한국인에서 MATE1과 MATE2-K Promoter 변이 유전자 발굴 및 기능 검색

Abstract

간과 신장은 약물과 다른 생체 이물들을 체외로 배출시키는데 중요한 역할을 한다. 사람의 MATE1 수송체는 간세포의 모세담즙관막에 발현되어 있으면서 OCT1과 함께 많은 양이온계 약물과 기질물질들을 담즙을 통해 배설시킨다. 또한 MATE1은 신장의 근위세뇨관 꼭지면세포막에 주로 발현되어 있으면서 기저측면막 수송체인 OCT2와 함께 유기 양이온계 물질들을 배출시킨다. 선행연구를 통해 metformin, cimetidine, procainamide 등과 같은 다양한 약물들이 MATE1에 의해 수송됨이 알려졌다. 또한 몇몇 연구그룹에 의해 MATE1의 유전자 변이 및 그 기능이 밝혀졌으며, 특히 promoter 부위에서는 g.-66T>G, g.-32G>A와 같은 두 개의 SNP이 MATE1의 전사활성에 영향을 주는 기능성 변이로 알려졌다. MATE2에는 지금까지 두 가지 아형이 알려져 있는데, 그 중 하나인 MATE2-K는 신장에만 발현되어 있는 수송체이다. MATE2-K는 MATE1과 마찬가지로 많은 양이온계 약물들을 포함한, 구조적으로 다양한 화합물들을 수송한다. 최근 다양한 인종으로 구성된 DNA 시료를 이용한 유전자 변이 분석 결과, 4개의 nonsynonymous 변이와 4개의 promoter 근위부위 변이가 알려졌고 각 변이의 기능이 밝혀진 바 있다. 그 중 특히 g.-130G>A를 포함하는 promoter 일배체형은 luciferase 활성을 유의하게 증가시키며 이 변이의 동형접합체를 가지는 당뇨병 환자들에서 metformin 약물 반응이 유의하게 저하됨이 보고되었다. Metformin은 제 2형 당뇨병 치료에서 가장 널리 처방되는 약물이지만 이 약물의 약동학 및 효능은 환자 개인간에 따라 매우 다양한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 한국인에서 MATE1 및 MATE2-K promoter의 유전자 변이를 발굴하고 각 변이 유전자의 기능을 검색하고자 하였다. 48명의 건강한 한국인들로부터 DNA 시료를 얻어 MATE1 및 MATE2-K promoter의 유전자 변이를 분석하였고 luciferase 활성 측정 및 젤 지연 분석법을 통해 주요 일배체형의 기능을 확인하였으며, MATE1 또는 MATE2-K 유전형과 metformin 약동학 간의 상관성을 분석하였다. MATE1 promoter에서는 5개의 유전자 변이를 발굴하였고 그 중 2개가 다형성임을 확인하였다. 또한 MATE2-K promoter 에서는 9개의 유전자 변이를 발굴하였고 그 중 7개가 다형성임을 확인했다. MATE1의 다형성 변이 중 하나인 g.-1975C>A가 reference에 비해 72% 정도 증가된 reporter 활성을 나타냈으며, 젤 지연 분석법 결과, 이 변이 유전자는 Nkx-2.5, SREBP-1, USF와 같은 전사인자와 MATE1 promoter 간의 결합력에 영향을 준다는 것이 밝혀졌다. MATE2-K의 경우 기능성 변이라고 알려진 g.-130G>A를 포함하는 일배체형1과 g.-609G>A와 g.-396G>A와 같은 두 개의 SNP을 포함하는 일배체형2가 유의한 reporter 활성 증가를 보였다. 또한 건강한 한국인들을 대상으로 한 MATE 유전형-metformin 약동학 간의 상관성 분석 결과 MATE1 g.-1975AA를 가지는 2명의 피험자군과 MATE2-K promoter 일배체형1 또는 2의 동형접합체를 가지는 12명의 피험자군에서 대조군에 비해 metformin의 신장 청소능과 분비능이 유의하게 증가한 것을 확인하였다. 본 연구에서는 MATE1 및 MATE2-K promoter의 변이 유전자가 각 유전자의 전사 활성을 변화시키고, 한국인에서의 metformin 약동학에 유의한 영향을 준다는 것을 밝혔다. ;The liver and kidney are the major organs responsible for the elimination of drugs and other xenobiotics from the body. Human multidrug and toxin extrusion member 1 (MATE1), is present on the canalicular membrane of the hepatocyte and appears to work in concert with organic cation transporter 1 (OCT1) to mediate the biliary excretion of many cationic drugs and their metabolites. In the kidney, MATE1 is highly expressed on the apical membrane of the proximal tubule and may work with the basolateral membrane transporter, OCT2 in the renal secretion of organic cations. Previous studies have demonstrated that various drugs including metformin, cimetidine, and procainamide are substrates of MATE1. Genetic variants in the promoter and exon regions of MATE1 have been previously identified by several groups. In the promoter region, two SNPs, g.-66T>G, and g.-32G>A are known as the functional variants changing transcriptional activity of MATE1. Two isoforms of MATE2 have been identified, one of which, MATE2-K, has been characterized as a membrane transporter in the kidney. MATE2-K, like MATE1, appears to transport an array of structurally distinct compounds including many cationic drugs. Recently through screening samples from large ethnically diverse populations, four nonsynonymous variants and four variants in the MATE2-K basal promoter region have been identified and functionally characterized. Among them, the promoter haplotypes containing g.-130G>A show a significant increase in luciferase activities and patients with diabetics who are homozygous for g.-130A have a significantly poorer response to metformin, assessed as relative change in glycated hemoglobin (HbA1c). Metformin is the most commonly prescribed drug for the treatment of type 2 diabetes. It was known that the pharmacokinetics or efficacy of metformin vary considerably from patient to patient. The goal of this study was to identify and functionally characterize novel genetic variations of MATE1 and MATE2-K in Koreans. We screened DNA samples from 48 healthy Korean subjects for variants in the promoter regions of MATE1 or MATE2-K and investigated the function of common haplotypes through in vitro luciferase assays and gel shift assays. Then the association between MATE1 or MATE2-K genotypes and metformin pharmacokinetics was evaluated. There were five variants in the MATE1 and nine variants in the MATE2-K promoter region (≈ -2 kb from the translation start site). Two of the MATE1 and seven of the MATE2-K variants were polymorphic. In the case of MATE1, one polymorphic variant, g.-1975C>A showed a significantly increased reporter activity by 72% compared to the reference. In gel shift assays, g.-1975C>A exhibited differences in binding affinity to transcription factors, Nkx-2.5, SREBP-1, and USF, compared to the reference. MATE2-K promoter haplotype 1 containing a known functional polymorphism, g.-130G>A and haplotype 2 containing two polymorphisms, g.-609G>A, and g.-396G>A showed a significant increase in reporter activities. Among 45 healthy Koreans participated in metformin pharmacokinetic study, 2 subjects who are homozygous for g.-1975A and 12 subjects who are homozygous for MATE2-K promoter haplotype 1 or 2 showed a significantly increase in renal clearance and secretion clearance of metformin, compared to the reference group. Our studies revealed that the common promoter variants of MATE1 and MATE2-K result in changes in transcriptional activity of these genes and these variants are associated with pharmacokinetics of metformin in Koreans.