Abstract

Glucoza este sursa primară de energie pentru creier, mușchi și alte organe. Straturile lipidice cu membrană, cu toate acestea, sunt practic impermeabile la moleculele de glucoză hidrofilă și se bazează pe transportoare de glucoză pentru a facilita mișcarea acestora prin membranele celulare și distribuția lor către și în diferite țesuturi (1,2). Rinichiul contribuie la homeostazia glucozei prin reabsorbția a aproximativ 180 g din filtratul glomerular în fiecare zi. Datorită activității transportatorilor de glucoză în tubul proximal renal, 220 de membri din familia SLC5, cunoscută și sub numele de familia genelor simporterului de substrat de sodiu (SSSF); dintre acestea, 12 au fost identificate în genomul uman (4,5). Membrii SGLT sunt proteine ​​multifuncționale legate de membrană care afișează o gamă largă de funcții de la transportul cuplat cu sodiu pentru zaharuri, monocarboxilați, aminoacizi, vitamine, osmoliți și ioni la activitatea uniporterului de sodiu, canale pentru uree și apă, detectarea glucozei, și suprimarea tumorii (4.5).

glucozurie

Cel puțin doi transportori de glucoză cuplați cu sodiu, SGLT1 și SGLT2, joacă un rol important în membrana apicală a celulelor tubulare proximale din rinichi (Figura 1). Acești transportori leagă mai întâi Na +, înainte de a lega glucoza, iar gradientul electrochimic de Na + generat de Na +/K + -ATPaza este forța motrice a activității simporterului. SGLT1 este exprimat predominant în enterocite (6). Funcția sa principală aici este de a intermedia transportul activ de glucoză și galactoză pe membrana apicală la o concentrație scăzută de zahăr, dar, de asemenea, mediază expresia transportatorilor facilitatori la concentrație mare de glucoză. Deși nu sunt implicate în resorbția volumului de glucoză din rinichi, caracteristicile cinetice ale SGLT1 sunt favorabile transportului glucozei atunci când sunt prezente la concentrații scăzute. Pe lângă intestin și rinichi, SGLT1 este exprimat în organe precum creierul și inima.

Un model pentru transportul Na +/glucozei în rinichi. SGLT2 este exprimat predominant în segmentul S1 al tubului proximal și este responsabil pentru marea majoritate a reabsorbției glucozei din urină.

Expresia SGLT2 apare predominant în marginea periei luminale a tubului proximal al cortexului renal, unde este principalul transportor care mediază resorbția glucozei (7) (Tabelul 1). De asemenea, este exprimat într-un grad mult mai scăzut în alte organe, inclusiv ficatul. SGLT4, SGLT5, SGLT6 și SMIT1 sunt exprimate în mai multe țesuturi, inclusiv în rinichi, iar un rol presupus în transportul glucozei în rinichi este anticipat, dar nu a fost încă demonstrat. SGLT-urile sunt proteine ​​multifuncționale și pentru celelalte șase produse ale genelor SLC5 despre care se prezice că vor exista în genomul uman, au fost raportate diferite funcții. De exemplu, SGLT3, atribuit inițial să fie co-transportor pe baza omologiei secvenței, a fost ulterior caracterizat ca un canal ionic cu glucoză exprimat în neuronii colinergici și joncțiunea neuromusculară (8) și ar putea juca un rol motilitatea intestinală.

Substraturi și distribuția transportoarelor de glucoză umană

Localizarea și afinitățile relative ale SGLT renale pentru glucoză

SGLT2 și SGLT1 se pot distinge prin afinitățile lor pentru glucoză și Na + și localizarea lor în rinichi (9-12). SGLT2 se exprimă exclusiv în apropierea tubului contur proximal timpuriu (denumit S1) (13), în timp ce SGLT1 este exprimat în apropierea tubului proximal medular (denumit S3) (9-11). SGLT2 este un transportor de glucoză cu afinitate scăzută și capacitate mare, în timp ce SGLT1 este un transportor de glucoză cu afinitate ridicată și capacitate mică. SGLT1 transportă glucoză și galactoză (10), are un K0,5 pentru glucoză de aproximativ 0,4 mM și poartă două molecule de Na + pentru fiecare moleculă de glucoză. SGLT1 are un K0,5 de aproximativ 3 mM pentru Na + (14). SGLT2 are un K0,5 pentru glucoză de aproximativ 2 mM, poartă o moleculă de Na + pentru fiecare moleculă de glucoză și are un K0,5 pentru Na + de 100 mM (14). SGLT2, spre deosebire de SGLT1, nu transportă galactoză. Astfel, cea mai mare parte a glucozei este reabsorbită pe segmentul S1 de către transportorul SGLT2 de mare capacitate, în timp ce glucoza rămasă care intră în segmentul S3 este reabsorbită de transportorul SGLT1 cu afinitate ridicată; împreună reduc la minimum pierderea de glucoză în urină (14).

