Посещений:
ВРОЖДЕННЫЕ НАРУШЕНИЯ МОЧЕВОГО ТРАКТА



Генетическая обусловленность

Congenital Disorders of the Human Urinary Tract: Recent Insights From Genetic and Molecular Studies
Adrian S. Woolf, Filipa M. Lopes, Parisa Ranjzad, and Neil A. Roberts
Front Pediatr. 2019; 7: 136.
Мочевой тракт представлен почечными лоханками, мочеточниками, мочевым пузырем и мочеиспускательным каналом. Тракт действует как функциональная единица, сначала перемещая мочу из почек к пузырь, затем сохраняя её при низком давлении в мочевом пузыре и периодически и полностью выводя мочу через уретру. Фактически анатом Andreas Vesalius 5 столетий тому назад, базируясь на тщательных аутопсических исследованиях (1) пришел к заключению, что почки, мочеточники и мочевой пузырь составляют единую функциональную единицу. До этого считалось, что почки каким-то образом очищают кровь, но не считалось необходимой анатомическая связь с нижней частью мочевого тракта.
Врожденные болезни мочевого тракта могут приводить к ряду разрушительных болезней, иногда ассоциированных с потерей плодов или недостаточностью почек у детей и позднее (2-4). При некоторых таких нарушениях части мочевого тракта отсутствуют, тогда как в др. случаях органы присутствуют, но тяжело изменены. А в некоторых случаях органы кажутся в основном нормальными, но обладают врожденным функциональным дефицитом, который может влиять на здоровье. Исследования на людях начинают обнаруживать моногенные причины некоторых из таких болезней (5). Здесь представлены некоторые дополнительные гены, кодирующие гладкие мышцы, нейральные или уротелиальные структурные и функциональные молекулы или главные транскрипционные факторы, регулирующие их экспрессию. Более того, некоторые животные модели оказываются информативными в отношении того, как такие молекулы контролируют развитие и функциональную дифференцировку мочевого тракта.
Детали анатомии и биологии развития почек и мочевого тракта рассмотрены в др. работах (6-8), как и аномалии почек у людей per se (3, 9, 10). Здесь основное внимание уделено мочеточникам и мочевому пузырю. Наконец, важно установить какие факторы, нарушающие эмбриональную среду, могут также неблагоприятно воздействовать на развитие мочевого тракта: включая диету матери, полезные витамины, уровни в крови глюкозы и оплодотворение in vitro (11-14).
В Table 1 представлен список встречаемости некоторых врожденных болезней мочевого тракта, а в Table 2 список некоторых генов, участвующих в их патогенезе.
Table 1 Prevalences of human congenital urinary tract diseases.

Table 2 Genes implicated in congenital disorders of the human urinary tract.

