Сімейна ниркова глюкозурія та SGLT2 від менделівської риси до терапевтичної цілі Американське суспільство

Анотація

Глюкоза є основним джерелом енергії для мозку, м’язів та інших органів. Однак мембранні ліпідні шари практично непроникні для гідрофільних молекул глюкози і покладаються на транспортери глюкози, щоб полегшити їх переміщення через клітинні мембрани та їх розподіл у різних тканинах (1,2). Нирка сприяє гомеостазу глюкози, реабсорбуючи приблизно 180 г із клубочкового фільтрату щодня. Через активність транспортерів глюкози в проксимальних канальцях нирки, 220 членів сімейства SLC5, також відомого як сімейство генів симпортера натрієвого субстрату (SSSF); з них 12 виявлено в геномі людини (4,5). Члени SGLT - це багатофункціональні мембранно-зв’язані білки, які виконують широкий спектр функцій - від зв’язаного натрієм співотранспорту цукрів, монокарбоксилатів, амінокислот, вітамінів, осмолітів та іонів до активності натрієвих уніпортерів, каналів для сечовини та води, зондування глюкози, та придушення пухлини (4,5).

Щонайменше два сполучені натрієм транспортери глюкози, SGLT1 та SGLT2, відіграють важливу роль в апікальній мембрані проксимальних канальцевих клітин нирки (рис. 1). Ці транспортери спочатку зв'язують Na +, перш ніж вони зв'язують глюкозу, а електрохімічний градієнт Na +, генерований Na +/K + -ATPase, є рушійною силою активності симпортера. SGLT1 переважно експресується в ентероцитах (6). Його основна функція тут полягає в опосередкуванні активного транспорту глюкози та галактози через апікальну мембрану при низькій концентрації цукру, але вона також опосередковує експресію сприяючих транспортерів при високій концентрації глюкози. Кінетичні характеристики SGLT1, хоча і не беруть участь у резорбції основної маси глюкози в нирках, є сприятливими для транспортування глюкози, якщо вони присутні у низьких концентраціях. На додаток до кишечника та нирок, SGLT1 експресується в таких органах, як мозок та серце.

Модель транспорту Na +/глюкози в нирках. SGLT2 переважно експресується в сегменті S1 проксимального канальця і відповідає за переважну більшість реабсорбції глюкози з сечею.

Експресія SGLT2 відбувається переважно в межі просвітньої кисті проксимальних канальців кори нирок, де саме основний транспортер опосередковує резорбцію глюкози (7) (табл. 1). Це також виражається набагато нижчим ступенем в інших органах, включаючи печінку. SGLT4, SGLT5, SGLT6 та SMIT1 експресуються в декількох тканинах, включаючи нирку, і передбачувана роль у транспорті глюкози в нирках передбачається, але ще не доведена. SGLT є багатофункціональними білками, і для решти шести продуктів генів SLC5, які, як передбачається, існують у геномі людини, повідомлялося про різні функції. Наприклад, SGLT3, спочатку призначений співтранспортером на основі гомології послідовностей, пізніше був охарактеризований як закріплений глюкозою іонний канал, що експресується в холінергічних нейронах і нервово-м'язовому з'єднанні (8) і може відігравати певну роль у дієті перистальтика кишечника.

Субстрати та розподіл транспортерів глюкози людини

Розташування та відносна близькість ниркових SGLT для глюкози

SGLT2 та SGLT1 можна розрізнити за спорідненістю до глюкози та Na + та розташуванням у нирках (9–12). SGLT2 експресується виключно біля раннього проксимального звивистого канальця (називається S1) (13), тоді як SGLT1 експресується поблизу медулярного проксимального канальця (називається S3) (9-11). SGLT2 - транспортер глюкози з низькою спорідненістю і великою ємністю, тоді як SGLT1 - транспортер глюкози з високою спорідненістю. SGLT1 транспортує глюкозу та галактозу (10), має K0,5 для глюкози приблизно 0,4 мМ та несе дві молекули Na + для кожної молекули глюкози. SGLT1 має K0,5 приблизно 3 мМ для Na + (14). SGLT2 має K0,5 для глюкози приблизно 2 мМ, несе одну молекулу Na + на кожну молекулу глюкози і має K0,5 для Na + 100 мМ (14). SGLT2, на відміну від SGLT1, не транспортує галактозу. Таким чином, основна частина глюкози реабсорбується на сегменті S1 транспортером SGLT2 великої ємності, тоді як решта глюкози, яка потрапляє в сегмент S3, реабсорбується транспортером SGLT1 високої спорідненості; разом вони мінімізують втрати глюкози в сечі (14).

