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

Abstrakt

Bio-Kräuter für die Nierengesundheit

Einführung

Osteopontin (OPN), das vom SPP1-Gen kodiert wird, wurde erstmals 1985 als Glykoprotein der SIBLING-Familie (Small Integrin-Binding LIgand N-linked Glycoprotein) beschrieben [1]. OPN wird in einer Vielzahl von Geweben wie Osteoblasten, Osteozyten, Odontoblasten (die eine Rolle bei der Mineralisierung und Knochenresorption spielen [2,3]), Makrophagen, glatten Muskelzellen und Endothelzellen exprimiert, kann aber auch im Innenohr gefunden werden Zentralnervensystem und die Plazenta [1,2]. Obwohl OPN in vielen Zelltypen nachgewiesen werden kann, wird es überwiegend im Nierengewebe synthetisiert und exprimiert. Die OPN-Produktion wird durch viele Faktoren stimuliert, darunter Parathormon, Calcitriol, Kalzium, Phosphat und Zytokine. Das Protein kann Integrine über eine spezifische Peptidsequenz, das Arginin-Glycin-Asparaginsäure (RGD)-Motiv, binden und so die Interaktion mit verschiedenen Zelltypen ermöglichen (über den Kernfaktor-Kappa-B-Weg, [4,5]). In der Niere finden sich Integrine in der Bowman-Kapsel, im glomerulären Epithel und im Gefäßepithel [6,7]. OPN wird im dicken aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife und im distalen Tubulus synthetisiert [1,8].

In einer Übersicht von Kaleta (2019) wurden bekannte (patho)physiologische Rollen von OPN diskutiert [1]. Basierend auf dieser Übersicht ist die physiologische Rolle von OPN in der Niere noch nicht vollständig geklärt, es wurde jedoch vermutet, dass es für die Tubulogenese essentiell ist [1]. Sowohl die SPP1-mRNA- als auch die OPN-Proteinexpression waren in überwiegend Rattenmodellen für Nierenerkrankungen erhöht, und eine hohe OPN-Expression korrelierte mit Proteinurie, verminderter Nierenfunktion und Fibrose [1]. In einer Studie wurden verschiedene Polymorphismen in der SPP1-Promotorregion identifiziert, die sich auf deren Transkriptionsaktivität auswirken [9]. In der Vergangenheit wurden mehrere spezifische SPP1-Genvarianten mit der Pathogenese und dem Fortschreiten verschiedener Nierenerkrankungen in Verbindung gebracht. Andere Fall-Kontroll-Studien berichteten über spezifische Varianten im SPP1-Gen, die im Vergleich zu einer (gesunden) Kontrollgruppe mit verschiedenen Patienten mit Nierenerkrankungen assoziiert waren: Beispielsweise wurde rs1126616 wiederholt als Marker für Lupusnephritis und Immunglobulin-A-Nephropathie berichtet [10– 14]. Im Zusammenhang mit diabetischer Nephropathie wurde über die beiden SNPs in SPP1, rs11730582 und rs17524488, berichtet [15,16]. Wir kamen daher zu dem Schluss, dass das Vorliegen einer verminderten Nierenfunktion eine gute Studienumgebung darstellen könnte, um unser Verständnis der genetischen Grundlagen der OPN-Spiegel bei Nierenerkrankungen weiter zu vertiefen, da einige biologische Mechanismen möglicherweise hochreguliert und somit leichter zu erkennen sind, was auch der Fall ist wurde bereits gezeigt [17–19]. Bei Jing et al. [19] Beispielsweise war das Ausmaß der Auswirkungen für bekannte Loci, die in einem GWAS von Serumurat bei CKD-Patienten identifiziert wurden, ähnlich oder sogar höher als die aus bevölkerungsbasierten Studien berichteten. Die German Chronic Kidney Disease (GCKD)-Studie umfasst eine große Kohorte von CKD-Patienten [20]. Neben demografischen und klinischen Daten stehen auch genetische Daten sowie Basismessungen von Serum-OPN zur Verfügung, was einen idealen Rahmen für die Erforschung der Genetik von OPN bietet. Zu diesem Zweck führten wir in der GCKD-Studie eine GWAS der Serum-OPN-Spiegel durch

