Genotyp-Phänotyp-Korrelation von PKLR-Varianten mit Aktivitäten von Pyruvatkinase, 2,3-Diphosphglycerat und Adenosintriphosphat in roten Blutkörperchen von Menschen mit Sichelzellanämie

Die Polymerisation von Desoxy-Sichel-Hämoglobin (Desoxy-HbS), der eigentlichen Ursache der Sichelzellkrankheit (SCD), wird von einigen Faktoren beeinflusst, ein Schlüsselfaktor ist die Konzentration von 2,3-Diphosphoglycerat (2,3-DPG) im roten Bereich Blutzellen. 2,3-DPG ist ein allosterischer Effektor auf die Hämoglobin-Sauerstoffbindung mit einer größeren Bindungsaffinität zu desoxygeniertem Hämoglobin als zu oxygeniertem Hämoglobin, wodurch die Polymerisation von Desoxy-HbS begünstigt wird. Darüber hinaus senkt eine erhöhte 2,3-DPG-Konzentration den intrazellulären pH-Wert in roten Blutkörperchen, was die HbS-Polymerisation weiter fördert.

2,3-DPG ist ein Zwischensubstrat im glykolytischen Weg, der einzigen Quelle der ATP-Produktion in roten Blutkörperchen. Pyruvatkinase (PK) ist ein Schlüsselenzym im letzten Schritt der Glykolyse; PK wandelt Phosphoenolpyruvat (PEP) in Pyruvat um und erzeugt 50 % des gesamten Adenosintriphosphats (ATP) der roten Blutkörperchen, das für die Aufrechterhaltung der Integrität der Membran der roten Blutkörperchen unerlässlich ist. Tatsächlich führt ein PK-Mangel (PKD), der durch Mutationen im PKLR-Gen verursacht wird, das für die PK der roten Blutkörperchen kodiert, zu einer chronischen hämolytischen Anämie. Eine verringerte PK-Aktivität führt zu einer Akkumulation der vorgeschalteten Enzymsubstrate, einschließlich 2,3-DPG. Während eine erhöhte 2,3-DPG-Konzentration und eine Verringerung der Hämoglobin-Sauerstoffaffinität bei einer durch PKD verursachten Anämie vorteilhaft sind, können erhöhte 2,3-DPG-Spiegel in Kombination mit einem verringerten intrazellulären pH-Wert der roten Blutkörperchen in Gegenwart von HbS schädlich sein, da es Desoxy- HbS-Polymerisation und dadurch intravasale Sichelbildung. Tatsächlich wurde bereits in zwei Fällen über die Kombination von PK-Mangel und Sichelzellen-Merkmal berichtet, die ein akutes Sichelzell-Syndrom verursacht.

PKLR-Mutationen sind jedoch selten, aber intraerythrozytäre PK-Enzymspiegel bilden ein Spektrum, das darauf hindeutet, dass PKLR wahrscheinlich ein quantitatives Merkmalsgen ist. Eine genetische Diversität in PKLR mit einer Reihe von SNPs, einschließlich mehrerer Varianten mit Funktionsverlust, wurde in Malaria-endemischen Populationen beschrieben, von denen einige mit einer signifikanten Verringerung der Malariaattacken durch Plasmodium falciparum in Verbindung gebracht wurden. Diese Beobachtungen legen nahe, dass Malaria, ähnlich wie HbS, zu einer positiven Selektion von PKLR-Varianten in denselben geografischen Regionen geführt hat.

Diese Studie versucht, die genetische PKLR-Diversität in unserer Sichelzellkohorte zu bestimmen und zu bestimmen, ob PKLR-Varianten die PK-Spiegel und Aktivitäten von 2,3-DPG und ATP, Schlüsselakteure in der Sichelzellpathologie, verändern. Wenn dies der Fall ist, könnte PKLR eine weitere genetische Determinante für den Schweregrad und den Phänotyp von SCD sein; und eine zunehmende PK-R-Aktivität, die zu einer Abnahme der intrazellulären 2,3-DPG-Konzentration führt, stellt ein attraktives therapeutisches Ziel für SCD dar.

Es wurden mehrere Ansätze in Betracht gezogen, um auf die Polymerisation von Desoxy-HbS, der Hauptursache von SCD, abzuzielen. Zusätzlich zu Mitteln, die fötales Hämoglobin induzieren, können andere Mittel, die auf die HbS-Polymerisation abzielen, indem sie die Affinität von Hämoglobin zu Sauerstoff erhöhen (z. GBT440), befinden sich in klinischen Studien (NCT03036813; NCT02850406). Die Ergebnisse dieser Studie könnten die Grundlage für eine klinische Studie mit AG348 bilden, einem allosterischen Aktivator der PK, der sich bereits in klinischen Phase-2/3-Studien für PK-Mangel (NCT02476916) befindet, zur Behandlung von akutem Sichelzellschmerz.