Zastanawiasz się, jak wydać pracę doktorską, habilitacyjną lub monografie? Chcesz dokonać zmian w stylistyce i interpunkcji tekstu naukowego? Nic prostszego! Zaufaj Wydawnictwu Borgis - wydawcy renomowanych książek i czasopism medycznych. Zapewniamy przede wszystkim profesjonalne wsparcie w przygotowaniu pracy, opracowanie dokumentacji oraz druk pracy doktorskiej, magisterskiej, habilitacyjnej. Dzięki nam nie będziesz musiał zajmować się projektowaniem okładki oraz typografią książki.

© Borgis - Postępy Nauk Medycznych 5/2007, s. 168-174
Franciszek Kokot1, *Edward Franek2,3
Postępy w badaniach nad gospodarką wapniowo-fosforanową – część I
Advances in calcium-phosphorus homeostasis – part I
1Klinika Nefrologii, Endokrynologii i Chorób Przemiany Materii Śląskiej Akademii Medycznej w Katowicach
Kierownik Katedry i Kliniki: prof. dr hab. med. Andrzej Więcek 2Klinika Chorób Wewnętrznych, Endokrynologii i Diabetologii CSK MSWiA w Warszawie
Kierownik Kliniki: dr hab. med. Edward Franek 3Zakład Badawczo-Leczniczy Endokrynologii Instytutu Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej PAN w Warszawie
Kierownik Zakładu: doc. dr hab. med. Monika Puzianowska-Kuźnicka
Streszczenie
Pierwsza część pracy omawia postępy w badaniach nad parathormonem, PTHrP i ich receptorami, receptorem witaminy D oraz nad zaburzeniami gospodarki fosforanowej, przede wszystkim zaś niedawno odkryte czynniki pobudzające wydzielanie fosforanów z moczem (fosfatoniny). Omówiono także pokrótce całą gamę klinicznych manifestacji zaburzeń strukturalno-czynnościowych ww. białek.
Summary
First part of the paper summarizes advances in research regarding parathormone, PTHrP and their receptors, vitamin D receptor and regarding phosphorus homeostasis disturbances, especially discovered in recent years phosphaturic factors (phosphatonins). The whole spectrum of clinical manifestations of above mentioned disturbances is discussed.
Biologia molekularna zaburzeń gospodarki wapniowo-fosforanowej
Wapń stanowi nie tylko ważny składnik tkanek podporowych, pełni funkcję regulatora stanu wrażliwości komórek nerwowych i aktywności enzymów śródkomórkowych, ale również uczestniczy w mechanizmie skurczu mięśni szkieletowych i gładkich, w utrzymywaniu stabilności cytoszkieletu komórkowego, w zjawiskach wzrostu i różnicowania komórek, jak również w procesach odporności komórkowozależnej, krzepnięcia i fibrynolizy. Z gospodarką wapniową ściśle powiązany jest metabolizm fosforu, odgrywający kluczową rolę nie tylko w budowie kośćca, ale również w budowie kwasów nukleinowych, w tworzeniu związków wysokoenergetycznych, fosfolipidów błon komórkowych i struktur subkomórkowych (mitochondria, lizosomy, mikrosomy) oraz w procesach glikolizy i glikoneogenezy oraz przenoszenia tlenu przez hemoglobinę. Stężenie fosforanów należy do głównych czynników regulacji sekrecji parathormonu i 1,25-dihydroksywitaminy D oraz wpływa bezpośrednio lub pośrednio na kalcemię oddziaływując na inne hormony (białko Klotho, fosfatoniny) regulacji gospodarki wapniowo-fosforanowej. Koncertowe współdziałanie kluczowych graczy gospodarki wapniowo-fosforanowej zabezpiecza precyzyjne mechanizmy regulacji stężenia wapnia i fosforanów zarówno w środowisku śródkomórkowym, jak i pozakomórkowym.
Treścią niniejszej pracy (podzielonej ze względu na dużą objętość na dwie części) jest przedstawienie postępów w badaniach nad molekularnymi zaburzeniami gospodarki wapniowo-fosforanowej. W części pierwszej omówione zostaną zaburzenia gospodarki wapniowo-fosforanowej uwarunkowane zmienioną strukturą lub funkcją parathormonu (PTH), białka PTH-podobnego (PTHrP) lub receptorów wymienionych hormonów, receptora witaminy D, a także uwarunkowane zaburzeniami gospodarki fosforanowej (w szczególności działaniem fosfatonin).
W części drugiej omówione będą zaburzenia uwarunkowane zmianami strukturalno/czynnościowymi receptora wapniowego (Ca-SR), zaburzeniami układu RANK/RANKL/osteoprotegeryna, zaburzeniami sekrecji białka Klotho oraz fetuiny A.
Parathormon (PTH) i peptyd PTH-podobny (PThrP) oraz receptory tych hormonów
PTH jest linearnym polipeptydem zawierającym 84 aminokwasy (PTH-1-84). Prekursorem PTH-1-84 jest polipeptyd prepro-PTH złożony z 115 aminokwasów. Gen kodujący prepro-PTH zlokalizowany jest na chromosomie 11 (11p15). Miejscem syntezy PTH są przytarczyce wydzielające przeważnie cząsteczki PTH-1-84, chociaż w stanach chorobowych przebiegających z hiperkalcemią wydzielane są również fragmenty PTH pozbawione kilku aminokwasów N-końcowych. Około 10-20% krążących we krwi cząsteczek PTH to z PTH-1-84, natomiast pozostałe cząsteczki to N- lub C-końcowe fragmenty cząsteczek PTH-1-84. Okres półtrwania PTH-1-84 wynosi 2-5 minut. Cząsteczki PTH-1-84 wychwytywane są przez komórki osi osteoblasto-osteoklastycznej, hepatocyty i nerki. W wątrobie wszystkie wychwycone cząsteczki PTH-1-84 lub N-końcowe fragmenty tego hormonu ulegają degradacji do fragmentów pozbawionych aminokwasów N-końcowych. Część tych fragmentów wydzielana jest do krwi. Okres półtrwania C-końcowych fragmentów PTH jest 5-10-krotnie dłuższy od okresu półtrwania PTH-1-84. W nerkach przesączone w kłębuszkach nerkowych cząsteczki PTH ulegają resorpcji przez komórki cewek proksymalnych wiążąc się z receptorem PTH-R-1 lub ulegając internalizacji szlakiem endocytozy megalinowo-kubulinowej (1, 2, 3).
