Genetik von Osteopontin bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung: Die deutsche Studie zu chronischen Nierenerkrankungen Ⅱ

Analyse seltener Varianten

Basierend auf 4.879 GCKD-Teilnehmern mit verfügbaren Exom-Chip-Daten führten wir zusätzlich aggregierte Tests seltener Varianten durch (S1-Abb.). Varianten mit MAF<1% and having a major effect on the gene product (nonsynonymous, stop gain/loss, splicing; "qualifying variants") as annotated by dbNSFP v.2.0 were aggregated (Material and methods, [24,25]). While there was no significant association result when the burden test was used, we found a significant association using the sequence kernel association test (SKAT) for the SPP1 gene (Table 3, p-value = 2.5E-08), which remained significant after adjustment for the two replicated SNPs from the initial GWAS (p-value = 9.4E-08). Seven variants were aggregated for the analysis of the SPP1 gene. In the single variant analysis, effect estimates of the seven variants ranged from -1.20 to 0.24 with rs139555315 (4,88901197), a splice-site variant (CADD score: 23.7) showing the most significant association (effect estimate = -1.20, SE = 0.19, p-value = 2.5E-10) and thus likely driving the association. This is supported by the non-significant result (p-valueSKAT = 3.5E-01) when rs139555315 was excluded from the variant set. Other genes implicated by GWAS of common variants reached only nominal statistical significance (p<0.05; MEPE: p-valueSKAT = 4.6E-03; KLKB1: p-valueBurden = 5.6E-04, p-valueSKAT = 2.8E-03; F12: p-valueBurden = 3.4E-02, p-valueSKAT = 3.0E-02).

BIO-KRÄUTER GEGEN NIERENKRANKHEITEN

Diskussion

In dieser Studie haben wir uns auf die Charakterisierung der Genetik von OPN innerhalb einer CKD-Kohorte konzentriert, da bekannt ist, dass OPN-Werte mit nachteiligen Folgen für die Nieren verbunden sind, die genetischen Grundlagen dieses Nieren-verstärkten Proteins jedoch nicht vollständig verstanden sind. Die Verwendung einer CKD-Patientenkohorte könnte ein vorteilhaftes Umfeld darstellen, in dem die Transkription nierenspezifischer Gene im Vergleich zur Allgemeinbevölkerung verändert sein kann, was die Identifizierung spezifischer SNPs möglicherweise einfacher macht. Wir identifizierten drei Loci, zwei auf Chromosom 4 (rs10011284, rs4253311), die in einer externen bevölkerungsbasierten Kohorte repliziert werden konnten, und rs2731673 auf Chromosom 5, die nicht repliziert werden konnten. Bei der Aggregation seltener Varianten wurde das für OPN kodierende SPP1-Gen nachgewiesen.

Unseres Wissens nach ist dies die erste GWAS von Serum-OPN-Spiegeln, die mittels ELISA quantifiziert wurde. Andere Studien wie Sun et al. führte GWAS von Plasmaproteinen (pGWAS) einschließlich OPN durch. Hier wurden Proteine ​​mithilfe einer Aptamer-basierten Technologie (SOMAscan, [22]) unterschiedlich quantifiziert. Während diese Studie wahrscheinlich zu klein war (N=3,301), um genetische Signale für OPN zu erkennen, wurde in einer Studie von Pietzner et al. (N bis zu 10,708) lieferte Signale auf den Chromosomen 3, 4 und 10, die mit SOMAscan-gemessenem OPN assoziiert sind [26]. Das erkannte Signal auf Chromosom 4 (rs5860110, 4:88897106, MAF=0.30) ist ein häufiges intronisches Indel, das sich innerhalb von SPP1 befindet und sich nicht im Kopplungsungleichgewicht (LD) befindet, wobei in unserem Projekt häufige Varianten identifiziert wurden. Im nächsten Schritt haben Pietzner et al. berichteten über Assoziationsstatistiken für die von SOMAscan entdeckten Loci unter Verwendung einer anderen Technik zur Messung von Proteinen (Olink, Antikörper-basierte Protein-Panels). Olink-Messungen waren jedoch nur für einen kleinen Teil der Studienpopulation verfügbar und keines der drei von SOMAscan gemessenen OPN-Signale konnte bestätigt werden. Der systematische Vergleich der mit diesen beiden Techniken quantifizierten Proteinmengen ergab unterschiedliche Korrelationen (Median 0,38, IQR: 0,08–0,64). Für OPN wurde ein Korrelationskoeffizient von 0,51 angegeben. Ein ähnlicher Vergleich noch weiterer Proteomics-Plattformen ergab ebenfalls ein breites Spektrum an Korrelationen zwischen den Messungen [27]. Unterschiede bei der Erkennung genetischer Signale könnten daher nicht nur auf Leistungsunterschieden, sondern auch auf technischen, Protein- und Variantenmerkmalen beruhen. Plattformübergreifende Vergleichsergebnisse sind daher schwierig und Metaanalysen könnten zu falschen Schlussfolgerungen führen.

rs10011284; 4:88833389 (SPP1/MEPE intergenisch)

Der Index SNP rs10011284 (MAF=0.43) des ersten Locus auf Chromosom 4 ist zwischen den SPP1- und MEPE-Genen abgebildet. Ob diese oder eine andere Variante die kausale Variante ist, die dem beobachteten Zusammenhang zugrunde liegt, bleibt unklar, da die Ergebnisse der statistischen Feinkartierung nicht schlüssig sind. Dennoch zeigte SPP1, das Gen, das das Protein OPN kodiert, bei der Aggregation seltener Varianten eine signifikante Assoziation, die durch eine Spleißstellenvariante verursacht wurde. Während des Spleißvorgangs auftretende Fehler können zu einer falschen Intronentfernung führen, was zu Veränderungen des offenen Leserahmens führt. Dies wiederum kann entweder zur Bildung eines vorzeitigen Stoppcodons und eines verkürzten Proteins führen oder, was wahrscheinlicher ist, zu einem schnelleren mRNA-Abbau, der als Nonsense-mediated Decay bezeichnet wird [28]. Es wurde berichtet, dass die Variante, die diese Assoziation bei SPP1 antreibt, eine Spleißstellenvariante (rs139555315, 4:88901197, MAF=1.54E- 03), mit systemischem Lupus erythematodes bei Kindern assoziiert ist [29].