Genetic Studies of Vesicoureteric Reflux, a Common Urinary Tract Malformation


Определенные уродства мочевого тракта широко распространены, такие как первичный не синдромальный vesicoureteric reflux (VUR). Термин описывает ретроградную траекторию мочи из мочевого пузыря в верхние мочевые пути, вызываемую закупоркой выхода из мочевого пузыря (т.e., "первичную") или ассоциированную с уродствами вне мочевого тракта (т.e., "не синдромальную"). Точная распространенность этого состояния неопределенна, поскольку крупные бессимптомные популяции не подвергались скринингу с помощью цистографии. Распространенность, однако, подсчитана в 10% у младенцев и маленьких детей (18). Проспективные исследования показали, что умеренные степени VUR обычно спонтанно регрессируют у детей (24). Семьи со многими распознанными членами, затронутыми VUR, не были тщательно исследованы с помощью цистографии. Это затрудняет отслеживание VUR в семьях. Все эти аспекты затрудняют генетические исследования первичных VUR. В самом деле, многочисленные исследования по установлению генетического сцепления или анализ ассоциаций указывают на различные локусы в качестве кандидатов на первичные VUR (25-30). К сожалению между исследованиями отсутствует униформность в отношении этих локусов. Причиной может быть то, что исследования проведены с недостаточной мощностью и что первичные VUR генетически гетерогенны и способы их наследования варьируют. Самое крупное исследование (31), с использованием анализа параметрического сцепления среди 1062 затронутых индивидов из 460 семей, исходя из доминантной модели, идентифицировало один регион на хромосоме 10q26. Локус содержит 69 генов, пока его секвенирование не произведено, чтобы установить вероятные патогенетические варианты в их кодирующих регионах. Единственным объяснением может быть то, что регион содержит мутации в еще неустановленных некодирующих регуляторных регионах генов, которые управляют развитием мочеточников. Др. исследование подчеркнуло варианты специфических генов. Два таких исследования (32, 33) указали на участие вариантов ROBO2 в первичной VUR, а мутации в этом гене вызывают уродства мочеточников у мышей (32, 34). Др., однако, не смогли подтвердить эти наблюдения в др. популяциях с первичными VUR (35). Сходная история не подтверждения (36, 37) случилась с вариантами в гене, наз. RET, кодирующем рецептор фактора роста, управляющего ростом рудимента эмбрионального мочеточника (38). Uroplakins являются семейством белков, которые образуют гетеродимеры, покрывающие апикальную поверхность уротелия, который выстилает почечные лоханки, мочеточники и мочевой пузырь (39). Они, как полагают, обеспечивают водонепроницаемые свойства и тем самым предупреждают обратный заброс мочи в тело. Мыши с гомозиготными мутациями uroplakin IIIa (UpkIIIA) или UpkII вызывают тяжелые уродства мочевого тракта, включая VUR и гидронефроз (39), и когда гомолог рыбок данио, наз. upkIII был экспериментально подвергнут нокдауну, то эпителий эмбриональных почечных канальцев обнаруживал неправильную локализацию белков, включая Na+/K+-ATPase (40). Редкие индивиды с гетерозиготными прогнозируемыми патогенными UPKIIIA мутациями были описаны (41-43) и некоторые имели уродства мочеточников, включая VUR. Напротив, когда крупная популяция с первичной несиндромной VUR была изучена, то мутации UPK не были идентифицированы (44). Единственным объяснением может быть то, что UPK мутации редко совместимы с жизнью и нельзя ожидать их обнаружения у в целом здоровых индивидов с VUR.

Genetic Breakthroughs in Syndromic Congenital Disorders of the Human Urinary Tract


Хотя установление специфических генетических причин первичных несиндромных VUR пока не удается, достигнут существенный прогресс в определении причинных генов при синдромальных врожденных нарушениях мочевого тракта, т.e., тех, которые ассоциируют с заболеваниями вне мочевого тракта. В этом отношении, вообще-то наиболее подходящим геном для первичной VURу человека является TNXB, кодирующий белок внеклеточного матрикса, экспрессирующийся в мочевом тракте (45). Гетерозиготный вариант был обнаружен в мочевом тракте при VUR в большой семье, а эксперименты по клеточной биологии показали, что вариант с измененной клеточной подвижностью присутствует в культуре фибробластов. Более того, редкие TNBX missense варианты обнаруживаются в некоторых семьях с VUR (46). Тщательное исследование затронутых индивидов показало, что некоторые имеют избыточную подвижность суставов, а мутации потери функции TNBX ранее были описаны при синдроме Ehlers-Danlos (47). Т.о., такие семьи с VUR и вариантами TNXB могут рассматриваться как имеющие forme-fruste on the full-blown Ehlers-Danlos синдром, который, как было установлено, ассоциирует с дивертикулом мочевого пузыря (48). Сходные наблюдения были сделаны для PAX2, гена, кодирующего транскрипционный фактор, широко экспрессирующийся в развивающихся почках и мочевом тракте, а также в зрительном нерве. Мыши с гетерозиготными мутациями Pax2 имеют врожденные малого размера почки и могут иметь VUR (49, 50). Редкие индивиды, рождающиеся с уродливыми почками и иногда обнаруживающие VUR, как было установлено, несут гетерозиготные PAX2 мутации (51, 52). У некоторых из таких индивидов имеются и аномалии зрительного нерва (51), что соответствует всем критериям полностью проявляющегося 'renal coloboma syndrome'. Однако, снова при секвенировании PAX2 в крупных популяциях с первичным несиндромальным VUR, мутации не были идентифицированы (53).

