肾结石病的遗传缺陷

肾结石（肾结石）很常见，据估计，肾结石影响西方世界6%-15%的人口[1]。在大多数情况下，这些因素与环境风险因素有关，包括职业、饮食、液体摄入量低、缺乏结石抑制剂、使用不溶性药物，例如抗逆转录病毒药物;或获得性疾病，如甲状旁腺功能亢进或解剖因素，例如马蹄肾。肾钙质沉着症是一种相关疾病，也可能表明钙在肾脏中沉淀。肾钙质沉着症和肾结石在一小部分但占很大比例的情况下是遗传性疾病、常染色体显性遗传、隐性或 X 连锁疾病的结果，它们的检测对疾病预后、治疗和对其他家庭成员的风险有影响。本综述将重点介绍肾结石病的遗传性疾病。它并不打算完全包容，因为随着疾病列表的不断扩大，这是不可能的，但将侧重于一些合理明确的代谢原因，例如（i）代谢途径紊乱，（ii）转移到不溶性产物，（iii）运输失败和（iv）肾小管酸中毒。

应通过以下任何因素怀疑肾结石病的遗传性病因：发病年龄早、复发性结石、双侧结石病、家族史或血缘史。大多数临床生物化学实验室可以对初步检查（表1）进行内部（对于大多数测试）或通过转诊到专科中心（草酸盐，柠檬酸盐，胱氨酸，原发性高草酸尿症代谢物）提供初步检查的支持。肾结石分析（如果有的话）可能会有所帮助[2]，尽管我的实验室运行的外部质量保证计划的数据表明，并非所有实验室在这方面都提供可靠的服务，在某些情况下经常错误地识别结石类型，未能识别其他稀有结石类型，并且没有指示不同成分的相对贡献。使用物理分析的测试，例如红外线，更有可能给出可靠的结果。影像学分析将确定原位结石是含钙（不透射线）还是射线可透，后者指向尿酸或其他嘌呤物质，或者仅像含胱氨酸的结石所见那样微弱的放射性密度。儿童结石病更可能通过代谢谱进行检查，但遗憾的是，成人通常不会这样做，因为结石可能只是在没有同时进行生化检查的情况下进行物理治疗。即使在儿童中，也可能需要很长时间才能做出诊断，延迟会导致长期肾损伤。有一句古老的谚语“曾经的结石形成者总是结石形成者”，因此复发的结石形成者可能只是被认为是结石病患者的典型，不值得仔细检查。

表 1.肾结石疾病的检查。

肾结石可能是酶或转运蛋白丢失导致不溶性物质积累的直接影响，而在其他情况下，基因缺陷可能使个体易患肾结石，例如肾小管性酸中毒。涉及的基因总数尚不清楚，但最近的一项研究针对肾结石诊所连续患者中的30个已知“结石”基因（不包括原发性全身性疾病和药物相关结石），并在15%的研究家庭中发现了突变，略低于21%的儿科病例和11%的成人[3]。由SLC7A9突变引起的胱氨酸尿症是最常见的疾病。

1. 代谢途径紊乱

导致腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）和黄嘌呤脱氢酶（XDH）缺乏的嘌呤代谢紊乱是这种类型的代谢紊乱 的说明。在这两种情况下，它们都会导致酶阻滞前的前体积累。在APRT缺乏的情况下，腺嘌呤积聚并通过XDH代谢为2，8-二羟基腺嘌呤（DHA）;而缺乏XDH会导致黄嘌呤的积累。DHA和黄嘌呤都是高度不溶性的，形成几乎纯净的射线透明结石。使用还原Folin试剂（磷钨酸/磷钼酸盐）检测尿酸的非特异性湿化学方法也给出了DHA和黄嘌呤的阳性结果，因此除非使用物理方法，否则肾结石分析可能会给出不正确的结果（图1）。红外光谱法获得更可靠的结果（图1），但即使在这里，也需要经验丰富的操作员能够确认结石类型。假设患者未接受尿酸酶抑制剂治疗，极低血清尿酸也可能怀疑 XDH。这两种疾病都可以通过测量相关尿嘌呤代谢物和APRT来确认红细胞中的酶活性[4]。