Структура білка SGLT та динаміка транспорту

Гени SLC5 людини кодують білки з молекулярною масою приблизно 75 кД. Вони демонструють значну функціональну подібність, незважаючи на те, що розчинені речовини є різними. Модель топології та вторинної структури SGLT1, найбільш ретельно вивченого члена групи SSSF, була експериментально окреслена шляхом обширного аналізу її первинної послідовності, порівняння послідовностей, методів обчислювального прогнозування та функціональних та електронно-мікроскопічних аналізів, проведених у гетерологічних системах експресії. (2,4,15,16). Очікується, що мембранна топологія інших представників сімейства SGLT буде подібною на основі їх загального походження, функції та подібних первинних послідовностей. SGLT2, який складається з 672 амінокислот, має 59% ідентичності з 664 амінокислотами, що складають SGLT1 (17). Загалом, цитоплазматичні домени краще зберігаються, ніж позаклітинні домени серед SGLT.

Члени сімейства SGLT мають спільне ядро з 13 трансмембранних спіралей (TMH), хоча деякі члени мають одну або дві додаткові С-кінцеві спіралі. SGLT1 і SGLT2 мають по 14 TMH, причому як гідрофобні N-, так і С-кінцеві домени лежать позаклітинно (2). Послідовність консенсусу SSSF [GS] -2 (2) - [LIY] -x (3) - [LIVMFYWSTAG] (7) -x (3) - [LIY] - [STAV] -x (2) -GG- [ LMF] -x- [SAP] лежить у TMH5. Крім того, менші члени SGLT еукаріотів та члени підродини SMIT мають спільний мотив R-x-T-x (4) -F-L-A-G-x (4) -W-W-x (2) -G-A-S поблизу N-кінцевого домену, проксимальний у TMH2.

Нещодавно повідомлялося про кристалічну структуру vSGLT, симпортера натрію-галактози від Vibrio parahaemolyticus та члена SSSF (18). Білок збирається у вигляді щільно упакованого паралельного димеру, хоча попередні роботи показали, що SGLT1 повністю функціонує як мономер. Структурне ядро утворене з перевернутих повторів п’яти TMH (від 2 до 6 та від 7 до 11; малюнок 2А). Сім TMH (від 2 до 4, від 7 до 9 та 11) сприяють взаємодії бічних ланцюгів щодо селективності ліганду. Ідентифіковані позаклітинні та внутрішньоклітинні ворота, що окреслюють шлях галактози, із залишками M73, Y87 та F424, що утворюють позаклітинні, а Y263, Y262 та W264 - внутрішньоклітинні. На перетині TMH2 та TMH9 є правдоподібна Na-зв'язуюча ділянка, приблизно на 10 Å від ділянки зв'язування субстрату. Зовнішній Na + пов'язується спочатку, що полегшує перебудову TMH2, утворюючи ділянку зв'язування субстрату. Зв’язування галактози індукує утворення позаклітинних воріт і збільшує внутрішньоклітинну порожнину за рахунок конформаційних змін в TMH3, TMH4, TMH7 і 8, і TMH9 по 11. Нарешті, витіснення Y263 вивільняє Na +, а потім галактозу внутрішньоклітинно (Малюнок 2B).

Структура vSGLT. (А) Топологія. Структура забарвлена у вигляді веселки від N-кінця (червоний) до C-кінця (фіолетовий). Сині та червоні трапеції представляють інвертовану топологію TMH2 - TMH6 та TMH7 - TMH11. Сірий шестикутник з червоним контуром представляє галактозу. Залишки, що беруть участь у розпізнаванні цукру, залишки воріт та запропоноване місце Na + відображаються блакитними, сірими та жовтими колами. (B) Почергова доступність. (Ліворуч) Проріжте поверхню моделі, спрямованої назовні, якщо дивитись із площини мембрани, показуючи позаклітинну порожнину (синя сітка). (Праворуч) Проріжте поверхню структури, спрямованої всередину, в площині мембрани, показуючи внутрішньоклітинну порожнину (синя сітка). Спіралі, що демонструють структурну перебудову, пофарбовані в оранжевий, зелений та синій кольори для спіралей TMH3, TMH7 та TMH11 відповідно; спіралі з невеликим рухом пофарбовані в білий колір. Поверхня показана бежевим кольором. Галактоза зображена як чорна та червона сфери для атомів С та О відповідно. Y263 та іон Na + пофарбовані відповідно у сіру та синю сфери. Передруковано з посилання (18), з дозволу.