Резюме

Уреята е малка молекула, само 60 Da, която представлява основната форма на отпадъчен азот, който се екскретира при бозайниците. Неговата изключително висока разтворимост във вода (насищане при> 6 M) го прави идеален за екскреция от концентриращия бъбрек. Проучванията на Джеймс Шанън през 30-те години показват, че скоростта на екскреция на урея се определя главно от степента на филтрация през гломерула и тубулната реабсорбция (1,2). Въпреки този на пръв поглед прост поглед върху работата с бъбречната урея, през 20-ти век са натрупани множество хипотези, които приписват на уреята по-сложни роли. Молекулярната ера, пазена от геномни проекти при различни видове, отвори вратата за нови инструменти, които могат да отговорят на тези хипотези, а именно линии на мишки, в които различни молекулярни носители на урея са били генетично изтрити. Тук правим преглед на новата светлина, която е хвърлена върху боравенето с бъбречна урея чрез експериментиране в тези нокаут линии на мишката.

бъбречна

При бозайниците приблизително 90% от отпадъчния азот се екскретира чрез бъбреците като урея. По-голямата част от тази урея се генерира в черния дроб като страничен продукт от протеиновия метаболизъм. При повечето обстоятелства приемът на диетични протеини от хора и животни значително надвишава необходимия за подпомагане на анаболните процеси; следователно се генерира голям излишък на урея (Фигура 1). Екскрецията на тази урея представлява голямо осмотично натоварване на бъбреците. Повечето разтворени вещества, които се екскретират в толкова големи количества, например манитол (3), биха задължили големи количества екскреция на вода, причинявайки осмотична диуреза. Както обаче е установено за първи път от Gamble и колеги (4,5) през 30-те години на миналия век, бъбрекът разполага със специализирани механизми, които позволяват отделянето на големи количества урея, без да се задължава отделянето на вода.

Обработка на урея при бозайници. По-голямата част от бозайниците консумират диети с високо съдържание на протеини. При повечето обстоятелства този хранителен прием на протеини значително надвишава необходимия за подпомагане на анаболните процеси. Излишъкът от протеини се катаболизира от черния дроб, което води до образуването на големи количества карбамид от цикъла орнитин-карбамид. Уреята се филтрува свободно през бъбреците и отделянето на тази урея представлява голямо осмотично натоварване на бъбреците. Повечето разтворени вещества, екскретирани в толкова големи количества, биха задължили големи количества екскреция на вода, причинявайки осмотична диуреза. Въпреки това, по протежение на нефрона, специализираните транспортери на урея UT-A1, UT-A2, UT-A3 и UT-B участват в сложни пътища за реабсорбция и рециклиране на карбамид, които позволяват отделянето на големи количества карбамид, без да се задължава отделянето на вода. Илюстрация от Josh Gramling — Gramling Medical Illustration.

Транспортери на урея

Преносители на урея, получени от миши UT-A ген. В горната част е схематично представяне на най-голямата изоформа, UT-A1, с предполагаеми мембранно обхващащи домейни, представени като бъчви. По-долу Н1 до Н4 представляват хидрофобни домейни, с посочени номера на аминокиселини. UT-A1 и UT-A3 се задвижват от един и същ промотор и са идентични чрез аминокиселина 459. Използването на алтернативен екзон вмъква стоп кодон, който завършва UT-A3 след аминокиселина 460 (аспарагинова киселина). UT-A2 е идентичен с крайните 397 аминокиселини на UT-A1 и се задвижва от алтернативен промотор в интрон 13 на гена на мишката (15). Илюстрация от Josh Gramling — Gramling Medical Illustration.