Trzecim narządem klirensującym PTH-1-84 są kości, gdzie PTH jest ważnym regulatorem aktywności osi osteoblasto-osteoklastycznej.
Do niedawna błędnie uważano, że przez oznaczenie tzw. intact PTH zestawami drugiej generacji oznacza się tylko stężenie cząsteczek PTH-1-84. Okazało się jednak, że używane w tych zestawach przeciwciała anty-PTH rozpoznają nie tylko cząsteczki PTH-1-84, ale również jego fragmenty pozbawione pierwszych 6 N-końcowych aminokwasów. Ponieważ aktywność biologiczna PTH zależna jest od N-końcowego fragmentu PTH złożonego z 34 aminokwasów, wprowadzono do diagnostyki paratyreologicznej zestawy trzeciej generacji umożliwiające oznaczanie stężenia PTH-1-84 i biologicznie aktywnych N-końcowych fragmentów tego hormonu (cząsteczki te aktywują cyklazę adenylanową i dlatego określono je skrótem CAP – cyclase activating PTH) oraz C-końcowych fragmentów pozbawionych pierwszych 6 N-końcowych aminokwasów i nie wykazujących wpływu na cyklazę adenylanową. Te ostatnie C-końcowe fragmenty PTH określono skrótem CIP (cyclase inactive PTH). Wkrótce okazało się, że C-końcowe fragmenty PTH (PTH-7-84) początkowo uważanie za biologicznie nieaktywne posiadają swoisty receptor, oraz że aktywacja tego receptora wywołuje spadek kalcemii, hamuje resorpcję kości i zmniejsza fosfaturię, tj. wywołuje efekty biologiczne antagonistyczne do tych, które obserwowane są po zadziałaniu PTH-1-84 lub PTH-1-34 na receptor PTH-R-1. Aktywacja tego receptora wywołuje hiperkalcemię, nasila fosfaturię i resorpcję kości (4, 5, 6, 7). Jak dotąd nie rozstrzygnięto jednoznacznie korzyści diagnostycznej oznaczania CAP i CIP.
Dotychczas zidentyfikowano trzy receptory dla PTH. Pierwszy z nich jest wspólnym receptorem dla PTH i PTHrP i określany jest skrótem PTH-1-R (8). Receptor ten wiąże cząsteczki PTH-1-84, PTH-1-34 i N-końcowe fragmenty PTHrP, nie wiąże natomiast cząsteczek PTH-7-84. Aktywacja tego receptora uruchamia szlak sygnalizacyjny cyklaza adenylanowa-cAMP lub fosfolipazy C (typ I receptora PTH-1-R) lub tylko fosfolipazy (typ II receptora PTH-1-R).
Drugim receptorem dla PTH jest receptor PTH-2-R. Do niedawna uważano, że receptor ten swoiście wiąże cząsteczki PTH-1-84. Okazało się, że swoistym ligandem dla tego receptora jest polipeptyd tkanki mózgowej złożony z 39 aminokwasów określony skrótem TIP 39 (tubero-infundibular peptide). Receptor ten wiąże cząsteczki PTH-1-84 i PTH-1-34, nie wiąże natomiast cząsteczek PTHrP.
Trzecim receptorem dla PTH jest receptor określany skrótem C-PTH-R. Receptor ten wiąże cząsteczki PTH-7-84, PTH-19-84 oraz PTH-1-84 (6).
Ponadto zidentyfikowano istnienie u pewnych ryb receptora określanego skrótem zPTH-3R (z = zebra fish). Znaczenie tego receptora u człowieka jest nieznane.
PTH należy do głównych czynników regulujących gospodarkę wapniowo-fosforanową. Hormon ten stymuluje syntezę 1,25(OH)2D, w nerkach, resorpcję zwrotną Ca w cewkach nerkowych oraz nasila fosfaturię blokując kotransporter sodowo-fosforanowy typu IIa. Na poziomie krwi działanie PTH wyraża się wzrostem kalcemii i spadkiem fosfatemii.
Głównymi regulatorami sekrecji PTH przez przytarczyczki są kalcemia, fosfatemia i stężenie 1,25(OH)2D w osoczu krwi. Hipokalcemia, hiperfosfatemia i niedobór 1,25(OH)2D pobudzają sekrecję PTH, natomiast hiperkalcemia, hipofosfatemia i nadmiar 1,25(OH)2D wykazuje działanie przeciwne tj. zmniejszają sekrecję PTH.
Drugim hormonem kalcytropowym jest hormon PTH-podobny (PTHrP) wykazujący z PTH-1-84 wspólny receptor PTH-1-R. PTHrP jest produktem oddzielnego genu, którego produktem jest pro-polipeptyd złożony z 173 aminokwasów (9). Aktywny fragment tego polipeptydu składa się z 139 aminokwasów. Ten ostatni jest polihormonem, przy czym fragment PTHrP-1-36 wykazuje działanie PTH-podobne, zaś fragment PTHrP-38-94 wpływa na przezłożyskowy transport wapnia. Fragment PTHrP-107-139 wykazuje hamujący wpływ na resorpcję kości. PTHrP-1-139 jest więc polihormonem wykazującym wpływ na proliferację, różnicowanie i apoptozę komórek mezenchymalnych, nabłonkowych, endokrynnych, nerwowych i łożyskowych. Chociaż działanie PTHrP ma charakter głównie parakrynny, jukstakrynny lub intrakrynny, to w określonych stanach chorobowych (głównie w nowotworach) może być przyczyną hiperkalcemii, spowodowanej działaniem systemowym tego hormonu (9).