Ergebnisse Beschreibung des GCKD-Analysesets

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Basiseigenschaften einer ausgewählten Anzahl von Variablen für die gesamte GCKD-Studienkohorte und den GWAS-Analysesatz, in dem die Teilnehmer vollständige Daten zu Genetik, OPN-Messungen sowie geschätzter glomerulärer Filtrationsrate (eGFR) und Urinalbumin enthalten -zu-Kreatinin-Verhältnis (UACR) sind enthalten (S1-Abb.). Es gab keine größeren Abweichungen zwischen der Gesamtkohorte und dem Analysesatz. Insgesamt zeichnete sich das GWAS-Analyseset durch einen Anteil von 60 % Männern mit einem Durchschnittsalter von 6{{10}},2 Jahren aus (SD: 12,0). mit Medianwerten von 46,0 ml/min/1,73 m2 (p25: 37,0; p75: 57,0) für eGFR und von 50,2 mg/g (p25: 9,4; p75: 382,8) für UACR (Tabelle 1). Von den eingeschlossenen Teilnehmern hatten 35 % einen vorherrschenden Diabetes mellitus, 16 % waren derzeitige Raucher und 30 % berichteten von einer Vorgeschichte von Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD). Die mittleren OPN-Werte in der gesamten Kohorte betrugen 29,2 ng/ml (p25: 20,7; p75: 41,9; Tabelle 1). Die OPN-Werte stiegen im Durchschnitt über alle eGFR-Kategorien und UACR-Kategorien hinweg von einem Median von 25,4 ng/ml im CKD-Stadium G1/2 auf 38,5 ng/ml für das CKD-Stadium G4/5 sowie von medianen OPN-Werten von 25,6 ng/ml für UACR-Stadium A1 bedeuten OPN-Werte von 34,2 ng/ml für UACR-Stadium A3 (S2-Abb.).

Genomweite Assoziationsstudie und Feinkartierung

Wir führten eine GWAS für Serum-OPN-Spiegel (log{{0}}transformiert) unter Verwendung von ~7,7 Millionen hochwertigen autosomalen bi-allelischen Varianten der GCKD-Studie mit einer geringfügigen Allelfrequenz (MAF) von 0,01 (S1) durch Tisch). Das Quantil-Quantil-Diagramm, das die beobachteten und erwarteten p-Werte des OPN GWAS vergleicht, zeigte keine Inflation an (Inflationsfaktor λ=1,01), was mit dem Fehlen systematischer Fehler übereinstimmt (S3-Abb.). Insgesamt ergab das Manhattan-Diagramm drei genomweit signifikante Regionen, die mit OPN-Werten (p-Wert) assoziiert sind<5.0E-08; S4 Fig). Besides the three identified regions, the conditional analysis did not reveal additional independent signals (S5 Fig). The respective association results for the three index SNPs (= SNP with the lowest p-value in the respective region) are presented in Table 2. For all three SNPs, the coded allele was present frequently (allele frequency range 0.5– 0.75). The respective coded allele in our cohort decreased OPN levels on average (S6 Fig) with effect estimates per copy of the coded allele ranging from -0.10 to -0.18 (SE: 0.01–0.02; Table 2). One of the index SNPs on chromosome 4 (rs10011284, 4:88833389) is located upstream of SPP1, which encodes the protein OPN itself (Fig 1A). The other index SNP on chromosome 4 (rs4253311, 4:187174683) maps into the KLKB1 gene (intronic variant), encoding the protein prekallikrein (PK) that is converted to kallikrein (KAL); a protease implicated in the surface-dependent activation of coagulation, bradykinin (BK) release, and potentially the renin-angiotensin-aldosterone system (Fig 2A). The index SNP on chromosome 5 (rs2731673, 5:176839898) maps closest to the F12 gene, which encodes coagulation factor XII, a serine protease that cleaves KLKB1-encoded PK to KAL, among other functions and is also related to blood coagulation, fibrinolysis, and the generation of BK (S7 Fig). A summary of annotations combined from different publicly accessible databases and related to all three SNPs is provided in S2 Table. We next tested whether these three index SNPs were associated with serum OPN levels in the Young Finns Study (YFS) cohort, a population-based study with a mean age of 38 years (SD: 5.0) and a mean eGFR of 92.6 mL/min/1.73m2 (SD: 20.7; S1 Methods). Both SNPs on chromosome 4, rs10011284 and rs4253311, were significantly associated with OPN levels showing also direction consistency (Table 2 and Figs 1B and 2B). In contrast, rs2731673 closest to the F12 gene did not replicate in the YFS cohort (S7 Fig). The two replicated SNPs on chromosome 4 explained 1% of OPN levels each within the GCKD study and did not show a non-additive effect on OPN levels (S8 Fig). Moreover, statistical fine-mapping was performed for the two replicated loci to resolve associated loci into potentially causal variants by constructing credible sets that collectively accounted for a 99% posterior probability of containing the variant or variants that cause the association signal (PPA; Material and methods, [21]). However, fine-mapping results are inconclusive as both constructed sets are large, and single variants included only exhibit low PPA estimates (S3 Table)

Kolokalisierungsanalysen

Um mehr über die molekularen Mechanismen und assoziierten Phänotypen zu erfahren, die den identifizierten Assoziationssignalen für OPN zugrunde liegen, verglichen wir Muster von OPN-GWAS-Ergebnissen in vordefinierten Regionen mit entsprechenden GWAS-Zusammenfassungsstatistiken aus drei anderen Quellen unter Verwendung menschlicher Daten (Einzelheiten siehe Material und Methoden). Vergleichbare Muster können auf eine gemeinsame biologische Basis hinweisen.