Локализация на UT-A транспортери за карбамид. UT-A1 е локализиран в крайната част на вътрешния медуларен събирателен канал (IMCD), докато UT-A2 е локализиран в тънките низходящи крайници на Henle’s loop във вътрешната ивица на външния мозък (A). По-голямото увеличение показва, че както UT-A2 (B), така и UT-A1 (C) са предимно вътреклетъчни. UT-A3 е локализиран в крайната част на IMCD (D) и е едновременно вътреклетъчен и в базолатералните мембранни домейни (F). UT-B се изразява в низходяща васа право (G), където е локализиран в базолатералните и апикалните области (E).

Наскоро бяха създадени няколко модела мишки със селективно изтриване на различни изоформи на транспортера на урея. Останалата част от тази статия обобщава проучванията на тези мишки и обсъжда заключенията от тези проучвания по отношение на ролята на уреята в механизма за концентриране на урината.

UT-A1 и UT-A3 нокаут мишки

Роля на IMCD транспортерите на урея в механизма за концентриране на урината

Консервация на вода и способност за концентриране на урината на UT-A1/3 -/- мишки. За всички графики данните са средни стойности ± SEM; мишки от див тип са обозначени с плътни линии, а нокаутиращите мишки са представени с пунктирани линии. Мишките са приемали 4, 20 или 40% прием на протеин в продължение на 7 дни преди и по време на продължителността на проучването. Графиките показват или отделянето на урина при базални условия (свободен достъп до питейна вода) за 3 последователни дни, последвано от 24-часово ограничение на водата при 4% (A), 20% (B) или 40% (C) протеинова диета или съответната осмоларност на урината при 4% (A), 20% (B) или 40% (C) протеинова диета. Заключението от тези данни е, че ролята на IMCD транспортерите на карбамид в опазването на водата е да предотвратяват индуцираната от карбамид осмотична диуреза. Адаптирано от данни в референции (37,42).

В съответствие с модела на Берлинер, тези проучвания показват, че концентрационният дефект при мишки UT-A1/3 -/- до голяма степен е резултат от зависимата от урея осмотична диуреза. Предлага се обаче събирането на канал за транспортиране на карбамид да играе допълнителна роля в механизма за концентриране на урината, действайки като първата стъпка от така наречения „пасивен модел“, при който натрупването на NaCl във вътрешния медуларен интерстициум зависи косвено от реабсорбцията на урея от IMCD (43,44). Както беше обсъдено в следващия раздел, проучвания на мишки UT-A1/3 -/- осигуриха директен тест на пасивния модел.

Натрупване на NaCl във вътрешната медула: Роля на IMCD транспортери на урея

Ако моделът на пасивния умножител на противотока не е обяснението за градиента NaCl във вътрешната бъбречна медула, тогава какво е? Пълният отговор на този въпрос е извън обхвата на този кратък преглед, тъй като предложените алтернативи не включват транспортери на урея. Читателят е препратен към глава от Gamba и Knepper (51) или скорошна статия за преглед (52) за обсъждане на алтернативни модели. По принцип е безопасно да се заключи на този етап, че са необходими повече изследвания, за да се развие пълно разбиране на концентрационната функция на бъбречната вътрешна медула.

„Хазартният феномен“

Рециклиране на карбамид

За разлика от резултатите, наблюдавани при нокаутиращи мишки на UT-A2, делецията на UT-B, основният транспортер на урея на DVR и на еритроцитите, води до значително увреждане на бъбречната консервация на водата. UT-B нокаутиращите мишки са разработени през 2002 г. (59), а наскоро тяхната физиология е обсъдена подробно другаде (60). При нормално протеинова диета, UT-B нулевите мишки имат значително по-висока дневна продукция на урина, което води до по-ниска осмолалност на урината в сравнение с мишки от див тип. Въпреки това, когато UT-B нокаутиращите мишки са подложени на лишаване от вода за 36 часа, те са в състояние да концентрират урината си, макар и в по-малка степен от контролите. Нокаут мишките имат значително по-висока плазмена урея и тяхното съотношение урея към плазма карбамид е намалено по-силно от това на другите разтворени вещества, което показва, че нулевите мишки UT-B имат „селективен” уреен концентрационен дефект (61). Тази намалена способност да концентрира урея се подчертава от по-ниската вътрешна медуларна концентрация на урея в сравнение с други разтворени вещества.

