Common and rare variants of the renin-angiotensin system and their relation to antihypertensive drug responses

Most of the diseases affecting public health, like hypertension, are multifactorial by etiology. Hypertension is influenced by genetic, life style and environmental factors. Estimation of the influence of genes to the risk of essential hypertension varies from 30 to 50%. It is plausible that in most of the cases susceptibility to hypertension is determined by the action of more than one gene. Although the exact molecular mechanism underlying essential hypertension remains obscure, several monogenic forms of hypertension have been identified. Since common genetic variations may predict, not only to susceptibility to hypertension, but also response to antihypertensive drug therapy, pharmacogenetic approaches may provide useful markers in finding relations between candidate genes and phenotypes of hypertension. The aim of this study was to identify genetic mutations and polymorphisms contributing to human hypertension, and examine their relationships to intermediate phenotypes of hypertension, such as blood pressure (BP) responses to antihypertensive drugs or biochemical laboratory values. Two groups of patients were investigated in the present study. The first group was collected from the database of patients investigated in the Hypertension Outpatient Ward, Helsinki University Central Hospital, and consisted of 399 subjects considered to have essential hypertension. Frequncies of the mutant or variant alleles were compared with those in two reference groups, healthy blood donors (n = 301) and normotensive males (n = 175). The second group of subjects with hypertension was collected prospectively. The study subjects (n=313) underwent a protocol lasting eight months, including four one-month drug treatment periods with antihypertensive medications (thiazide diuretic, β-blocker, calcium channel antagonist, and an angiotensin II receptor antagonist). BP responses and laboratory values were related to polymorphims of several candidate genes of the renin-angiotensin system (RAS). In addition, two patients with typical features of Liddle’s syndrome were screened for mutations in kidney epithelial sodium channel (ENaC) subunits. Two novel mutations causing Liddle’s syndrome were identified. The first mutation identified located in the beta-subunit of ENaC and the second mutation found located in the gamma-subunit, constituting the first identified Liddle mutation locating in the extracellular domain. This mutation showed 2-fold increase in channel activity in vitro. Three gene variants, of which two are novel, were identified in ENaC subunits. The prevalence of the variants was three times higher in hypertensive patients (9%) than in reference groups (3%). The variant carriers had increased daily urinary potassium excretion rate in relation to their renin levels compared with controls suggesting increased ENaC activity, although in vitro they did not show increased channel activity. Of the common polymorphisms of the RAS studied, angiotensin II receptor type I (AGTR1) 1166 A/C polymorphism was associated with modest changes in RAS activity. Thus, patients homozygous for the C allele tended to have increased aldosterone and decreased renin levels. In vitro functional studies using transfected HEK293 cells provided additional evidence that the AGTR1 1166 C allele may be associated with increased expression of the AGTR1. Common polymorphisms of the alpha-adducin and the RAS genes did not significantly predict BP responses to one-month monotherapies with hydroclorothiazide, bisoprolol, amlodipin, or losartan. In conclusion, two novel mutations of ENaC subunits causing Liddle’s syndrome were identified. In addition, three common ENaC polymorphisms were shown to be associated with occurrence of essential hypertension, but their exact functional and clinical consequences remain to be explored. The AGTR1 1166 C allele may modify the endocrine phenotype of hypertensive patients, when present in homozygous form. Certain widely studied polymorphisms of the