Molecular patterns behind immunological and metabolic alterations in lysinuric protein intolerance

Abstract

Lysinuric protein intolerance (LPI) is a recessively inherited disorder characterised by reduced plasma and increased urinary levels of cationic amino acids (CAAs), protein malnutrition, growth failure and hyperlipidemia. Some patients develop severe immunological, renal and pulmonary complications. All Finnish patients share the same LPIFin mutation in the SLC7A7 gene that encodes CAA transporter y+LAT1.

The aim of this study was to examine molecular factors contributing to the various symptoms, systemic metabolic and lipid profiles, and innate immune responses in LPI. The transcriptomes, metabolomes and lipidomes were analysed in whole-blood cells and plasma using RNA microarrays and gas or liquid chromatography-mass spectrometry techniques, respectively. Toll-like receptor (TLR) signalling in monocyte-derived macrophages exposed to pathogens was scrutinised using qRT-PCR and the Luminex technology.

Altered levels of transcripts participating in amino acid transport, immune responses, apoptosis and pathways of hepatic and renal metabolism were identified in the LPI whole-blood cells. The patients had increased non-essential amino acid, triacylglycerol and fatty acid levels, and decreased plasma levels of phosphatidylcholines and practically all essential amino acids. In addition, elevated plasma levels of eight metabolites, long-chain triacylglycerols, two chemoattractant chemokines and nitric oxide correlated with the reduced glomerular function in the patients with kidney disease. Accordingly, it can be hypothesised that the patients have increased autophagy, inflammation, oxidative stress and apoptosis, leading to hepatic steatosis, uremic toxicity and altered intestinal microbe metabolism. Furthermore, the LPI macrophages showed disruption in the TLR2/1, TLR4 and TLR9 pathways, suggesting innate immune dysfunctions with an excessive response to bacterial infections but a deficient viral DNA response.

Lysinuurinen proteiini-intoleranssi (LPI) on peittyvästi periytyvä sairaus, jossa kationisten aminohappojen pitoisuudet ovat plasmassa matalat ja virtsassa korkeat ja potilailla esiintyy proteiinialiravitsemusta, kasvuhäiriöitä ja hyperlipidemiaa. Joillekin potilaille kehittyy lisäksi immunologisia sekä munuais- ja keuhkotoimintojen komplikaatioita. Kaikilla suomalaispotilailla on sama LPIFin-mutaatio SLC7A7-geenissä, joka koodaa kationisten aminohappojen kuljetinta y+LAT1:tä.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää molekulaaristen tekijöiden vaikutusta taudin moninaisiin oireisiin, systeemisiä metabolia- ja lipiditason muutoksia sekä synnynnäisen immuniteetin vasteita LPI-potilailla. Kokoveren soluista ja plasmasta analysoitiin RNA-mikrosiruja ja kaasu- tai nestekromatografia-massaspektrometriatekniikoita käyttämällä transkriptomit, metabolomit ja lipidomit. Tollinkaltaisten reseptorien (TLR) signalointia tarkasteltiin monosyyteistä erilaistetuissa patogeeneille altistuneissa makrofageissa käyttämällä qRT-PCR:ää ja Luminex-teknologiaa.

Kokoveren soluista löydettiin aminohappokuljetukseen, immuunivasteisiin, apoptoosiin sekä maksa- ja munuaismetaboliareitteihin liittyviä transkripteja, joiden tasot olivat muuttuneet potilailla. Potilaiden ei-välttämättömien aminohappojen, triasyyliglyserolien ja rasvahappojen plasmapitoisuudet olivat kohonneet, kun taas fosfatidyylikoliinien ja lähes kaikkien välttämättömien aminohappojen pitoisuudet olivat alentuneet. Kahdeksan metaboliitin, pitkäketjuisten triasyyliglyserolien, kahden kemoatraktantin kemokiinin ja typpioksidin kohonneet plasmapitoisuudet korreloivat heikentyneen glomerulustoiminnan kanssa munuaistautia sairastavilla potilailla. Tulosten perusteella näyttää siltä, että LPI-potilailla on lisääntynyt autofagia, tulehdustila, oksidatiivinen stressi ja apoptoosi, jotka voivat johtaa maksan steatoosiin, toksisten aineiden kerääntymiseen veressä ja muuttuneeseen suolistomikrobien metaboliaan. Lisäksi LPI-makrofagien TLR2/1-, TLR4- ja TLR9-signaalivälitysreiteissä havaittiin muutoksia, jotka saattavat aiheuttaa synnynnäisen immuniteetin toimintahäiriöitä ja liiallisen vasteen bakteeri-infektioille mutta heikentyneen vasteen virus-DNA:lle.