Zaburzenia gospodarki wapniowej spowodowane nadprodukcją PTH, zmienioną jego strukturą lub zmienioną strukturą i funkcją receptora PTH-1-R
Zmieniona struktura PTH, nierozpoznana przez receptor PTH-1-R jest przyczyną niedoczynności przytarczyc spowodowanej niewystępowaniem aktywacji szlaku sygnalizacyjnego cyklaza adenylanowa-cAMP. W konsekwencji rozwija się hipokalcemia (spowodowana zmniejszoną mobilizacją wapnia z kości i zmniejszonym wchłanianiem wapnia z przewodu pokarmowego uwarunkowanym zmniejszoną biosyntezą 1,25(OH)2D3) oraz hiperfosfatemią (3).
Zwiększona nadprodukcja PTH może być spowodowana mutacją inaktywującą supresorów nowotworowych (menina, białko p53, białko retinoblastomowe Rb), mutacjami aktywującymi proto-onkogenów (cyklina, RET), mutacją inaktywującą receptora wapniowego (patrz niżej – hiperkalcemia hipokalciuryczna, zespół ciężkiej nadczynności przytarczyc u noworodków) lub mutację inaktywującą receptora PTH-1-R. Ta ostatnia opisana, znana jako zespół Bloomstranda, charakteryzuje się brakiem wzrostu cAMP i inozytolo-trifosforanu po podaniu PTH lub PTHrP oraz zwiększonym dojrzewaniem śródchrzęstnym kości w życiu płodowym. Nadczynność przytarczyc może również stanowić jeden z objawów zespołu endokrynopatii wielogruczołowej MEN1 i MEN2 i zespołu HPT-JT (hyperparathyroidism-jaw tumor syndrome). Zarówno w sporadycznym raku przytarczyc, jak i w zespole HPT-JT często stwierdza się mutację inaktywującą genu HRPT2 kodującego parafibrominę (3-10).
Mutacja inaktywująca receptora PTH-1-R może być przyczyną rzekomej niedoczynności przytarczyc. Wyróżnia się następujące typy rzekomej niedoczynności przytarczyc (11):
Typ Ia.W stanach fizjologicznych PTH wiążąc się z PTH-1-R działa na białko Gs wiążące nukleotydy guaninowe. W następstwie tej reakcji dochodzi do aktywacji cyklazy adenylanowej i uwalniania cAMP będącego mediatorem działania PTH na komórki. Białko Gs składa się z trzech podjednostek α, β i γ. W typie Ia rzekomej niedoczynności stwierdza się mutację inaktywującą genu GNASI kodującego łańcuch Gsα warunkującą oporność receptora PTH-1-R na działanie PTH-1-84 i manifestującą się klinicznie jako zespół Albrighta (mały wzrost, upośledzenie umysłowe, hipokalcemia, hiperfosfatemia, brak wzrostu, wydalanie cAMP po podaniu egzogennego PTH-1-84, duże stężenie PTH we krwi).
W typie Ib rzekomej niedoczynności przytarczyc stwierdza się profil biochemiczny w osoczu podobny do występującego w typie Ia, różni się natomiast występowanie prawidłowego wzrostu i prawidłową reakcją receptora PTH-1-R na podanie PTHrP przy braku reakcji po podaniu PTH-1-84. Choroba może być spowodowana defektem metylacji zmutowanego genu GNASI. W odróżnieniu od typu Ia w typie Ib nie stwierdza się oporności receptorów dla TSH, glukagonu i gonadotropin.
W typie Ic obraz kliniczny i profil biochemiczny nie różnią się od typu Ia, ale aktywność Gsα jest prawidłowa.
W typie II rzekomej niedoczynności stwierdza się prawidłowy wzrost wydalania cAMP, ale nie fosforanów z moczem po podaniu PTH-1-84. Ponadto stwierdza się prawidłowy wzrost, niewystępowanie anomalii szkieletowych typowych dla zespołu Albrighta oraz prawidłową reakcję receptorów dla TSH, glukagonu i gonadotropin po podaniu tych hormonów. Przyczyna choroby nie jest znana.
W rzekomo-rzekomej niedoczynności przytarczyc stwierdza się fenotyp choroby Albrighta i mutację genu dla białka Gsα. Pomimo tego nie stwierdza się profilu hormonalnego rzekomej niedoczynności przytarczyc typu Ia. Jeżeli chory dziedziczy zmutowany gen od ojca, chory wykazuje obraz kliniczny zespołu rzekomo – rzekomej niedoczynności przytarczyc, natomiast w razie dziedziczenia tego genu od matki stwierdza się obraz kliniczny niedoczynności przytarczyc.
Bardzo rzadko spotykaną mutacją aktywującą receptora PTH-1-R jest zespół karłowatości Jansena (spowodowany mutacjami typu missense H223R, T410P lub I458R) manifestującego się hiperkalcemią, hipofosfatemią i prawidłowym lub małym stężeniem PTH i PTHrP (12).
Receptor witaminy D
Receptor witaminy D (Vitamin D receptor, VDR) został odkryty w połowie lat 70. ubiegłego wieku. Należy on do „rodziny” receptorów jądrowych, aktywowanych przez hormony steroidowe i działa jako aktywowany ligandem czynnik transkrypcyjny. Kontrola transkrypcji genów zależnych od witaminy D (tab. 1) odbywa się w kilku etapach. Najpierw receptor musi związać się z ligandem poprzez odpowiednią domenę wiążącą. Na skutek tego zachodzi heterodimeryzacja receptora z receptorem RXR (retinoid X receptor), co powoduje zmiany konformacji przestrzennej receptora. W efekcie heterodimery wiążą się z odpowiednimi miejscami (elementy zależne od witaminy D – vitamin D responsive elements) promotorów genów zależnych od witaminy D i z różnymi jądrowymi białkami koregulatorowymi. Klasycznie rozróżniano dwa ich typy – białka zwiększające lub hamujące transkrypcję aktywowaną przez VDR (koaktywatory i korepresory). Ostatnio jednak odkryto, że w zależności od rodzaju komórki niektóre białka mogą pełnić obie te funkcje (komodulatory; np. białko NCoA62/Skip). Za wiązanie białek koregulatorowych opowiedzialne są przede wszystkim dwie domeny receptora VDR (odpowiedzialna za heterodimeryzację i AF2), których unieczynnienie powoduje znaczne zmniejszenie aktywności transkrypcyjnej aktywowanej przez VDR. Białka represorowe mogą działać na przykład przez aktywację deacetylazy histonowej (deacetylującej reszty lizynowe), co powoduje spakowanie chromatyny jądrowej i zahamowanie ekspresji genu (14).