Количествено се смята, че най-важната загуба на урея от вътрешния медуларен интерстициум се случва чрез васа ректу (54); следователно, по-големият дефект на концентрация при UT-B нулеви мишки в сравнение с UT-A2 нулеви мишки може да не е изненадващ. UT-B потенциално е важен както за противотоков обмен на урея между възходяща ваза ректу (AVR) и DVR, така и за пренос на урея от васа ректу към тънкия низходящ крайник. Сравнението на резултатите при нокаутиращи мишки UT-B и UT-A2 предполага, че първите може да са по-важни за цялостния процес, който улавя урея във вътрешната медула. Тоест, по номинална стойност, резултатите показват, че рециклирането на карбамид между DVR и AVR е по-важно количествено от рециклирането на карбамид между AVR и бъбречните тубули по отношение на нетния ефект върху запазването на водата. Ключов елемент от данните, които трябва да бъдат предоставени за пълно приемане на това заключение, е микропунктурата на дисталния канал, за да се провери дали UT-A2 делецията всъщност елиминира рециклирането на карбамид. По-конкретно, би било полезно да се повторят измерванията, направени първоначално от Lassiter et al. (55,62) при нокаутиращи мишки от див тип и UT-A2 за справяне с хипотезата, че UT-A2 е необходим за рециклиране на карбамид.

В допълнение към DVR, UT-B протеинът се експресира в червените кръвни клетки (RBC) (63) и допринася за тяхната висока пропускливост на урея. Смята се, че тази висока пропускливост на урея има физиологична роля; бързият пренос на карбамид може да помогне за запазване на осмотичната стабилност и деформируемост на червените кръвни клетки (64) и по този начин да помогне за предотвратяване на разсейването на градиента на карбамида в бъбречната медула (обсъдено в справка [65]) и общата концентрационна способност. Тъй като еритроцитите от нокаутиращите мишки на UT-B имат приблизително 45 пъти по-ниска пропускливост на урея в сравнение с тези от контролите, важно е да се признае, че концентрационните дефекти, които се наблюдават при нокаутиращите мишки на UT-B, могат да се дължат на загубата на урея транспортирайте във vasa recta, в RBC или и двете. Освен това загубата на UT-B както от кръвоносните съдове, така и от червените кръвни клетки също може да помогне да се обясни разликата в концентрационната способност между нокаутиращите мишки UT-A2 и UT-B.

Рециклиране на урея и регулиране на GFR чрез високопротеинови диети

Консумацията на диети, богати на протеини, води до увеличаване на GFR за целия бъбрек (66,67). Изследвания за микроперфузия от Seney et al. (68) установи, че индуцираното от протеини увеличение на GFR е резултат от промени в системата на тубулогломерулната обратна връзка (TGF). Техните проучвания установяват, че сензорният механизъм на системата TGF е направен по-малко реагиращ от високия прием на протеин и че намаленият TGF е причинен, поне отчасти, от намалена ранна дистална концентрация на NaCl, без промяна в осмолалността на ранните дистални тубули (69 ). Причината за намалената луминална концентрация на NaCl обаче остава неизвестна. Един модел за тази намалена ранна дистална концентрация на NaCl и последвалата намалена GFR е предложен от Bankir et al. (70,71) и зависи от промените в концентрацията на урея във флуида, който се доставя в TAL. Тази хипотеза твърди, че повишените луминални концентрации на карбамид, вследствие на диета с високо съдържание на протеини, причиняват повишаване на осмотичната секреция на вода в TAL, като по този начин намаляват концентрацията на луминален NaCl в течността, която се доставя в макула денса. По-ниският NaCl обикновено се разпознава като сигнал, който може да увеличи GFR чрез механизма TGF.