Structura proteinei SGLT și dinamica transportului

Genele SLC5 umane codifică proteinele cu o masă moleculară de aproximativ 75 kD. Ele prezintă o similaritate funcțională considerabilă, în ciuda faptului că substanțele dizolvate transportate sunt variabile. Modelul topologiei și structurii secundare a SGLT1, cel mai studiat membru al grupului SSSF, a fost delimitat experimental prin analize extinse ale secvenței sale primare, comparării secvențelor, metodelor de predicție computațională și testelor microscopice funcționale și electronice efectuate în sistemele de expresie heteroloage. (2,4,15,16). Se anticipează că topologia membranei altor membri ai familiei SGLT va fi similară pe baza ascendenței lor comune, funcției și secvențelor primare similare. SGLT2, care este compus din 672 aminoacizi, poartă 59% identitate cu cei 664 aminoacizi care constituie SGLT1 (17). În general, domeniile citoplasmatice sunt mai bine conservate decât domeniile extracelulare în rândul SGLT-urilor.

Membrii familiei SGLT împărtășesc un nucleu comun de 13 spirale transmembranare (TMH), deși unii membri au una sau două spirale C-terminale suplimentare. SGLT1 și SGLT2 au ambele 14 TMH-uri cu atât domeniile N-terminale hidrofobe cât și cele C-terminale situate extracelular (2). Secvența consens SSSF [GS] -2 (2) - [LIY] -x (3) - [LIVMFYWSTAG] (7) -x (3) - [LIY] - [STAV] -x (2) -GG- [ LMF] -x- [SAP] se află în TMH5. În plus, SGLT-urile eucariote mai mici și membrii subfamiliei SMIT împărtășesc un motiv R-x-T-x (4) -F-L-A-G-x (4) -W-W-x (2) -G-A-S lângă domeniul N-terminal, proximal în TMH2.

Structura cristalină a vSGLT, un simportor de sodiu-galactoză de la Vibrio parahaemolyticus și membru al SSSF, a fost raportată recent (18). Proteina se asamblează ca un dimer paralel strâns, deși lucrările anterioare au arătat că SGLT1 este pe deplin funcțional ca monomer. Nucleul structural este format din repetări inversate a cinci TMH (2 până la 6 și 7 până la 11; Figura 2A). Șapte TMH (2 până la 4, 7 până la 9 și 11) contribuie la interacțiunea laterală a lanțului pentru selectivitatea ligandului. Au fost identificate porțile extracelulare și intracelulare care delimitează calea galactozei, cu reziduurile M73, Y87 și F424 formând cele extracelulare și Y263, Y262 și W264 formând cele intracelulare. Există un site plauzibil de legare a Na + la intersecția TMH2 și TMH9, la aproximativ 10 Å distanță de locul de legare a substratului. Na + extern se leagă mai întâi, ceea ce facilitează rearanjările TMH2 pentru a forma locul de legare a substratului. Legarea galactozei induce formarea porții extracelulare și mărește cavitatea intracelulară prin modificări conformaționale în TMH3, TMH4, TMH7 și 8 și TMH9 până la 11. În cele din urmă, deplasarea lui Y263 eliberează Na + și apoi galactoză intracelular (Figura 2B).

Structura vSGLT. (A) Topologie. Structura este colorată ca un curcubeu de la capătul N (roșu) la capătul C (purpuriu). Trapezele albastre și roșii reprezintă topologia inversată a TMH2 prin TMH6 și TMH7 prin TMH11. Hexagonul gri cu contur roșu reprezintă galactoză. Reziduurile implicate în recunoașterea zahărului, reziduurile de poartă și un site propus de Na + sunt prezentate în cercuri cyan, gri și galben. (B) Accesibilitate alternativă. (Stânga) Trăiți suprafața modelului orientat spre exterior, văzută din planul membranei, arătând cavitatea extracelulară (plasă albastră). (Dreapta) Treceți prin suprafața structurii orientate spre interior în planul membranei, arătând cavitatea intracelulară (plasă albastră). Helicele care prezintă rearanjare structurală sunt colorate în portocaliu, verde și albastru pentru helicile TMH3, TMH7 și respectiv TMH11; spiralele cu mișcare mică sunt colorate în alb. Suprafața este prezentată în bej. Galactoza este prezentată sub formă de sfere negre și roșii pentru atomii C și, respectiv, O. Y263 și ionul Na + sunt colorate sub formă de sfere gri, respectiv albastre. Retipărită din referința (18), cu permisiunea.