Prune Belly Syndrome


Синдром Prune belly описывает сочетание признаков, присутствующих начиная с антенатального периода, в виде массивно растянутого мочевого пузыря, неспособного к полному опорожнению и с истонченными мышцами, покрывающими стенку живота (54). Это почти всегда наблюдется у мальчиков, что сопровождается неопущенными яичками. Для подобного состояния термин "следствие" может быть более аккуратным, чем "синдром", поскольку изменения живота могут быть вторичными по отношению к массивному растяжению мочевого пузыря. Распространенность синдрома prune belly определена как 3.8 на 100000 живорожденных (19). До рождения синдром является одной из причин "megabladder," массивно растянутого мочевого пузыря, фенотипическое отклонение, встречающееся с частотой 1:330-1670 (16). Согласно описаниям фенотипических отклонений (55, 56), синдром prune belly, скорее всего, имеет более одной этиологической причины. Гистологически некоторые затронутые индивиды имеют физическую блокаду мочеиспускательного канала, напр., из-за агенеза мочеиспускательного канала или клапанов, при этом гипертрофируется стенка мочевого пузыря. Или, напротив, имеется явно открытый мочеиспускательный канал иногда с плохо развитым простатическим ложем и тогда мочевой пузырь может содержать дезорганизованные пучки мышечных волокон и хорошо развитую соединительную ткань. Эти две категории поэтому могут иметь соответственно или "анатомическую" или "функциональную" обструкцию мочевого пузыря. Сокращения detrusor гладких мышц тела мочевого пузыря, управляют выделением мочи, а нервным сигналом для их сокращения является ацетилхолин, высвобождаемый парасимпатическими автономными нервами, который соединяется с M3 muscarinic рецепторами. Гомозиготные мутации, по-видимому, с потерей функции в CHRM3 были обнаружены в семье с несколькими мальчиками, затронутыми prune belly-подобной болезнью (57). CHRM3 кодирует M3, а крупный болтающийся (floppy) мочевой пузырь в этой семье сильно напоминает фенотипические отклонения у самцов, гомозиготных по Chrm3 мутантных мышей (58). M3 также обеспечивает сокращение зрачка на свет, а упомянутая семья обнаруживает дефекты этого рефлекса (57). Семья с фенотипически сходным синдромом мочевого пузыря и глаз была описана и при генетическом тестировании (59). Конечно, M3 присутствует уротелии мочевого пузыря эмбрионов, а также в гладких мышцах, указывая, что он имеет и др., пока не установленные, роли в развитии мочевого тракта (57).
Др. индивиды с массивно растянутым мочевым пузырем, пока не имеющие анатомической закупорки оттока, несут мутации генов, кодирующих сократительные белки гладких мышц или др. молекулы, необходимые для их функциональной способности. В самом деле, мутации следующих генов были идентифицированы или при prune belly или перекрывающейся болезни, наз. megacystis microcolon intestinal hypoperistalsis syndrome: ACTA2, encoding α-smooth muscle actin (60); ACTG2, кодирующий γ2 гладкомышечный актин (61); MYH11, кодирующий тяжелую цепь белка гладких мышц (62); и MYLK, кодирующий myosin light chain kinase, которая модифицирует цепочку миозина в клетках гладких мышц (63). Др. геном кандидатом, связанным с миогенной неспособностью, является MYOCD, который кодирует связанный с транскрипцией белок, необходимый для экспрессии контратильных белков гладких мышц (64-66). Исследование с использованием микромассивов (microarrays) для розыска вариантов ряда копий в 34 случаях синдрома prune belly установило, что имеется один носитель делеции локуса, соотв. MYOCD (67). Наконец, гетерозиготы по делеции целого гена HNF1B, были установлены, у редких пациентов с синдромом prune belly (68). Этот ген кодирует hepatocyte nuclear factor 1B транскрипционный фактор, который широко экспрессируется в эпителии развивающегося почечного тракта (69). С др. стороны, поскольку гетерозиготные мутации HNF1B хорошо распознаются в случае разнообразных нарушений почек, но такие пациенты не имеют синдрома prune belly (70). Более того, в др. исследовании было установлено, что в то время как пациенты с синдромом prune belly несут missense вариант HNF1B, он не затрагивает трансактивацию функционального кодируемого белка (71). Дальнейшим предостережением является то, что делеции целого гена HNF1B могут также распространяться на соседние гены (68), так что финальный фенотип может не описывать проявление самого HNF1B.