SPP1 is made up of 7 exons containing 942 transcribed nucleotides from the start codon in exon 2 to the stop codon (within exon 7, [30]). OPN belongs to the SIBLING glycoprotein family of secreted phosphoproteins; other members of this family comprise dentin matrix protein 1, dentin-sialophosphoprotein, Catherine, bone sialoprotein, and matrix extracellular phospho-glycoprotein (MEPE). Results from our colocalization analysis using GeneAtlas are pointing toward a connection of SPP1 with bone disorders. Fitting with these results, one of OPN's main physiological functions in the body is the regulation of the biomineralization processes [31]. Conflicting results have been reported on OPN as well as SPP1 polymorphisms and susceptibility to nephrolithiasis in the past [32–36]. From in vitro studies it may be inferred, that OPN inhibits nucleation, growth, and aggregation of calcium oxalate crystals [37], but clinical studies draw a more unclear picture. Some researchers report on the protective role of OPN, whereas others do not [38,39]. Nonetheless, a recent study from South Asia found a significant association of the SPP1 rs2853744:G>T-Polymorphismus mit Urolithiasis [40].

OPN wird größtenteils sezerniert, es wurde jedoch auch über eine intrazelluläre Form berichtet [41]. Mittels Reverse-Transkription-PCR wurde festgestellt, dass OPN in normalen menschlichen Nieren von Erwachsenen exprimiert wird. Weitere immunhistochemische Analysen und In-situ-Hybridisierung ergaben, dass die OPN-Expression auf die distalen gewundenen und geraden Tubuli in der Nierenrinde und im Mark von Affennieren beschränkt ist [42]. Bei Betrachtung der GTEx-Gewebeexpressionsdaten wurde eine positive Kolokalisierung des OPN-Assoziationssignals bei SPP1 mit Pankreasgewebe festgestellt. Dies steht im Einklang mit Erkenntnissen aus der Literatur, in denen darauf hingewiesen wird, dass OPN eine Rolle bei Typ-2-Diabetes spielt. Eine Studie von Cai et al. untersuchten ein diabetisches Mausmodell SUR1-E1506K+/+ und Inseln von menschlichen Spendern und konnten zeigen, dass in Inseln von menschlichen Leichenspendern die OPN-Genexpression in diabetischen Inseln erhöht war und extern hinzugefügtes OPN die Glukose-Stimulation signifikant erhöhte Insulinsekretion von diabetischen, aber nicht normalen glykämischen Spendern [43]. Viele andere Studien haben ebenfalls die Rolle von OPN bei Bauchspeicheldrüsenkrebs untersucht. Hier wurde festgestellt, dass OPN ein prognostischer Marker ist, der höhere Werte mit einer schlechten Gesamtprognose bei Patienten in Verbindung bringt [44].

MEPE (Matric Extrazelluläres PhosphoglycoprotEin) ist das Gen, das für das sezernierte Kalzium-bindende Phosphoprotein MEPE kodiert. Ein gemeinsames Merkmal von SIBLING-Proteinen ist das Acidic Serine Aspartate Rich MEPE-associated Motiv (ASARM), das an der Regulierung der Mineralisierung, des Knochenumsatzes, der Mechanotransduktion, des Phosphats und des Energiestoffwechsels beteiligt ist [45]. Das ASARM-Motiv ist auch das Verbindungsglied zwischen SIBLINGs und FGF23 und damit Teil der physiologischen Knochen-Nieren-Verbindung [45]. MEPE ist an der Regulierung der Phosphathomöostase durch Niere und Darm beteiligt [46,47]. Die Kolokalisierung des OPN-Assoziationssignals am MEPE führt zum Nachweis einer Assoziation mit Lungengewebe. Bisher wurde über einen Zusammenhang zwischen mehreren Mitgliedern der SIBLING-Familie und Lungenkrebs berichtet, ein eindeutiger Zusammenhang zwischen MEPE und Lunge wurde jedoch bisher nicht hergestellt [48]. Da durch alternatives Spleißen mehrere Transkriptvarianten bekannt sind, kann ein Zusammenhang zwischen MEPE und Lunge nicht ausgeschlossen werden und könnte in der Zukunft mögliche Forschungsfelder bieten. Die Ergebnisse unserer Kolokalisierungsanalyse mit GeneAtlas deuten auf einen Zusammenhang zwischen MEPE und Knochenerkrankungen hin. Mit MEPE assoziierte Krankheiten sind Osteomalazie und autosomal-dominante hypophosphatämische Rachitis, was diesen Zusammenhang zwischen MEPE und Knochenerkrankungen bestätigt [49]. Ein weiterer Phänotyp, der scheinbar mit rs10011284 zusammenhängt, ist Gicht. Diese Assoziation wird höchstwahrscheinlich durch ABCG2 gesteuert, das sich in der Nähe von SPP1 und MEPE befindet und eines der bisher am besten beschriebenen Harnsäuretransportergene ist [19,50].