Alte funcții ale SGLT-urilor

Pe lângă rolul lor în transportul zahărului, SGLT-urile pot funcționa ca uniportori. SGLT1, SGLT3 și SGLT5 transportă Na + în absența zahărului (19). SGLT3 funcționează ca un senzor de glucoză în celulele neuronale viscerale (8). SGLT1 și alți co-transportori s-au dovedit a funcționa ca canale pentru apă și alte soluții hidrofile mici atunci când sunt exprimate în ovocite (20,21) și li se propune să joace un rol important în transportul fluidelor și al ureei în intestin. SGLT1 s-a dovedit a juca un rol semnificativ în transportul de apă prin membrana frontieră a periei intestinale, fie prin co-transportul apei împreună cu Na + și glucoză, fie prin osmoză (20,22,23). SGLT1 nu mediază pur și simplu transportul activ secundar la nivelul membranei apicale a enterocitelor, ci reglează și alte mecanisme de transport ale glucozei, cum ar fi promovarea inserției GLUT2 în membrana apicală pentru a oferi o componentă facilitatoare de absorbție de până la trei ori mai mare decât cea a SGLT1 singur pentru a se potrivi aportului alimentar de carbohidrați (24).

Reglementarea expresiei și activității SGLT2 (în diabet)

S-a demonstrat anterior că pacienții cu diabet zaharat de tip 1 au avut o creștere semnificativă a maximului de transport renal pentru glucoză (25), iar mai multe modele de rozătoare de diabet au arătat o reglare superioară a proteinei GLUT2 în tubulii renali proximali ai animalelor diabetice pe termen lung hiperglicemie, susținând necesitatea unui eflux mai mare de glucoză și reabsorbție a glucozei (26,27). Este interesant faptul că nu au fost detectate modificări în expresia proteinei SGLT1 (27). Cu toate acestea, în ceea ce privește expresia SGLT2, studiile au fost îngreunate de lipsa anticorpilor adecvați.

Glucozurie renală familială

Glucozuria poate apărea în situația disfuncției globale a tubului proximal, cunoscut sub numele de sindrom Fanconi-de Toni-Debré sau sindrom renal Fanconi. Glucozuria în acest caz însoțește excreția urinară excesivă a aminoacizilor, fosfatului, bicarbonatului și a altor substanțe dizolvate care sunt de obicei reabsorbite în tubul proximal. Apariția glucozuriei în absența atât a disfuncției tubulare proximale generalizate, cât și a hiperglicemiei este cunoscută sub numele de glucozurie renală și este recunoscută ca o tulburare moștenită și, prin urmare, desemnarea glucozuriei renale familiale (FRG).

Criterii de diagnostic și modul de moștenire

Corelația dintre sarcina glomerulară de glucoză și reabsorbția tubulară a glucozei (TG) în diferite glucozure renale. TmG, reabsorbție maximă tubulară a glucozei; PG, concentrația de glucoză plasmatică. Zona eclozată este diferența - diferența dintre reabsorbția reală și cea ideală care se manifestă atunci când curba de reabsorbție prezintă o tranziție neliniară pe măsură ce se atinge TmG. Redesențiat din referința (72), cu permisiunea.

Caracterizarea FRG în tipurile A/B/O este prezentată aici în principal din motive istorice. Descoperirile moleculare actuale au permis corelații genotip-fenotip adecvate în marea majoritate a cazurilor și, în consecință, o clasificare mai simplă și mai ușoară în RFG.