Tabela 1. Geny, których ekspresja regulowana jest przez witaminę D w komórkach nienowotworowych (na podstawie 13).
Geny aktywowane przez VDRGeny hamowane przez VDR
Osteokalcyna, osteopontyna
Kalbindyna -9k
Anhydraza węglanowa
RANKL
24-hydroksylaza
CYP3A1, A4, A11
Integryna b3
Inwolukryna
Białko wiążące IGF (IGF-BP 3)
PTH, PTHrP
EGF-R, c-myc, K16
IL-2, IL-12, TNFa, IFN-g, GM-CSF
NFkB (rel B)
Oprócz białek regulatorowych wyróżnia się jeszcze swoiste dla danego typu komórki białka zmieniające szybkość asocjacji/dysocjacji kompleksu ligand/VDR wewnątrz komórki (intracellular vitamin D binding/interacting proteins – IDBP), mogące w ten sposób wpływać na zależną od liganda aktywację VDR (14).
Jak widać w tabeli 1, gama genów regulowanych przez VDR w prawidłowych komórkach jest dość szeroka (w komórkach nowotworowych VDR reguluje ich znacznie więcej). Następstwem tego jest plejotropowość działania witaminy D. Wpływa ona przede wszystkim na gospodarkę wapniowo-fosforanową, działając w przewodzie pokarmowym (głównie pobudzając wchłanianie wapnia i fosforanów), układzie kostnym (gra rolę w procesach jego rozwoju, w „dorosłym” szkielecie pobudza obrót kostny), nerkach (zwiększając wchłanianie zwrotne wapnia), przytarczycach (hamując wydzielanie PTH). Wywierać jednak może również działanie antyproliferacyjne i wpływać (zarówno hamująco, jak i aktywująco) na apoptozę komórek, co może powodować przeciwnowotworowe efekty witaminy D, opisywane szczególnie w nowotworach jelita grubego, sutka i gruczołu sterczowego. Moduluje ona także odpowiedź immunologiczną i przeciwzapalną ustroju (być może uczestnicząc w patogenezie chorób z autoagresji), bierze udział w regulacji rozwoju i funkcji skóry i włosów, wpływa na czynność mięśni szkieletowych, wreszcie moduluje funkcję układu RAA i wpływa na naczynia krwionośne i ciśnienie tętnicze (13, 14, 15).
Warto wspomnieć, że oprócz działania na swoje receptory 1,25(OH)2D3 może również wywierać działania pozagenomowe (pozareceptorowe). Efekty wywierane tą drogą są o wiele szybsze niż działanie poprzez receptor jądrowy (należy do nich m.in. aktywacja PKC i MAPK, cyklazy guanylanowej, otwarcie kanałów chlorkowych, stymulacja napływu Ca do cytozolu). Mimo wielu badań wciąż kontrowersyjna jest kwestia, w jaki sposób efekty te zachodzą (13). Wydaje się, że mogą one przynajmniej częściowo być wynikiem pobudzenia receptorów błonowych (membrane-associated, rapid-response steroid-binding receptor: 1,25D3-MARRS, anneksyna II).
Jak wynika z powyższego, zaburzenia działania VDR mogą być powodowane nie tylko przez uwarunkowane genetycznie zmiany jego struktury i funkcji, ale możliwe są także na skutek zmian struktury i funkcji różnych białek uczestniczących w jego działaniu. Możliwe są także izoformy VDR powstałe w wyniku alternatywnego składania (splicing), np. izoforma B1 o zwiększonej aktywności transkrypcyjnej (16) oraz potranslacyjne jego modyfikacje.
Najważniejszą i najlepiej opisaną chorobą wynikającą z zaburzeń receptora VDR jest krzywica witamino-D-oporna typu II. Jej przyczyną są mutacje genu kodującego VDR zlokalizowane w domenie wiążącej DNA, w tzw. motywie „palca cynkowego”, a także w domenie wiążącej hormon (np. C140A, C970A, R271L), prowadzące, do zmniejszonego powinowactwa receptora do hormonu. Obraz kliniczny jest podobny jak w krzywicy niedoborowej, jednak stężenie 1,25(OH)2 witaminy D w surowicy jest wysokie, a chorzy słabo lub w ogóle nie reagują na leczenie substytucyjne, prowadzone zwykle bardzo dużymi dawkami kalcytriolu. U niektórych chorych występuje alopecia totalis, ujawniająca się zwykle w pierwszych dwóch latach życia).
Krzywica witamino-D-oporna typu I jest spowodowana mutacjami genu kodującego 1-alfa-hydroksylazę i reaguje dobrze na leczenie pochodnymi witaminy D hydroksylowanymi w pozycji 1-alfa.
Opisano również wiele polimorfizmów VDR, z czego przynajmniej kilka może wpływać na jego czynność. Mogą one mieć związek z gęstością mineralną kości, opornością na leczenie witaminą D oraz podatnością na zakażenia, choroby z autoagresji i na niektóre typy nowotworów. Ostatnio opisywano także związek niektórych polimorfizmów VDR z chorobami układu sercowo-naczyniowego.
Zaburzenia gospodarki fosforanowej
Fosfor stanowi ważne ogniwo regulacji przemian śródkomórkowych, będąc nośnikiem energetycznym uczestniczącym w procesach energotwórczych, strukturach kwasów DNA i RNA, jak również w zjawiskach sygnalizacyjnych różnych szlaków metabolicznych. Uczestniczy też w podtrzymaniu integralności morfologicznej i czynnościowej układu ruchu.