Urofacial Syndrome


Urofacial или Ochoa синдром (UFS) характеризуется тем, что мочевой пузырь, в котором detrusor сокращается снова неполностью в оттоке из расширенного мочевого пузыря, это приводит к высокому гидростатическому давлению внутри пузыря с неполным опорожнением (23). Следовательно, это ещё один пример функциональной обструкции выхода из мочевого пузыря. Осложнениями оказываются высокого давления VUR, восходящие бактериальные инфекции, пиелонефрит и почечная недостаточность. Затронутые индивиды также имеют характерные гримасы во время смеха, а нейрогенная основа этой болезни мочевого пузыря давно известна (72). Распространенность синдрома неизвестна, описано примерно 150 случаев, в основном у детей (23). Наследуемые аутосомно доминантным способом биаллельные мутации HPSE2 (73-77) кодируют белок, наз. heparanase 2, которая ингибирует ферментативную активность heparanase (78), которая может высвобождать ростовые факторы, секвестрированные на молекулах матрикса, наз. glycosaminoglycans. Др. семья с UFS вместо этого имеет биаллельную мутацию LRIG2 (79-81), которая кодирует предполагаемый белок плазматической мембраны, наз. leucine-rich-repeats and immunoglobulin-like-domains 2. Этот белок, как полагают, обеспечивает передачe сигналов ростового фактора (82), частично по аналогии с лучше изученными членами семейства LRIG (83). Экспериментальный нокдаун у эмбрионов Xenopus гомолога hpse2 вызывает дезорганизацию периферических двигательных нервов (84), а у мышей развитие мочевого тракта, и heparanase 2, и LRIG2 определяются иммунологически в ганглиях таза, структурах, которые посылают анатомические нервы к мочевому пузырю (75, 81). Более того, оба белка могут обнаруживаться в нервах, врастающих в нормальных мочевой пузырь плодов человека (79).Мыши, гомозиготные по мутации или Hpse2 (75, 85) или Lrig2 (81), обнаруживают нарушения опорожнения мочевого пузыря. Более того, эти мыши обнаруживают аномальные паттерны нервов мочевого пузыря, с истощением вокруг тракта оттока и избыточной концентрацией в теле мочевого пузыря (79). Оба мутанта также обнаруживают пониженные уровни транскриптов в мочевом пузыре, кодирующих нейрональную nitric oxide synthase (81), белка, известного как обеспечивающего дилятацию оттока мочевого пузыря (86). Т.о., накапливаются доказательства, что UFS является периферической нейропатией мочевого пузыря и это обнадеживает в поиске логической терапии для этой разрушительной болезни.

Congenital Hydronephrosis Caused by Primary Ureter Malformations


Молекулярно вышестоящим над myocardin является др. транскрипционным фактором, наз. teashirt-3, кодируемый TSHZ3 (64, 65, 87). TSHZ3 обычно экспрессируется в мезенхимных клетках верхних частей эмбриональных мочеточников, которые дифференцируются в гладкомышечные клетки (64, 88). Гомозиготные мутантны Tshz3 мыши неспособны формировать мышцы мочеточников в этом положении и неспособны к перистальтике в этом месте, у них возникает hydronephrotic функционально закупоренные мочеточники (64). Конечно, люди с гетерозиготными делециями TSHZ3 могут рождаться с уродливыми мочеточниками и такие индивиды также страдают от аутизм-подобного нарушения, поскольку тот же самый ген экспрессируется в и управляет функциональной дифференцировкой кортикальных нейронов головного мозга (89). Др. транскрипционные факторы регулируют дифференцировку гладких мышц в мочеточниках. Предварительное исследование подтвердило, что TSHZ3 взаимодействует с SOX9 (87) , а мутации этого гена у людей вызывают синдром нарушений во многих органах, наз. campomelic dysplasia (90) , характеризующийся трансформацией пола и hydroureter (91). Сходным образом, TBX18 является транскрипционным фактором временно экспрессирующимся в мезенхимных клетках эмбриональных мочеточников вокруг уротелия (92). Гомозиготные мутантные Tbx18 мыши формируют фибробласт-подобные клетки скорее, чем нормальные гладкомышечные клетки на их месте (92). Описаны люди, гетерозиготные по TBX18 патогенетическим вариантам (93), они обнаруживают закупорку в месте перехода почечной лоханки в мочеточник и гидронефроз, фенотипическое отклонение, встречающееся с частотой 0.3-0.4% у новорожденных (20-22). Базируясь на экспериментах с клеточными культурами также оказалось возможным подтвердить, что тот же самый ген необходим для дифференцировки клеток задающих ритм в мочеточниках (94).