Genetica moleculară

Întrucât SLC5A2 a fost clonat și a fost evidențiată delimitarea mecanismului principal de resorbție renală pentru glucoză, acest transportor a fost implicat ca o genă majoră candidată pentru FRG (7). Prima mutație a genei SLC5A2, poziționată în 16p11.2, a fost raportată de Santer și colab. (43), și mai multe serii de cazuri au confirmat că mutațiile din SLC5A2 sunt într-adevăr responsabile pentru marea majoritate a cazurilor de FRG (44-46). Suport suplimentar a venit din mai multe rapoarte de caz (47-51).

Analiza structurii genomice a SGLT2 uman a relevat o genă de 14 exoni care se întinde pe 8 kb cu o organizație intron-exon similară cu SGLT1 (44). Toți intronii afișează secvențele consensuale ale donatorului și acceptorului de îmbinare GT/AG, iar o repetare CA nedeclarată anterior a fost identificată în intronul 1. Secvența de codare 2019-bp prezice cu precizie proteina SGLT2 de 672 reziduuri raportată anterior după clonarea SGLT2 dintr-un bibliotecă de ADNc de rinichi umani (17). Nu există rapoarte despre variante de îmbinare sau izoforme.

Corelări genotip - fenotip în RFG

Stabilirea corelațiilor definite genotip - fenotip în FRG este o sarcină dificilă din cauza expresivității variabile și a faptului că alte gene pot avea un impact asupra resorbției globale a glucozei renale. În general, pacienții cu glucozurie ușoară (2 pe zi) vor fi de obicei heterozigoți pentru mutații SGLT2, atât prostii, cât și lipsuri de sens, deși, așa cum sa menționat anterior, acest lucru nu poate să apară la toți purtătorii acestor mutații. Cazurile de glucozurie severă (≥10 g/1,73 m 2 pe zi) arată caracteristicile moștenirii autozomale recesive cu homozigozitate sau heterozigoză compusă pentru mutațiile SGLT2 (44-46).

Au fost raportate patruzeci și patru de mutații diferite, răspândite în gena SCL5A2, majoritatea fiind private (46) (Figura 4). Printre acestea se numără mutațiile fără sens și fără sens, ștergerile mici (în cadrul și schimbarea cadrului) și mutațiile de îmbinare. IVS7 + 5G poate fi considerat un punct fierbinte mutațional din cauza descoperirii recurente a IVS7 + 5G → O alelă în mai multe familii fără legătură care au FRG și sunt de origine etnică diferită (44,46).

Analiza mutației genei co-transportoare Na +/glucoză umană SLC5A2 care codifică SGLT2. Domeniile transmembranare de la 1 la 14 sunt afișate ca niște cutii gri închis. Redesențiat din referința (46), cu permisiunea.

Analiza moleculară poate fi, de asemenea, utilă în înțelegerea rezultatelor studiilor anterioare de titrare. Haploinsuficiența va avea ca rezultat un număr redus de purtători care funcționează în mod normal în tubul renal, ducând astfel la glucozurie de tip A, în timp ce anumite mutații cu sens greșit ar putea scădea afinitatea SGLT2 pentru glucoză, iar pacienții vor prezenta glucozurie de tip B (44). Cu toate acestea, heterozigoza compusă pentru mutațiile SGLT2 este probabil motivul pentru care multe cazuri anterioare de glucozurie severă nu au putut fi clasificate în mod clar în tipul A sau B și că s-a găsit la acești pacienți un spectru larg de transport al glucozei tubulare afectate. Prin urmare, propunem ca persoanele cu FRG să fie caracterizate în funcție de cantitatea de glucoză excretată într-o colecție de urină de 24 de ore, normalizată pentru suprafața corpului: glucozurie renală ușoară pentru 2 pe zi și glucozurie renală severă pentru ≥10 g/1,73 m2 pe zi.

Consecințele clinice ale RFG

În general, pacienții cu glucozurie renală nu s-au dovedit a fi afectați de consecințe clinice severe, iar această entitate este considerată o afecțiune benignă, mai mult un fenotip decât o boală. De exemplu, poliuria și enureza și mai târziu o creștere ușoară și întârzierea maturării pubertare au fost singurele manifestări observate în timpul unei perioade de urmărire de 30 de ani (53). Mai multe alte manifestări au fost raportate ocazional în forme severe de FRG, cum ar fi deshidratarea episodică și cetoza în timpul sarcinii și a foamei (40), prezența mai multor autoanticorpi fără dovezi clinice ale bolii autoimune (54) sau o incidență crescută a infecțiilor tractului urinar (54,55). A fost observată și activarea sistemului renină-angiotensină-aldosteron, secundară natriurezei și a unei posibile depleții de volum extracelular (45,46).