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图 1

这两种疾病都是常染色体隐性遗传的。 APRT酶由APRT编码，APRT是16号染色体长臂（16q24）上的一个基因[5]。迄今为止，已经描述了40多种突变，其中一些突变是特定人群所共有的，例如在超过136%的日本患者中发现了低于正常活性10%的Met6Thr[79][7]。法国队列中最常见的突变（40%）是导致错误剪接的c.400+2dup[8]，而c.194A>T（p.Asp65Val）是高加索人中第二常见的突变，在冰岛尤其常见[9]。根据酶研究估计，该病的杂合度被认为是1/100[10]，这表明该缺陷可能并不像以前认为的那样罕见。这一说法得到了400%健康新生儿中c.2+1dup突变的发现的支持[8]，实际上可能在晚年出现，或者由于结石分析不准确而被误诊为尿酸结石。 终末期肾衰竭是这种疾病的结果，不能通过肾移植纠正。

2. 转化为不溶性产物

原发性高草酸尿症（PH）是这种特殊类型结石形成的完美例证。有三种已知的PH类型，所有这些都导致前体代谢为不溶性草酸钙，在肾脏中沉淀为肾钙质沉着症或肾结石。结石类型通常是100%草酸钙，通常为一水合物，表明快速形成，在PH1的情况下具有不寻常的形态[11]，但也可以与磷酸钙混合。PH1、PH2和PH3三种类型均为常染色体隐性遗传病，分别由AGXT、GRHPR和HOGA2基因编码的丙氨酸：乙醛酸氨基转移酶、乙醛酸/羟基丙酮酸还原酶和羟氧戊二酸醛缩酶缺乏引起（图1）。

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图 2

尿草酸盐排泄在12种疾病中相似，差异很大[0]。浓度大于7.13mmol尿草酸盐/天[1]被认为是考虑原发原因的合理水平（在儿童中，结果应表示/73.<>m2），但这并不一定排除继发性病因，例如减肥手术[14]或慢性胰腺炎，低于此浓度也不能排除PH，因此如果临床仍然强烈怀疑，则需要进行其他检查。PH4患者尿液中2-羟基-3-氧代戊二酸（HOG）和二羟基戊二酸升高[15]，[16]的发现促使我们建立了原发性高草酸尿症代谢物筛查（OCM），作为该疾病调查的下一步（表1）。该分析可以为不同的原发性高草酸尿症提供额外的支持：乙醇酸升高（见于 70% 的 PH1 ）、甘油酸盐（见于 >95% 的 PH2 病例）和二羟基戊二酸（迄今为止所有 PH3 病例），因此重点关注基因检测。HOG是一种不太可靠的标志物，除非收集到酸化尿液中，否则不稳定，因此可能产生假阴性结果[17]。根据我们的经验，PH1是三种疾病中较为常见的一种，约占病例的80%[18]，PH2和PH3各占约10%。这三种疾病的发病年龄相似，大多数出现在儿童早期，大约5岁[19]。

AGXT以两种等位基因形式出现，主要等位基因和次要等位基因，后者编码具有氨基酸变化的蛋白质p.Pro11Leu，其具有约60%的主要活性[20]，并引入了弱线粒体靶向序列[21]，[22]。在欧洲人中，次要等位基因的发生率约为20%，但在非裔美国人中则少见得多[23]。发生在次要等位基因背景上的突变往往具有较低的活性和稳定性[24]，至少在体外[25]。已有170多种突变被报道（见 www.uclh.nhs.uk/phmd），在大多数情况下会导致酶活性显著降低或完全丧失[20]。大多数是单核苷酸改变，在所有患者群体中，c.508G>A（p.Gly170Arg）发生在高达30%的突变等位基因中[20]。这种突变体在体外保留了显着的活性，但具有减缓蛋白质二聚化的作用，结果是该酶被错误地靶向线粒体，在那里它无法发挥其在乙醛酸解毒中的作用[26]。具有这种突变和p.Phe152Ile变体的患者可能对补充吡哆醇有反应[27]（吡哆醇是丙氨酸：乙醛酸氨基转移酶的辅助因子）。在某些情况下，结合水合作用，吡哆醇会使尿草酸盐排泄量在参考范围内[27]，并可能对移植结局产生影响[28]。尿草酸盐的生物学变异性很高，因此需要减少至少三分之一才能构成显著变化[29]。

GRHPR的突变变化很大，但有两种常见的变化，都会导致误投。第一个，c.103delG [30]，[31]，几乎只存在于高加索人中，在我们的患者队列中占37%的突变[31]，载体频率为1：375 [23]。第二种是4个碱基对缺失，c.[403_404+2delAAGT] [30]，[31]，主要见于亚洲人，导致mRNA错配，占突变等位基因的18%[31]。