Posterior Urethral Valves


Зпдние клапаны уретры - это болезнь, ограничивающаяся мужским полом, является распространенной причиной обструкции нижней части мочевого тракта, выявляемой при внутриутробном ультразвуковом обследовании. Если сопровождается маловодием и повреждениями почек, то жизнеспособность новорожденных оказывается под угрозой и незначительно улучшается vesicoamniotic шунтированием у плодов (4). Распространенность заданих urethral клапанов составляет 1 на 7800 живорожденных (17). Хотя в целом это спорадическое заболевание, но описаны семьи с более чем одним затронутым ребенком (95). Более того, исследования монозиготных и дизиготных близнецов согласуются с наличием генетической компоненты (96). На сегодня, однако, предполагаемые генетические основы задних urethral клапанов остаются неизвестными. Два исследования (97, 98) сообщили о разнообразии количества копий вариантов у пациентов с задними urethral клапанами, но убедительных указаний или строгих доказательств патогенетичности пока не получено. Предварительное исследование сообщает о множественных членах в течение трех поколений связанных с uretral закупоркой, которые оказались гетерозиготными носителями бессмысленных мутаций в BNC2 (99). Этот ген кодирует basonuclin 2 белок цинковые пальчики, который экспрессируется в эмбриональном мочеиспускательном канале (99). Более того, экспериментальное подавление гомологичного гена у рыбок данио вызывает уродства в дистальной части эмбрионального мочевого тракта (99), и мутантные Bnc2 мыши имеют аномальные мочеиспускательные каналы (100).

Bladder Exstrophy


При классической экстрофии мочевого пузыря фронтальная часть мочевого пузыря открыта это рассматривается как промежуточная степень тяжести нарушения в спектре болезней срединной линии, от частичного незаращения передней стенки мужского мочеиспускательного канала и до cloacal exstrophy. Распространенность установлена в 2.1 на 100000 родов, при этом существует позитивная корреляция с возрастом матери (15). Исследования генетических ассоциаций выявило вариации в локусе ISL1 при классической экстрофии мочевого пузыря, но пока патогенетические варианты в кодирующей области ISL1 не были доказаны (101, 102). Др. идея заключается в том, что ассоциация с локусом ISL1 указывает на функциональную изменчивость некодирующего геномного региона, которые влияет на экспрессию ISL1, но эта гипотеза пока не проверена (103). ISL1 является транскрипционным фактором, экспрессирующимся в регионе формирования мочевого пузыря мышей (102). Мутантные Isl1 мыши имеют epispadias-подобный фенотип, а в нормальном развитии ген кодирует транскрипционный фактор, индуцирующий bone morphogenetic factor 4 (BMP4), обеспечивающий ремоделирование мезенхимных клеток (104). Конечно, BMP4 также определяется иммунологически в стенке мочевого пузыря эмбрионов человека (105) , а др. эксперименты подтвердили его экспрессию под контролем sonic hedgehog, фактора роста, секретируемого эмбриональным уротелием (65, 105). Некоторы исследования искали варианты числа копий при bladder extrophy-epispadias спектре и небольшой, но статистически достоверный субнабор затронутых индивидов имел дупликацию в хромосоме 22q11.2 (106-108). Критический регион содержит многочисленные гены, экспрессируется в развивающихся почках и мочевом тракте, включая CRKL, кодирующий трансформирующую протеин киназу, которая сама участвует в возникновении нарушений почек, обнаруживаемых при синдроме DiGeorge (109). В этом контексте доза гена редуцирована (т.e., "гаплонедостаточность") скорее, чем умножение, тем более, что синдром DiGeorge не характеризуется экстрофией мочевого пузыря.