Fosfatemia zależna jest od wielkości podaży Pi (fosforanów nieorganicznych) w pokarmach oraz ich wchłaniania, stopnia mobilizacji lub odkładania Pi w kościach i innych tkankach, od przemieszczenia Pi z przestrzeni pozakomórkowej do śródkomórkowej i odwrotnie, oraz od stopnia wydalania Pi z moczem i (w niewielkim stopniu) z kałem. Czynnikami zwiększającymi wchłanianie Pi z przewodu pokarmowego do krwi i z płynu cewki nerkowej do płynu śródmiąższowego i dalej do krwi jest 1,25(OH)2D. Proces wchłaniania Pi w przewodzie pokarmowym i w cewkach nerkowych zachodzi za pośrednictwem kotransportera Na/Pi-IIa, zależnego nie tylko od witaminy D (17), ale także od wielu innych czynników hormonalnych (np. PTH, ANP, NO) i niehormonalnych, takich jak kinaza białek A, C, G, kinaza pozakomórkowa receptora ERK-1/2 (18, 19). Proces ten jest zależny również od trzech niedawno poznanych substancji fosfaturycznych tj. czynnika wzrostowego fibroblastów 23 (FGF23), białka FRP-4 (frizzled related protein) i MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein) oraz ulega zaburzeniom w razie defektu kotransportera Na/Pi IIa (20, 21, 22, 23).
Stężenie Pi w surowicy obniżają takie czynniki, jak alkaloza, glikemia w obecności insuliny, adrenalina i wstrząs septyczny, natomiast podwyższają je kwasice (20).
Wydalanie Pi przez nerki nasilają takie czynniki, jak PTH, NO, ANF, kwasice, tubulopatie, glikokortykoidy, kalcytonina, nadmierna podaż witaminy D lub aktywnych jej metabolitów, nadmierna podaż fosforanów w diecie, wzrost przestrzeni wodnej pozakomórkowej oraz fosfatoniny (FGF23, FRP4, MEPE, defekt genu NPT2); do czynników zmniejszających wydzielanie Pi przez nerki należą hormon wzrostu, insulina, czynnik wzrostowy insulinopodobny typu I i II (IGFI, IGFII), fizjologiczne dawki witaminy D oraz mała podaż Pi z pokarmami. Hiperkalcemia, hamując sekrecję PTH, nasila resorpcję Pi w cewkach nerkowych prowadząc do hipofosfaturii i hiperfosfatemii. Ta ostatnia wywiera efekt pobudzający na sekrecję PTH i hipokalcemię nasilającą nie tylko sekrecję PTH, ale i resorpcję Ca2+ w cewkach nerkowych i wchłanianie Ca2+ z przewodu pokarmowego – za pośrednictwem wzrostu sekrecji 1,25(OH)2D (20, 22, 24, 25).
Tak więc, hipofosfatemia może być spowodowana:
– niedostateczną podażą Pi,
– niedostatecznym wchłanianiem Pi z przewodu pokarmowego (wiązacze Pi – CaCO3, CaNO3, MgO, Al(OH)2, sewelamer, węglan lantanu), niedobór wit. D, zespół wadliwego wchłaniania lub trawienia,
– przemieszczeniem Pi z przestrzeni pozakomórkowej do śródkomórkowej (alkaloza, hiperalimentacja ubogo- lub bezfosforanowa, wstrząs toksyczny, hiperanabolizm pourazowy, przedawkowanie insuliny) lub
– nadmierną utratą Pi przez nerki (pierwotna nadczynność przytarczyc, wtórna nadczynność przytarczyc w zespołach wadliwego wchłaniania lub trawienia, hiperkortyzolizm, niedobór witaminy D, fosfatoniny, tubulopatie, hipomagnezemia u alkoholików).
Przedmiotem dalszej dyskusji będą jedynie zaburzenia gospodarki fosforanowej spowodowane utratą Pi przez nerki.
Fosfatoniny (opracowano na podstawie 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32).
Milowym krokiem w zakresie wyjaśnienia zaburzeń gospodarki fosforanowej było poznanie w ostatnich latach zaburzeń struktury i funkcji fosfatonin, w tym w szczególności czynnika wzrostowego fibroblastów FGF23 i jego enzymu rozkładającego ten hormon PHEX (phosphate regulating gene with homology to endopeptidase on the X chromosome), białka FRP4 (frizzled-related protein 4) białka MEPE należącego do rodziny białek macierzy pozakomórkowej oraz dziedzicznego defektu przebiegającego z krzywicą hipofosfatemiczną i hiperkalcjurią (24, 26).
Czynnik wzrostowy fibroblastów FGF23 jest białkiem złożonym z 251 aminokwasów o masie cząsteczkowej około 28 kDa, kodowanym przez gen zlokalizowany na chromosomie 12p13. FGF23 ulega inaktywacji pod wpływem endopeptydazy PHEX, która rozcina motyw 176RXXR179. Dotychczas zidentyfikowano ponad 160 mutacji inaktywujących PHEX u chorych z krzywicą hipofosfatemiczną związaną z chromosomem X (XLH - X-linked hypophosphatemic rickets). Ciekawa jest obserwacja, że największą ekspresję PHEX stwierdza się w komórkach kości (osteoblastach, osteocytach i odontoblastach), mniejszą natomiast w przytarczycach, płucach, mózgu i mięśniach szkieletowych. Wbrew oczekiwaniom w nerkach w ogóle nie stwierdzono obecności PHEX. Utrata enzymatycznej aktywności PHEX sprawia, że FGF23, nie ulegając inaktywacji, wykazuje znamienne działanie fosfaturyczne.
Transkrypty RNA FGF23 stwierdzono w wielu nowotworach, w sercu ludzkim, tarczycy, przytarczycach, jelicie i mięśniach szkieletowych, jednak największe ich stężenie stwierdza się w kościach w fazie ich aktywnej przebudowy. FGF23 typu „dzikiego” wydzielany jest pod postacią dwóch dużych polipeptydów – jednego o wielkości 32 kDa (jest to hormon właściwy po odcięciu sygnalnego peptydu, obejmujący aminokwasy w pozycjach 25-251) i drugiego o wielkości 12 kDa stanowiącego C-końcowy fragment obejmujący aminokwasy od pozycji 180-251. Zmutowane antygeny FGF23 typu 527 G→A, 535 C→T i 536 G→A są oporne na działanie PHEX i są przyczyną krzywicy hipofosfatemicznej dziedziczącej się dominująco genem autosomalnym (ADHR).