Hipercalciuria a fost identificată ca o caracteristică de însoțire la cinci dintre cei șapte copii de sex masculin cu glucozurie renală într-un studiu (56), iar la un pacient care a prezentat glucozurie renală severă, a fost de asemenea descris un raport crescut de calciu/creatinină pe urina la fața locului (53). Motivul acestei descoperiri rămâne necunoscut.

Există mai multe rapoarte de caz de aminoacidurie selectivă asociată cu glucozurie renală, care implică acid aspartic într-unul; acid glutamic, citrulină și alanină în altul; și arginină, carnozină și taurină la încă un alt pacient (57,58). Sase copii care au avut glucozurie, proveneau din trei pedigree și au fost homozigoți pentru noua mutație SGLT2 p.K321R s-au dovedit a avea aminoacidurie generalizată, care nu este însoțită de alte anomalii ale transportului tubular proximal (51). S-a postulat că aminoaciduria ar putea fi secundară glucozuriei și nu un efect primar al mutației SGLT2. Într-adevăr, aminoaciduria a fost găsită nu numai în MODY3, ci și în diabetul de tip 1 și 2, unde se corelează pozitiv cu cantitatea de glucozurie (59). Mecanismul propus este că glucozuria determină depolarizarea și disiparea gradientului electric al transportorilor de aminoacizi dependenți de sodiu în tubul renal proximal.

Inhibarea SGLT2: o nouă opțiune pentru tratamentul diabetului de tip 2

În plus, pacienții tratați au prezentat o pierdere în greutate susținută. Episoadele hipoglicemiante au fost similare în comparație cu grupul tratat cu metformină, dar incidența infecțiilor genitale a fost mai mare.

De remarcat, ambele studii cu dapagliflozin au raportat inhibarea incompletă a SGLT2 cu niveluri mai scăzute de glucozurie decât în ​​cele mai severe forme de FRG. Este posibil ca glucoza tubulară acumulată să concureze cu dapagliflozin pentru legarea SGLT2, limitând astfel gradul de inhibare.

Inhibarea absorbției renale a glucozei poate oferi mai multe avantaje în tratamentul pacienților cu diabet zaharat de tip 2. Spre deosebire de medicamentele antidiabetice care cauzează creșterea în greutate, pierderea calorică zilnică de 100 până la 300 kcal asociată cu inhibarea SGLT2 poate ajuta pacienții să piardă în greutate. De asemenea, se poate aștepta ca aceștia să aibă un risc mai mic de a dezvolta hipoglicemie, un efect advers adesea observat în cazul insulinei sau secretagogilor de insulină. Efectul diuretic ușor observat poate face din inhibitorii SGLT2 clasa preferată de medicamente care trebuie utilizate împreună cu tiazolidindionele, care s-au dovedit a provoca retenție de lichide, în special în prezența insuficienței cardiace. În cele din urmă, efectul diuretic poate contribui la controlul TA. Se anticipează că inhibarea SGLT2 va fi sigură și fără consecințe nejustificate pentru pacienți, cel puțin din cauza glucozuriei cronice. Acest lucru poate fi dedus din observarea pacienților care au FRG și la care mutațiile naturale ale SGLT2 se manifestă ca o tulburare în cea mai mare parte benignă.

Concluzii

În prezent, glucozuria renală familială este acceptată ca fiind o afecțiune ereditară benignă care, în majoritatea cazurilor, nu prezintă consecințe fizice/clinice grave pentru persoanele afectate. Mutațiile din SLC5A2 (gena codificatoare SGLT2) stau la baza majorității, dacă nu a tuturor, cazurilor de FRG. Moștenită ca entitate co-dominantă, există totuși o expresivitate variabilă. Chiar și în formele sale rare rare, caracterizate prin absența completă a resorbției tubulare a glucozei, manifestările clinice sunt rare. Pe baza acestor observații și a studiilor clinice în curs, inhibarea SGLT2 poate fi un mod fezabil de a trata pacienții cu diabet de tip 2.

Dezvăluiri

J.C. a primit taxe de consultanță de la AstraZeneca/Bristol-Myers Squibb și Johnson and Johnson.

Mulțumiri

Mulțumim lui William Watkins de la PPSI pentru asistență editorială asupra manuscrisului. Această asistență a fost finanțată de Bristol-Myers Squibb.