Genexpression. Zunächst führten wir Kolokalisierungsanalysen der OPN-GWAS-Zusammenfassungsstatistiken in Bezug auf die beiden replizierten Loci mit den entsprechenden GWAS-Zusammenfassungsstatistiken der Genexpression in cis unter Verwendung von Daten aus dem GTEx-Projekt und der NEPTUNE-Studie durch

(Material and methods). Colocalization (posterior probability of H4 [p12] >0.8) of the OPN association signals were detected with the expression of MEPE in the lung (Fig 3A) and of SPP1 in the pancreas (Fig 3B and S4 Table). Furthermore, colocalization was found between the OPN association signal and expression of F11 in six other tissues (in descending order of H4): tibial artery (Fig 3C), brain cortex, terminal ileum part of the small intestine, muscular of the esophagus, transverse colon, and aortic artery (S4 Table). Except for the colocalization of the OPN signal with an expression of MEPE in the lung, the effect direction of both traits (OPN and gene expression) was concordant (alpha12>0; S4-Tabelle). Plasma-Proteom. Darüber hinaus wurden Kolokalisierungsanalysen unter Verwendung der von Sun et al. berichteten GWAS-Zusammenfassungsstatistik von SNP-Assoziationen in cis und in trans mit Konzentrationen von ~3,000 verschiedenen Plasmaproteinen (pGWAS) durchgeführt. (Material und Methoden, [22]). Während für die zusammenfassende Statistik der GWAS von OPN und Proteinen in cis keine Kolokalisation vorlag, wurde festgestellt, dass die pGWAS-Ergebnisse für 87 Proteine ​​aus verschiedenen Proteinklassen mit den OPN-GWAS-Ergebnissen für rs4253311 bei KLKB1 (S5-Tabelle) trans kolokalisierten. Für die meisten Kolokalisierungsergebnisse

Abb. 3. Vergleich der zusammenfassenden Statistiken der Kolokalisation von OPN-GWAS- und GTEx-Gewebe: (A) MEPE: OPN und Lungengewebe (H4: p12=0.99), (B) SPP1: OPN und Bauchspeicheldrüse (H4: p{{ 6}}.85); (C) F11: OPN und Schienbeinarterie (H4: P12=0.98). Links: Streudiagramm, in dem Assoziations-p-Werte aus beiden Quellen miteinander verglichen werden (-log10-Skala). Oben rechts: OPN-GWAS-Ergebnisse für die Region von Interesse. Unten rechts: GTEx GWAS-Ergebnisse für die Region von Interesse des jeweiligen Organs. Die Farben spiegeln die LD-Korrelation (r2) unter Verwendung einer 1000G-EUR-Bevölkerung als Referenz wider.

(60/87, 69 %), die Wirkungsrichtung von OPN und Proteinen stimmte überein, was daran liegt, dass das aktivierte KKS an einem breiten Spektrum von Prozessen beteiligt ist, wie Entzündungen, Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie (Patho). )physiologische Rollen in der Niere und im Zentralnervensystem. Für 86 kartierte Proteine ​​wurde eine Gene Ontology (GO)-Anreicherungsanalyse durchgeführt, um zu beurteilen, ob ihre kodierenden Gene hinsichtlich der Darstellung spezifischer zellulärer Komponenten und molekularer Funktionen angereichert waren (Material und Methoden, S6-Tabelle). Aufgrund einer hierarchischen Struktur der Referenzlisten sind beteiligte Begriffe teilweise voneinander abhängig und zeigen z. B. überlappende hochregulierte molekulare Funktionen sowie hochregulierte Hormon- und Rezeptoraktivitäten (S9 Abb.).

Krankheiten der UK Biobank (UKB).

To address the interplay between genetic modulation of OPN levels and phenotypes we further conducted a colocalization analysis with binary UKB disease traits that showed a genome-wide significant association in the GeneAtlas resource [23]. Based on marginal association statistics, no positive colocalization was detected between OPN and various disease traits (S7 Table). Still, for four of seven traits with an association signal different from the OPN signal in the region (H3: p1.2>0.8) wurde ein zweites unabhängiges Assoziationssignal für das jeweilige Krankheitsmerkmal in UKB nachgewiesen. Anschließend führten wir zusätzliche Kolokalisierungsanalysen auf der Grundlage der erhaltenen bedingten Assoziationsstatistiken durch und identifizierten eine positive Kolokalisierung zwischen dem OPN-Assoziationssignal bei rs4253311 am KLKB1-Locus und rs1593 für tiefe Venenthrombose (DVT; H4: p12=0.96; S7 Tabelle und S10 Abb.). Im GeneAtlas GWAS der TVT war das Hauptallel von rs1593 (A, Allelfrequenz=0,87) mit einem höheren Risiko für TVT verbunden (OR=1,2, p-Wert 2,4e{{ 18}}), ebenso wie das Hauptallel von rs4253311 (Hauptallel: G, Allelfrequenz=0.51, OR=1.13, p-Wert=2.6e{{27 }}).