Przypuszcza się, że istnieje kilka izoform receptora FGF23 (określane skrótem FGF-23-R-1-4), które mogą być wynikiem alternatywnych szlaków splicingu. FGF23 wykazuje działanie fosfaturyczne, oddziałując supresyjnie na ekspresję kotransportera sodowo-fosforanowego typu IIa i IIc, nabłonka szczoteczkowatego kanalika proksymalnego. Oprócz działania fosfaturycznego FGF23 hamuje aktywność 1-alfa-hydroksylazy 25-OH-D, przez co zmniejsza syntezę 1,25(OH)2D3. U myszy pozbawionych genu Fgf23, oprócz hiperfosfatemii i wzrostu stężenia 1,25(OH)2D3 stwierdza się zanik grasicy, spadek stężenia triglicerydów i glukozy, natomiast wzrost cholesterolemii. Występowanie wymienionych aberacji biochemicznych może sugerować oddziaływanie FGF23 na wiele szlaków metabolicznych niekoniecznie związanych z gospodarką wapniowo-fosforanową. Kofaktorem FGF23, koniecznym dla jego oddziaływania na receptor, jest białko Klotho, opisane w części drugiej niniejszej pracy.
Białko FRP4 (frizzled related protein 4)
Gen kodujący FRP4 znajduje się na chromosomie 7p14,1. Jego produktem jest białko składające się z 346 aminokwasów. Pierwsze 21 aminokwasy stanowią peptyd sygnalny. Choć masa cząsteczkowa natywnego FRP4 wynosi około 40 kDa, to krążący we krwi hormon ma masę cząsteczkową 48 kDa, uwarunkowaną potranslacyjną glikozylacją. Hormon występuje prawie we wszystkich narządach, w tym również w kościach. Jego normalne stężenie we krwi wynosi 20-40 ng/ml. U chorych z osteomalacją indukowaną nowotworami stwierdza się znaczną ekspresję FRP4mRNA w tkance nowotworowej. Wykazano, że FRP4 zwiększa fosfaturię hamując resorpcję zwrotną fosforanów przez cewki nerkowe. Dotychczas nie wyjaśniono, czy i w jakim stopniu zmiany w gospodarce fosforanowej indukowane FRP4 spowodowane są działaniem auto- lub parakrynnym tego hormonem lub też hamowaniem szlaków sygnalizacyjnych Wnt. FRP4 wiążąc białka Wnt, mogą pośrednio wpływać na układ kostny.
Fosfoglikoproteina pozakomórkowa macierzy (MEPE)
Gen kodujący MEPE umiejscowiony jest na chromosomie 4q22.1. Jego produktem jest białko złożone z 525 aminokwasów. Znaczną ekspresję MEPEmRNA stwierdzono w nowotworach przebiegających z osteomalacją. Ponadto u człowieka dużą ekspresję MEPE stwierdza się w odontoblastach i osteocytach zmineralizowanej macierzy kostnej. MEPE zawiera motyw ASARM (acidic serine-aspartate-rich MEPE), złożony z 18 C-końcowych aminokwasów białka MEPE, a wykazujące działanie hamujące procesy zwapnienia w drogach moczowych i zapobiegające wytrącaniu się kryształków wapniowo-fosforanowych w przesyconych roztworach śliny. MEPE wykazuje działanie fosfaturyczne i hipofosfatemiczne. Wbrew oczekiwaniom, u człowieka podanie MEPE nie zmniejsza, lecz podwyższa stężenie 1,25(OH)2D3. Pomimo niepodlegającego wątpliwości wpływu MEPE na mineralizację kości, jego udział w ogólnoustrojowej regulacji gospodarki fosforowo-wapniowej u człowieka wymaga dalszych badań.
Stany chorobowe związane z nadczynnością fosfatonin
Prawidłowe stężenie FGF23 (całej cząsteczki zawierającej 251 aminokwasów) w surowicy wynosi średnio 30 pg/ml. Zwiększone stężenia FGF23 w surowicy stwierdza się m.in.:
– w hipofosfatemii sprzężonej z chromosomem X (26, 27),
– w krzywicy hipofosfatemicznej dziedziczącej się dominująco genem autosomalnym (ADHR) (24, 27),
– w osteomalacji indukowanej nowotworami (21, 27),
– w rodzinnej kalcynozie guzowatej (24),
– w przewlekłej niewydolności nerek (31),
– w dysplazji włóknistej (24),
– w dysplazji osteoglofonowej (24),
– u niektórych chorych z pierwotną nadczynnością przytarczyc (24) oraz
– w niedoczynności przytarczyc (32).
Hipofosfatemia sprzężona z chromosomem X (XLH) spowodowana jest mutacją inaktywującą genu PHEX kodującego endopeptydazę rozkładającą FGF23. Nie jest wykluczone, że u niektórych chorych z XLH mamy do czynienia nie z defektem enzymatycznym PHEX, lecz z nadprodukcją FGF23 lub też z mutacją aktywującą jednego z receptorów FGF23. U chorych z XLH stwierdza się oprócz objawów krzywicy (zniekształcenia i złamania kości, mały wzrost, bóle kostne, osteomalacja) hipofosfatemię, prawidłową kalcemię, prawidłowe lub nieadekwatnie małe stężenie 1,25(OH)2D3 (w warunkach fizjologicznych hipofosfatemia jest czynnikiem nasilającym syntezę 1,25(OH)2D3). Hipofosfatemia spowodowana jest upośledzoną resorpcją zwrotną fosforanów w cewkach proksymalnych, co prowadzi do hiperfosfaturii ze wszystkimi jej konsekwencjami (26, 27).