PH3是HOGA1突变的结果，直到最近才被报道[15]，但有两种常见的病理变异。第一，3bp缺失（c.944_946delAGG，p.Glu315del）[15]在德系犹太人口中很普遍。另一种是c.700+5G>T，已在几个患者队列中发现[15]，[19]，并被证明会导致肝RNA[19]和体外[15]中的错误。根据对公共全外显子组数据库的分析，该突变的携带频率（1：165）远高于该疾病频率的预期[23]，在我们的患者队列中，我们发现确诊PH3的患者有1个该突变的杂合子[32]。这一发现确实对基因诊断有影响（见下文）。

基因检测可用于所有三种疾病，并提供生化检测的确认，允许产前诊断和确认/排除其他家庭成员的疾病。后一点相当重要，因为所有三种类型在临床上都可能隐藏到成年期，尽管所有受影响的人都有突然发生肾衰竭的风险。由于肾移植是PH1和PH2治疗计划的一部分，前者通常推荐在肝移植后进行[33]，因此在这种潜在的器官供体中使用活体相关肾脏需要仔细排除隐性疾病。基因检测的警告是，鉴于上述二代测序的结果，单个突变加高草酸尿症的发生不能再被视为对任何原发性高草酸尿症的明确诊断。

草酸钙结石的另一个遗传性病因最近被描述为由SLC1A26编码的SAT1硫酸盐-草酸转运蛋白突变的结果[34]。存在高草酸尿症，但并不过分。然而，这一发现可能为那些疑似遗传性高草酸尿症患者提供解释，其中三种已知形式的PH已被排除。

3. 运输失败

氨基酸胱氨酸与其他阳离子氨基酸一起，主要通过 异构氨基酸转运蛋白（HAT）通过近端肾小管和空肠上皮细胞的顶膜重吸收，以交换细胞内中性氨基酸。HAT由通过二硫化物键在细胞外表面连接的重链和轻链组成。胱氨酸转运蛋白由rBAT重链组成，由SLC3A1编码[35]和b0,+由SLC7A9编码的AT轻链[36]。任一基因的突变均可引起胱氨酸尿症，其特征是胱氨酸、赖氨酸、鸟氨酸和精氨酸的尿排泄量高。 胱氨酸排泄分数通常仅为 0.4%，但在胱氨酸尿症中上升至 100%。其他碱性氨基酸也有显著的丢失，但胱氨酸的溶解性最差，因此会导致疾病病理，在儿童中占8%[37]。虽然90%的胱氨酸在第1节代谢途径的紊乱，2转移到近端回旋小管的不溶性产物，rBAT和轻链b的分布b中被重吸收0,+AT 未完全对齐;rBAT在S3段中最为丰富，在S2和S1段中较少，而b0.+AT显示反向分布，主要见于S1[38]。最近报道了另一种轻链蛋白，天冬氨酸/谷氨酸转运蛋白1（AGT1），它似乎与近端小管其他部位的rBAT有关，并可能重吸收近端小管下游的任何残留胱氨酸[39]。编码这种蛋白质的基因突变可能是胱氨酸尿症的另一个潜在原因。

SLC3A1和SLC7A9基因分别存在于2号染色体[40]和19号[41]上。两种基因均有突变的报道，但最常见于SLC7A9，最近估计在一个队列中占成人病例的11%和儿童病例的21%[3]。有三种表型，A型，SLC3A1的两个等位基因都发生突变，B型由SLC7A9突变引起，AB型，其中一个基因在一个基因中发现一个突变，另一个基因中发现一个突变。SLC7A9突变的杂合子可能显示胱氨酸排泄增加。该疾病的诊断需要根据硝普钠在氰化钠存在下的颜色形成进行初始尿液筛查试验。该筛查可对同型胱氨酸和含硫药物产生假阳性结果，因此应通过定量尿液氨基酸进行定性分析。胱氨酸尿症的纯合子每天排泄>1300μmol胱氨酸（正常<100）。

在不同种族的大量患者中进行了相应基因的遗传分析。p.Met467Thrvariant 是最常见的突变，占 30% 突变SLC3A1等位基因而 p.Gly105Arg占SLC20A7突变的9%（综述见参考文献[42]）。在所有情况下是否需要进行遗传分析以确认诊断是一个有争议的问题，因为它不会影响疾病的治疗，但它确实具有能够确认/排除其他家庭成员的疾病的优势。

