Glucozurie renală familială și SGLT2 De la o trăsătură mendeliană la o țintă terapeutică Societatea americană
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).
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.