ACE, angiotensinogen, AGTR1 and alpha-adducin genes did not significantly affect responses to a thiazide, β-blocker, calcium channel antagonist, and angiotensin II receptor antagonist.Essentielli verenpainetauti syntyy elämäntapojen, ympäristön ja geenien yhteisvaikutuksesta. Arviot perimän vaikutuksesta ihmisen verenpainetaudin riskiin vaihtelevat 20:stä 50%:iin. Alttius kohonneeseen verenpaineeseen määräytyy pääsääntöisesti useamman kuin yhden geenin vaikutuksesta. Ehdokasgeenejä ovat erityisesti reniini-angiotensiini-aldosteronijärjestelmää (RAA) säätelevät geenit, munuaisten suolaneritystä säätelevät geenit sekä syketasoon ja verisuonten tonukseen vaikuttavat geenit. Vaikka essentiellin verenpainetaudin taustalla olevat geenit ovat pääosin selvittämättä, tunnetaan jo muutamia yksigeenisesti periytyviä harvinaisia verenpainesairauksia, joiden löytyminen on tuonut uusia näkemyksiä verenpaineen säätelyn molekyylitason tietämykselle. Esimerkkinä yksigeenisesti periytyvästä verenpainetautimuodosta on Liddlen tauti, jossa mutaatio munuaisten epiteliaalisen natriumkanavan (ENaC) beta- tai gamma-alayksikköä koodaavissa geeneissä johtaa kanavan yliaktiiviseen toimintaan ja kiihtyneeseen natriumin imeytymiseen munuaisissa, jolloin lopputuloksena on verenpaineen nousu. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää verenpainetaudille altistavia geenimutaatioita ja polymorfioita ja selvittää, onko geneettisellä vaihtelulla merkitystä yksilön ilmiasuun, kuten biokemiallisiin laboratoriotuloksiin tai verenpainelääkkeiden tehoon, yksilöllisten erojen taustalla. Väitöskirjani rakentuu neljästä osatyöstä. Tutkimuksessani on mukana kaksi verenpainepotilaiden aineistoa, joista ensimmäinen aineisto koostuu 347 vaikeahoitoista essentielliä verenpainetautia sairastavasta potilaasta ja toinen 313 prospektiivisesti kerätystä 8 kuukauden mittaisen tutkimusprotokollan läpikäyneestä miehestä. Lisäksi mukana on kaksi suomalaista hoitoresistenttiä verenpainetautia sairastavaa potilasta, joilla oli tyypilliset Liddlen taudin kliiniset piirteet. Potilaille tehtiin varsin kattavat biokemialliset tutkimukset hypertension syiden selvittämiseksi sekä tutkittiin verenpainevasteita, joiden perusteella potilaat luokiteltiin erilaisiin fenotyyppeihin. Molekyyligeneettisissä tutkimuksissa kartoitettiin ENaC-mutaatioita ja -geenivariaatioita sekä RAA-järjestelmään liittyviä tunnettuja polymorfioita. Geenimuutoksia verrattiin fenotyyppisiin ominaisuuksiin. Vertailuaineistona käytettiin normaali-matalapaineisten miesten (n=175) ja SPR:n terveiden verenluovuttajien aineistoa (n=315). Tutkimuksessa löydettiin kaksi uutta Liddlen tautia aiheuttavaa mutaatiota ENaC:n beta- ja gamma-alayksiköissä. Lisäksi ENaC:ssä löydettiin 3 erilaista geenivarianttia, joita esiintyi kolme kertaa yleisemmin verenpainepotilailla kuin verenpainetta sairastamattomilla henkilöillä. Varianttigeenin kantajilla oli lisäksi korkeampi virtsan kaliumin eritys suhteessa reniiniarvoihin kuin ei-kantajilla. RAA-järjestelmän tunnetut polymorfismit eivät ennustaneet verenpainevastetta neljälle tunnetulle verenpainelääkkeelle (betasalpaaja, kalkkisalpaaja, diureetti ja sartaani). Sen sijaan tyypin I angiotensiinireseptorigeenin (AGTR1 1166A/C) C-alleelin esiintyminen homotsygoottimuodossa liittyi hypertoniaan, jolle oli tyypillistä korkeammat plasman aldosteroni- ja matalammat reniinitasot. Tämä saattaa selittyä AGTR1:n korkeammalla lähetti-RNA:n lisääntymisellä ja angiotensiini II:n tehostuneella vaikutuksella CC-homotsygooteilla. Tutkimus tuo uutta tietoa meillä aiemmin molekyylitasolla diagnosoimattomasta monogeenisestä verenpainetaudin muodosta. Tutkimus antaa myös viitteitä siitä, että tietyt fenotyyppiset ominaisuudet voivat antaa aihetta etsiä geneettisellä mekanismilla johtuvaa verenpaineen nousua. Toisaalta alustavat tulokset viittaavat myös siihen, että tietyt kliiniset tai farmakologiset verenpainevasteet voivat olla ennusteellisia arvioitaessa yksilön antihypertensiivisen lääkehoidon vastetta, joskaan RAA-järjestelmän tunnetut polymorfismit eivät ennustaneet lääkevastetta neljälle tavallisille verenpainelääkkeelle