这种疾病的治疗使用柠檬酸钾碱化尿液以增加胱氨酸溶解度，这种治疗可能耐受性不佳。还使用积极的补液，要求患者在白天和晚上喝至少3L的水，以尽量将尿液中胱氨酸的浓度保持在1200μmol/L以下 。胱氨酸结石对体外冲击波碎石术具有很强的抵抗力，因此如果引起阻塞，可能需要手术切除。肾功能损害在胱氨酸尿症中并不少见，一项研究报告CKD64期为2%[43]。

4.肾小管性酸中毒

肾小管在水和H离子排泄中起主要作用。对该调节的大多数紊乱是获得性的，例如对疼痛的反应ADH排泄过多;骨髓瘤沉积导致肾小管性酸中毒。然而，肾小管细胞的一些原发性疾病与肾结石形成有关。在肾小管性酸中毒（RTA）的情况下，结石形成有三个原因，首先是细胞内酸中毒导致近端小管对柠檬酸盐的重吸收增加。柠檬酸盐螯合钙，是晶体和结石形成的天然抑制剂。其次，由于全身性酸中毒，钙从骨骼中释放出来。第三，RTA的特征是产生碱性尿液，有利于磷酸钙的沉淀。显性遗传性远端 RTA 的一个例子是由基底外侧阴离子 （Cl+−/HCO3）交换蛋白AE1，一种由位于4号染色体上的SLC1A17编码的跨膜蛋白[44]。该基因产生来自不同启动子的两个转录本[45]。在N末端包含额外65个氨基酸的较长转录本在红细胞膜中表达，而较短的转录本在肾小管插层细胞中表达[46]。在肾脏中，AE1在远端肾小管的α插层细胞的基底外侧表达。疾病表型范围从严重的结石形成伴生长迟缓到隐匿性酸中毒和肾钙质沉着症。在所有情况下，尿液pH值不能在pH5.5以下酸化。低钾血症也与这种疾病有关。-

在Arg589上已经描述了一个突变热点，其中三个突变影响了这个特定的氨基酸（p.Arg589His，p.Arg589Ser，p.Arg589Cys）[47]。此外，最近在伊朗患者中，该基因的外显子16和61中描述了一组11至15个碱基对的缺失突变[48]。在非洲爪蟾卵母细胞中表达的突变蛋白显示出正常的阴离子转运[47]，但在极化细胞中的表达表明这些蛋白质在细胞内保留[49]，并且在某些情况下迅速降解[50]。发现其他突变体，特别是p.Arg901X，p.Met909Thr和p.Gly609Arg，在极化细胞的顶端和基底膜中表达[49]，[51]，[52]，[53]。p.Arg901X突变源于蛋白质的最后11个氨基酸的缺失[54]，为蛋白质[52]羧基末端的靶向序列提供了证据，尽管该信号本身是不够的，并且可能还需要N末端序列来有效靶向基底膜[53]。

一个有趣的问题是，鉴于这些突变对阴离子转运明显缺乏影响，这些突变如何导致显性遗传疾病。该蛋白是一种二聚体，因此在p.Arg589His和Gly701Asp突变体的情况下，预计会形成一个正常亚基和一个突变亚基的异二聚体，并在细胞内隔离异二聚体[49]，[50]。异二聚体对顶膜的错误定位导致表达在错误的膜位置，碳酸氢盐排泄到管腔中，从而有效地抵消酸分泌[49]。

5. 结论

正如引言中提到的，本文并没有试图全面，而是旨在了解分子遗传学如何活跃肾结石疾病领域，改善诊断并增加我们对生理过程的基本知识。未来几年无疑将揭示肾结石形成的更多遗传原因，因为全基因组方法被应用于结石形成者及其家人。仍然没有解决的是，为什么在明显相同程度的代谢异常的情况下，有些人会比其他人遵循更严重的过程。要回答这个问题，可能需要结合遗传学、蛋白质组学、化学和生物化学。

Rumsby G. Genetic defects underlying renal stone disease. Int J Surg. 2016 Dec;36(Pt D):590-595. doi: 10.1016/j.ijsu.2016.11.015. Epub 2016 Nov 10. PMID: 27838384.