Krzywica hipofosfatemiczna dziedzicząca się dominująco genem autosomalnym (ADHR) spowodowana jest mutacją genu kodującego FGF23. Mutacja ta polega na zamianie argininy w pozycji 176 lub 179 na glutaminę. W następstwie tego narasta stężenie zmienionej postaci FGF23 we krwi manifestując się klinicznie hiperfosfaturią z następową hipofosfatemią i osteomalacją. Stężenie 1,25(OH)2D3 w surowicy jest prawidłowe lub nieadekwatnie niskie (24).
Osteomalacja indukowana nowotworami (OH) może być spowodowana nadprodukcją FGF23, białka FRP4 lub MEPE przez nowotwory pochodzenia mezenchymalnego. W obrazie klinicznym mogą dominować objawy choroby nowotworowej, osteomalacji i osłabienie mięśni. Stężenia ww. fosfatonin we krwi mogą być bardzo wysokie. Oprócz hipofosfatemii i hiperfosfaturii stwierdza się prawidłowe stężenie 1,25(OH)2D3 we krwi (21, 27).
Rodzinna kalcynoza guzowata (6) charakteryzuje się występowaniem zaburzeń uzębienia, oraz ektopowych zwapnień tkanek miękkich, tkanek okołostawowych i naczyń krwionośnych. Ponadto choroba charakteryzuje się zwiększoną resorpcją zwrotną fosforanów przez cewki nerkowe, hiperfosfatemią, prawidłowym lub podwyższonym stężeniem 1,25(OH)2D3 oraz najczęściej prawidłową kalcemią i prawidłowym stężeniem PTH w surowicy krwi. Stężenie FGF23 jest znacznie podwyższone (30x), co być może spowodowane jest hiperfosfatemią. Do niedawna uważano, że rodzinna kalcynoza guzowata spowodowana jest zaburzeniem procesu glikozylacji w aparacie Golgiego (uwarunkowanym mutacją genu GALNT3). Ostatnio wykazano, że ten zespół charakteryzuje się mutacją homozygotyczną genu Fgf23, charakteryzującą się zamianą seryny na glicynę w pozycji 71 (S71G) lub seryny na fenyloalaninę w pozycji 129 (S129F). U takich chorych stężenie „całych” cząsteczek FGF23 jest prawidłowe, natomiast fragmentów C-końcowych znacznie podwyższone. Te zmiany składu aminokwasowego FGF23 mogą być przyczyną nieprawidłowego ufałdowania i/lub zaburzonej glikozylacji FGF23, powodujących zwiększoną biodegradację proteolityczną hormonu i zwiększenia syntezy FGF 23 de novo (uwarunkowanego małym stężeniem „całych” cząsteczek FGF23).
U chorych z przewlekłymi chorobami nerek i zmniejszonym GFR (dializowanych lub niedializowanych) stężenie FGF23 jest wyraźnie podwyższone. Uważa się, że wzrost ten jest wyrazem uruchomienia mechanizmów kompensacyjnych ułatwiających wydalanie fosforanów z moczem przez resztkowe nefrony. Udowodniono, że normalizacja fosfatemii w niewydolności nerek obniża nie tylko stężenie PTH, ale również FGF23 (28, 31).
Dysplazja włóknista spowodowana jest aktywującą mutacją genu GNAS1, kodującego podjednostkę alfa białka Gs. U niektórych chorych z tą chorobą stwierdza się hipofosfatemię, zwiększoną fosfaturię oraz objawy osteomalacji oraz zwiększoną ekspresję FGF23 mRNA w chorobowo zmienionej tkance kostnej. Przyczyna choroby i rola FGF23 w jej patogenezie są nieznane. Ciekawa jest obserwacja, że podawanie bisfosfonianów może być przyczyną poprawy stanu klinicznego (6).
Dysplazja osteoglofonowa spowodowana jest mutacją aktywującą genu kodującego receptory FGFR1-3. Choroba manifestuje się kraniodysostozą, małym wzrostem, zapadniętym grzbietem nosa i nadmiernie zaznaczonymi wybrzuszeniami łuków nadbrwiowych. U niektórych chorych stwierdza się objawy nadmiernej utraty fosforanów z moczem, hipofosfatemią oraz nieadekwatnie małe stężenie 1,25(OH)2D oraz wzrost stężenia FGF23 w surowicy (24).
Nadczynność przytarczyc. W pierwotnej nadczynności przytarczyc stężenie FGF23 w surowicy jest prawidłowe, jeżeli GFR nie odbiega od normy. Tylko u chorych z niewydolnością wydalniczą nerek stwierdza się wzrost stężenia FGF23 wykazujący dodatnią korelację z iloczynem CaxPi (24).
Niedoczynność przytarczyc. U chorych z niedoczynnością przytarczyc stężenie FGF23 w surowicy krwi jest podwyższone. Jest to prawdopodobnie wyrazem uruchomienia mechanizmów wyrównawczych sprzyjających wydalaniu nadmiaru fosforanów z ustroju. Ponieważ u tych chorych prawie nigdy nie dochodzi do normalizacji fosfatemii, sądzi się, że dla utrzymania prawidłowego stężenia fosforanów we krwi potrzebna jest u nich obecność PTH. Ta obserwacja może sugerować występowanie fizjologicznego powiązania sekrecji FGF 23 z sekrecją PTH (24, 32).
Zaburzenia związane z nieprawidłowościami receptora wapniowego Ca-SR, białka Klotho i fetuiny A omówiono w części drugiej niniejszej pracy.
Piśmiennictwo
1. Fugawa M., i wsp.: Basic and clinical aspects of parathyroid hyperplasia in chronic kidney disease. Kidney Intern. 2006, 70, supl. 102, 53-57.
2. Martin K.J., i wsp.: Parathyroid hormone: new assays, new receptors. Seminars in Nephrology 2004; 24: 3-9.
3. Marx S.J.: Hyperparathyroid and hypoparathyroid disorders. N. Engl. J. Med. 2000; 343: 1863-1875.
4. Murray T.M., i wsp.: Parathyroid hormone secretion and action: Evidence for discrete receptors for the carboxyl-terminal region and related biological actions of carboxyl-terminal ligands. Endocrine Reviews 2005; 26: 78-113.