Conclusions and Novel Therapeutic Perspectives


Как указывалось выше генетический прорыв области болезней человека был достигнут при изучении семей с редкими врожденными болезнями мочевого тракта. Показано, что участвуют гены, кодирующие гладкие мышцы, нейтральные или уротелиальные молекулы или важные транскрипционные факторы, регулирующие их экспрессию. Кстати, варианты одних и тех же генов не объясняют, по-видимому, более распространенные несиндромальные нарушения мочевого тракта человека, такие как первичные VUR. Секвенирование всего экзома, технология, которая выявляет варианты белок-кодирующих регионов всех генов, была использована для поиска вероятных патогенетических мутаций в клинических когортах, включая взрослых с хроническими болезнями почек (110) и детей, рожденных с рядом аномалий почек (111). Такое исследование дало пригодную генетическую информацию в 10-14% протестированных случаев.
В будущем это может стать информативным при использовании этой технологии к группе пациентов, родившихся с нарушениями мочевого тракта, описанных в данном обзоре. Важно помнить, однако, что мутации могут не быть единственным объяснением врожденных аномалий мочевого тракта. Окружение плода может быть модифицировано за счет альтераций в диете матери, присутствием материнской болезни, такой как сахарная болезнь (11-14). Эти негенетические изменения могут сами по себе вызывать нарушения нормальной траектории органогенеза. Точно также эпигенетические alternations, такие как метилирование ДНК, могут существенно влиять на экспрессию почечных генов и тем самым влиять на склонность к болезни. Напр., такой механизм недавно установлен для экспрессии генов в почках старых людей (112) и существуют предварительные доказательства, что сходные механизмы могут оперировать при почечных аномалиях у человека (113).
По крайней мере для редких синдромов, рассмотренных в обзоре, генетика и патобиология установлены и возможно начать думать о биологичской терапии этих болезней в добавление к обычной фармакологическим и хирургическим клиническим вмешательствам. В самом деле, генотерапия, осуществляемая с помощью вирусных векторов, может стать приемлемой. Недавний прорыв, когда детям со спинальной мышечной атрофией 1, вызываемой мутациями в survival motor neuron 1, внутривенно вводили adeno-associated virus (AAV), который трансдуцирует SMN1, ген, вызывающий эту болезнь. Саустя 20 мес. дети оставались живыми и хорошо развивались, тогда как не леченные индивиды, как и ожидалось, погибали или жили с тяжелыми параличами (114). Вирусный вектор AAV это непатогенный вирус, который редко интегрируется в геном хозяина, а многочисленные испытания с AAV векторами были проведены с моногенными и др. болезнями. Конечно, специфические серотипы AAV могут доставлять репортерные гены в развивающиеся почечные тракты мышей после применения к матерям, эмбрионам и новорожденным; проверенными мишенями оказываются почки (AAV9), мочевой пузырь (AAV9) и автономные и дорсальных корешков и кишечные ганглии (AAV8 and 9) (115-118). Болезни мочевого тракта с определенной генетической основой, описанные в данном обзоре, удовлетворяют ключевым критериям доставки вирусами генов. Сегодня уход при этих болезнях ограничивается только контролем симптомов, напр., физическое дренирование мочевого пузыря скорее, чем лечение болезненного процесса. Болезни генетически обусловлены, хорошо известна связь между обычными кодируемыми белками и болезненными проявлениями. Более того, существуют модельные мыши болезней, на которых можно тестировать новые биологические воздействия. Отбор пациентов, которым возможно применение новой терапии требует высокого благоразумия (judicious). Тяжесть болезни может быть теоретически обусловливаться пока неизвестными модифицирующими генами, эпигенетическими изменениями и альтерациями окружения плодов.