Възможна роля на транспортерите на урея в регулирането на обема на извънклетъчната течност

Компенсаторни механизми

Едно от ограниченията на проучванията с нокаутиращи мишки е, че други гени/протеини потенциално могат да компенсират загубата на целевия протеин, като по този начин наблюдаваният фенотип прави по-малко от очакваното. Това може да се случи както при мишките UT-A1/3 -/-, така и при нокаутиращите мишки UT-B, при които целенасочените протеомични проучвания, използващи ансамбъл от антитела, показват повишено регулиране на други протеини, които участват в механизма за концентриране на урината. Например, UT-A2 се регулира нагоре при нокаутиращи мишки UT-B (78), потенциално като средство за компенсиране на намаленото рециклиране на карбамид, а аквапорин-2 и аквапорин-3 се регулират в UT-A1/3 -/- мишки (42). Тези компенсаторни механизми трябва да бъдат взети предвид при разглеждане на ролята на изтрития ген в биологичните механизми.

Клинична перспектива

Все още малко примери за клинични отклонения са възникнали от генетични дефекти в транспортерите на урея. Пациентите с мутации в гена UT-B са идентифицирани чрез липсата на антиген на кръвната група Kidd, който обикновено присъства на повърхността на еритроцитите (82,83). Клинично тези нулеви пациенти с UT-B са напълно нормални, въпреки че проявяват лек концентриращ дефект (84), вероятно в резултат на отсъствието на активност на транспортера на урея във васа прямото и/или червените кръвни клетки. Анормалният дефект на концентрация при нулеви пациенти с UT-B е подобен на този, наблюдаван при нокаутиращи мишки на UT-B.

Не са дефинирани изрично мутации на гена UT-A, въпреки че семейства с „фамилна азотемия“ са описани в Европа (85) и Съединените щати (86), като разстройството потенциално се дължи на необичайно активиране на събирателния канал на урея. Засегнатите членове на американското семейство показват високи серумни концентрации на урея при определяне на нормални серумни нива на креатинин и имат нормални способности за концентрация и разреждане на урината. Високите серумни концентрации на урея са свързани с ниски клирънси на урея, което предполага необичайно висока скорост на усвояване на урея в някакъв момент по нефрона. Доколкото ни е известно, нито един от тези пациенти не е преминал генетични тестове за идентифициране на възможни мутации в гена UT-A, които биха могли да обяснят възможната хиперактивация на UT-A1 и/или UT-A3 в събирателния канал.

И накрая, редица еднонуклеотидни полиморфизми, които сочат към възможна връзка между полиморфизмите в гена UT-A и регулацията на BP, са идентифицирани в гена UT-A (87). По-конкретно беше установено, че два от седемте идентифицирани полиморфизма в UT-A1 или UT-A2 (Val/Ile в позиция 227 и Ala/Thr в позиция 357) са свързани с намален диастоличен BP при мъжете, но не и при жените. Тези открития добавят доверие към идеята, че фармакологичната манипулация на UT-A протеини потенциално може да бъде ефективна при лечение на висок BP.

Разкриване

Благодарности

Работата, описана в тази статия, е подкрепена отчасти от Интрамуралния бюджет на Националния институт за сърце, бял дроб и кръв (Проект ZO1-HL-01285-KE) към M.A.K. Изследователският център за вода и сол в Орхуския университет е създаден и подкрепен от Датската национална изследователска фондация (Danmarks Grundforskningsfond). R.A.F. се подкрепя от Фондация Карлсберг (Carlsbergfondet), Северния съвет (Северната програма за върхови постижения в молекулярната медицина) и Датската национална изследователска фондация.

Бележки под линия

Публикувано онлайн преди печат. Датата на публикуване е достъпна на www.jasn.org.

Вижте съответния редакционен материал, „Критична роля на уреята в механизма за концентриране на урина“, на страници 670–671.