5. Kokot F.: Oznaczanie „całej” cząsteczki parathormonu (PTH-1-84) w surowicy krwi – aspekty diagnostyczne i lecznicze. Pol. Arch. Med. Wewn., 2002; 107: 321-323.
6. Torres P.U.: The need for reliable serum parathyroid hormone measurements. Kidney Int. 2006; 70: 240-243.
7. Mensenkamp A.R., i wsp.: Recent advances in renal tubular calcium reabsorption. Curr. Opin. Nephrol. Hypertens., 2006; 15: 524-529.
8. Potts JT: Parathyroid hormone: past and present. J Endocrinol., 2005; 187: 311-325.
9. Massfelder T., Helwig J.J.: The parathyroid hormone – related protein system: more data but more unsolved questions. Curr. Opin. Nephrol. Hypertens., 2003; 12: 35-42.
10. Shattuck T.M., i wsp.: Somatic and germlike mutations of the HRPT2 gene in sporadic parathyroid carcinoma. N. Engl. J. Med., 2003; 349: 1722-1729.
11. Kokot F., Franek E.: Choroby przytarczyc. W: Szczeklik A(red): Choroby wewnętrzne. Medycyna Praktyczna, Kraków, 2006.
12. Bastepe M., i wsp.: A form of Jansen´s metaphyseal chondrodysplasia with limited metabolic and skeletal abnormalities is caused by a novel activating parathyroid hormone (PTH)/PTH-related peptide receptor mutation. J. Clin. Endocrinol. Metab., 2004; 89: 3595-3600.
13. Nagpal S., i wsp.: Noncalcaemic actions of vitamin D receptor ligands. Endocrine Rev., 2005, 26, 662-687.
14. Susso A.S., i wsp.: Vitamin D. Am. J. Physiol. Renal. Physiol., 2005; 289: 8-28.
15. Reis A.F., i wsp.: Vitamin D endocrine system and the genetic susceptibility to diabetes, obesity and vascular disease. A review of evidence. Diabetes Metab., 2005; 31: 318-25.
16. Gardiner E.M., i wsp.: Vitamin D receptor B1 and exon 1d: functional and evolutionary analysis. J. Steroid. Biochem. Mol. Biol., 2004; 89: 233-238.
17. Friedlaender M.M., i wsp.: Vitamin D reduces renal NaPi2 in PTH infused rats: complexity of vitamin D action on renal Pi handling. Am. J. Physiol. Renal. Physiol., 2001, 281, F428-F433.
18. Amanzadeh J., Reilly R.F. jr.: Hypophosphatemia: an evidence – based approach to its clinical consequences and management. Nature Clin. Pract. Nephrol., 2006; 2: 136-148.
19. Bacic D., i wsp.: Novel aspects in regulated expression of the renal type IIa Na/Pi-cotransporter. Kidney Int. 2004; 66 (suppl. 91): S5-S12.
20. Kokot F., i wsp.: Hipofosfatemia – aspekty patofizjologiczne i diagnostyczne. Medycyna Praktyczna 2005; 11-12: 245-248.
21. Kumar R.: New insights into phosphate homeostasis: fibroblast growth factor 23 and frizzled-related protein-4 are phosphaturic factor derived from tumors associated with osteomalacia. Curr. Opin. Nephrol. Hypertens., 2002; 11: 547-553.
22. Kronenberg H.M.: NPT2a – the key to phosphate homeostasis. N. Engl. J. Med., 2002; 342: 1022-1024.
23. Schiavi S.C., Kumar R.: The phosphatonin pathway: new insights in phosphate homeostasis. Kidney Intern., 2004; 65: 1-14.
24. White K.E., i wsp.: The roles of specific genes implicated as circulating factors involved in normal and disordered phosphate homeostasis: frizzled related protein-4, matrix extracellular phosphoglycoprotein and fibroblat growth factor 23. Endocrine Reviews 2006; 27: 221-241.
25. Kokot F., Franek E.: Zaburzenia gospodarki wapniowo-fosforanowej. W: Szczeklik A(red): Choroby wewnętrzne. Medycyna Praktyczna, Kraków, 2006.
26. Christie P.T., i wsp.: X-linked hypophosphatemia attributable to pseudoexons of the PHEX gene. J. Clin. Endocrinol. Metab., 2001; 86: 3840-3844.
27. Jonsson K.B., i wsp.: Fibroblast growth factor 23 in oncogenic osteomalacia and X-linked hypophosphatemia. N. Engl. J. Med., 2003; 348: 1656-1663.
28. Nagano N., i wsp.: Effect of manipulating serum phosphorus with phosphate binder on circulating PTH and FGF23 in renal failure rats. Kidney Intern. 2006; 69: 531-537.
29. Schiavi S.C.: Fibroblast growth factor 23: the making of a hormone. Kidney Intern., 2006; 69: 425-427.
30. Silve C., Beck L.: Is FGF23 the long sought after phosphaturic factor phosphatonin? Nephrol. Dial. Transplant., 2002; 17: 958-961.
31. Shigematsu T., i wsp.: Possible involvement of circulating fibroblast growth factor 23 in the development of secondary hyperprathyroidism associated with renal insufficiency. Am. J. Kidney Dis., 2004; 44: 250-6.
32. Gupta A., i wsp.: FGF-23 is elevated by chronic hyperphosphatemia. J. Clin. Endocrinol. Metab., 2004; 89: 4489-4492.
otrzymano: 2007-01-24
zaakceptowano do druku: 2007-04-02

Adres do korespondencji:
*Edward Franek
Klinika Chorób Wewnętrznych, Endokrynologii i Diabetologii CSK MSWiA
ul. Wołoska 137, 02-507 Warszawa
tel. (0-22) 508-14-05, fax (0-22) 508-14-00
e-mail: edward.franek@cskmswia.pl

Postępy Nauk Medycznych 5/2007
Strona internetowa czasopisma Postępy Nauk Medycznych