年龄而异。例如,在年龄较小的队列中,女性患者有更明显的高钙尿症,这一现象在老年患者中并没有明显异常。同时,在对照群体中也常常可以观察到高于“正常”钙排泄。因此,当解释基因和其他涉及特发性高钙石的研究时,必须考虑这些细微差别,因为风险因素是一个连续的变量。

      Randall斑本身可能被视为结石形成的危险因素。尽管上述观点仍存在争议,在乳头表面的Randall斑面积已被证明与钙的排泄率和结石形成率相关。最近的一项关于草酸钙结石患者的Randall斑组织全基因表达谱分析揭示了多重基因调控,同时,通路分析表明其涉及氧化应激、炎症、肾功能障碍和管状离子传输等多个过程。这样的新研究预示着Randall斑和肾结石的分子靶向治疗的开始。

五、肾结石病的基因与环境

      用于治疗肥胖的胃旁路手术是环境变化如何影响结石形成的直接示例。改变肠道解剖结构和微生物种群的这个极端例子指出肠和肾之间的密切关系以及血清电解质的维持。肠道微生物在确定尿液化学性质中起到至关重要的作用,未来了解肾结石病将需要检查宿主基因组及其肠道菌群基因组(如草酸杆菌)的相互作用。此外,饮食变化可能通过表观遗传学机制调控基因的表达。我们在全球范围内观察到的肾石发病率的不断上升为某些肾石表型提供了一个机会,使其更容易地(和理解)在基因易感的个体及其亲属中被揭示。我们注意到在全球范围内肾结石发病率逐年上升。因此,在遗传易感的个体及亲属中,为结揭示某些特定表型的肾结石机理提供了一个更加容易的机会。

六、肾结石的动物模型

      肾结石形成的动物模型在过去一直依赖于像乙二醇这样的毒素来诱发。纯粹的基因模型很难产生,然而,最近这类研究有了新的进展(2)。黑腹果蝇长期以来一直是黄嘌呤尿的一个确定的疾病模型,果蝇小管仍然是探索结晶遗传学的模型系统。事实上,在果蝇对黄嘌呤脱氢酶途径的调控中可能涉及锌的矿化驱动作用,随后锌的转运遗传模型证实了这点。在人肾乳头活检组织的Randall斑内也可见锌灶,提示锌可能参与钙化。一些与肾结石病相关的基因均在果蝇的小管中富集。实际上,SLC26A6(编码dPrestin)的果蝇的同型蛋白似乎具有氯化钙和草酸酯交换功能,最近其被用于研究草酸钙结晶的治疗抑制剂。这种基础生物学研究可能在未来人类结石病中具有重要的转化效应。

     斑马鱼(Danio rerio)是研究肾脏发育的有用的模型生物,然而,由于缺乏尿液浓缩能力,斑马鱼肾脏不会发生肾结石。值得注意的是,表现出严重的生长迟缓和骨骼缺陷的trpm7突变体在5天后出现类似肾结石的矿物质沉积,并且这与血清中钙和镁的水平降低有关。这一缺陷指向了斑马鱼在骨骼发育过程中的钙和镁平衡所起到的作用。哺乳动物的TRPM7编码了一种广泛表达的阳离子通道,它对体内的镁离子具有重要的意义,但并没有涉及到人类的肾结石病。

      肾结石鼠基因遗传模型受到严重的限制。最近的一篇综述强调了间质性钙质沉着病的模型,如缺乏UmodOpnNpt2aNherf1的小鼠。Sat1- / -小鼠提供了一种草酸钙结石形成的新模型,其中在肾皮质小管的内腔和膀胱中观察到草酸钙晶体,其可用于筛选新的疗法。尽管人类在SAT1同源slc26a1基因突变已得到鉴定,但是防止高草酸尿症的靶向治疗仍需要进一步探索,上述小鼠模型将会促进这一过程。在相关遗传模型中,敲除Slc26a6的小鼠发生草酸钙结石,继发于肠草酸盐分泌缺陷,导致血浆草酸盐水平升高和高草酸尿症。钙结石形成的另一种机制可能是由于低枸橼酸尿症,尿枸橼酸可通过抑制钙结晶和沉淀抑制结石形成。有趣的是,最近研究显示SLC26A6与邻近的钠-柠檬酸转运体(SLC13A2) 在近端小管的顶端膜(1)相互作用。SLC26A6的破坏导致柠檬酸盐的管状再吸收增加,并且缺乏在较高草酸盐状态下结石形成的抑制物。

     基于增加钙和镁管状吸收的肾钙化小鼠模型是通过claudin-10蛋白组织特异性敲除产生的。claudin-10蛋白是一种紧密连接蛋白,主要定位于Henle的上升环,并参与调节水和钠的细胞旁重吸收过程。与CLDN16CLDN19CLDN14一起,越来越多的证据表明,完整的旁细胞吸收对于防止钙石形成是非常重要的。

TRPV5编码肾上皮细胞中表达的钙选择性瞬时受体电位通道。Trpv5- / -小鼠通过介导Trpv6上调,表现出高钙尿和肠内钙过度吸收。Trpv5- / -小鼠也具有骨骼表型,骨皮层和小梁骨厚度减少。骨吸收受损牵引出TRPV5的破骨细胞功能。据最近研究报道,一种常染色体显性的高钙尿症小鼠模型(N-乙基-N-亚硝基脲诱变)存在错义等位基因突变(p.s682p),其与肾性高钙尿相关,这表明在肾远曲小管内引起钙的异常处理。然而,人类TRPV5中的多态性并没有与钙通道的尿钙排泄率或功能缺陷相关,至今也没有令人信服的致病突变。

      目前已进入第95代近亲繁殖的遗传高钙结石形成的小鼠模型,继续提供有关钙石形成的信息资料。这是一个高度相关的模型,用于考虑高钙尿和结石形成的潜在复杂基因,因为它证实了该疾病的多源性,对人类疾病的许多方面进行了概括,并反映了人类的骨矿物质紊乱。遗传性高钙结石的大鼠模型表现出由维生素D受体表达增加介导的钙转运异常调节,如:肠内过度钙吸收,骨吸收增加和肾小管钙重吸收减少,上述过程均。该模型为探究饮食和药物干预作用提供便利,如外源性维生素D,噻嗪类利尿剂,以及作用于疾病表型的柠檬酸钾。这一特定模式下的多基因变异尚未完全阐明,但至少有一个定量性状位点(1号染色体)已被识别。

六、总结

     肾结石形成的病理生理学是复杂的,但在多数情况下,有证据表明结石形成具有遗传倾向。鉴于这种遗传性,现代基因组技术已经鉴定出越来越多的单基因结石病。然而,单基因结石病对肾结石形成的作用仍存在争议,必须通过更加全面的临床遗传学研究来解决。GWAS和候选研究让我们注意到肾小管对钙磷处理和结晶复杂遗传的重要性。高钙尿症和高草酸盐尿症是形成结石的关键代谢风险因素,探究这一或其他危险因素的新基因和模型有望为发现新的治疗方法提供理论支持。

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关键词:
患者,基因,结石,形成,相关

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