K lotho基因與骨質(zhì)疏松關系研究進展

鄧小琴，楊秋晨，唐 蕓綜述，馬厚勛審校

（重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院老年病科，重慶400016）

K lotho基因與骨質(zhì)疏松關系研究進展

鄧小琴，楊秋晨，唐 蕓綜述，馬厚勛審校

（重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院老年病科，重慶400016）

基因； 骨質(zhì)疏松； 多態(tài)性，遺傳； 磷/代謝； 綜述

骨質(zhì)疏松癥是隨年齡增長出現(xiàn)的一種病理生理現(xiàn)象。目前，全世界約有2億人患骨質(zhì)疏松癥。WHO定義骨質(zhì)疏松是一種以骨量降低和骨微結構破壞為特征，導致骨脆性增加，易發(fā)生骨折為特征的全身性骨病。遺傳基因?qū)谴x平衡調(diào)控方面起重要作用[1]，克老素（KL）是與壽命和各種衰老表型相關的基因，有研究表明在小鼠體內(nèi)過表達可以抗衰老、延長壽命，而對KL鼠研究發(fā)現(xiàn)KL蛋白低表達加速皮膚、肌肉萎縮、動脈硬化、骨質(zhì)疏松等衰老過程[2-3]。但KL與骨質(zhì)疏松的關系及其與骨代謝的調(diào)節(jié)作用正在進一步研究中，近幾年有學者從基因多態(tài)性、信號通路等研究骨質(zhì)疏松和KL，這些前期研究可指導易感基因人群預防骨質(zhì)疏松，且可針對基因水平研究骨質(zhì)疏松治療。

1 KL生物學特征

KL編碼一條單鏈的跨膜蛋白（主要由腎小管分泌），以2種存在形式，即膜蛋白和分泌型蛋白；膜蛋白參與成纖維細胞生長因子23（FGF23）相關的鈣、磷骨代謝過程，其分泌型分布在血液、尿液中，作為一種體液因子作用于細胞表面多種糖蛋白，如離子通道、胰島素及類胰島素生長因子受體等[3]。

KL基因缺陷小鼠其骨組織出現(xiàn)類似于原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥改變，而在不同人群其KL基因單核苷酸多態(tài)性與骨密度也有明確相關性，提示原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生、發(fā)展可能與KL基因表達異常有關。

2 KL基因多態(tài)性與骨質(zhì)疏松

人的骨密度是機體基因和環(huán)境共同相互作用的結果，實際上Ralston等[4]認為基因在骨密度（BMD）方面扮演著重要的作用，并且不同基因在不同年齡階段、不同生理階段及不同性別間起著不同作用。多中心研究表明在KL-/-小鼠中可出現(xiàn)類似人類衰老的各種表型，包括骨質(zhì)疏松，由此推測KL基因多態(tài)可能與骨質(zhì)疏松有關[4-5]。Kawano等[5]早期研究報道在55例大于65歲絕經(jīng)期婦女的小樣本中提示KL基因可能與骨質(zhì)疏松有關。隨后Mullin等[6]報道了1 190例白種人絕經(jīng)后婦女KL基因多態(tài)性與骨形成、骨吸收的生物指標、骨結構（包括髖骨、股骨頸的BMD）、骨折發(fā)生率，結果顯示KLC1775G＞ A、IVS1+8262C＞T、C387T的基因多態(tài)性與骨結構、骨折及骨吸收標志物無相關性，但C1775G攜帶者的骨鈣素水平低于A等位基因攜帶者，提示KL基因產(chǎn)物可能影響了成骨細胞活性，而未影響破骨細胞活性，其結果表現(xiàn)為BMD及微結構未受影響，即未出現(xiàn)骨質(zhì)疏松樣改變，但也不排除其他基因及環(huán)境等綜合因素對BMD的維持。為此，KL基因上述位點是否與人體BMD有關，還有待進一步研究加以證實。

有關在KL F352V與BMD的關系方面研究中，Zarrabeitia等[7]通過檢測362例西班牙男性的F352V基因型和各部位（包括腰椎、股骨頸、髖骨和跟骨）的BMD，其研究發(fā)現(xiàn)攜帶FV+VV基因型的BMD與FF攜帶者的無明顯區(qū)別，但在年齡小于或等于53歲的中、青年人群中，F(xiàn)V+VV基因型攜帶者的BMD明顯高于FF基因型，提示KL基因多態(tài)性是影響B(tài)MD的遺傳因素之一。Riancho等[8]研究表明在女性群體中F352V基因型和BMD的關系與絕經(jīng)狀態(tài)有關，即在絕經(jīng)前婦女的F352V基因型和BMD無關，絕經(jīng)后攜帶FV+VV基因型的婦女BMD較FF基因型攜帶者高。由此推測F352V多態(tài)性與絕經(jīng)后婦女BMD有一定的關系，而FF基因型可能是其骨質(zhì)疏松的遺傳危險因素。日本學者Yamada等[9]研究發(fā)現(xiàn)KLG-395A基因型同樣與絕經(jīng)狀態(tài)有關，絕經(jīng)后日本婦女GG基因型BMD明顯低于AA基因型，但在絕經(jīng)前卻無明確關聯(lián)，提示在該群體婦女中KL基因G-395A基因型是導致骨量減少的敏感基因。田小春等[10]研究KLG-395A SNP與原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的相關性時，還發(fā)現(xiàn)KLG-395A SNPAA等位基因型與男性老年人骨質(zhì)疏松癥有關。

3 KL基因表達產(chǎn)物與骨質(zhì)疏松

有關于腺病毒介導的KL基因表達對去勢大鼠Runx2及基質(zhì)金屬蛋白酶-13（MMP-13）表達的影響的研究，其中Runx2是一種骨特異性轉(zhuǎn)錄因子，在骨組織的形成和重建方面起重要作用[11-12]，Runx2啟動子的活性與BMD有關，研究表明其P2啟動子活性越高，BMD越高[13-14]；而MMP為骨分解代謝的指標，在破骨細胞移行和骨基質(zhì)吸收發(fā)面發(fā)揮重要作用。王艷嬌等[15]通過對腺病毒介導的KL基因表達對去勢大鼠Runx2及MMP-13研究時，發(fā)現(xiàn)腺病毒介導的KL基因表達組（KO組）與對照組比較，其骨組織Runx2表達上升，而MMP-13表達下降，但與假手術組比較無明顯差異；骨微結構方面，KO組相比于對照組其骨小梁數(shù)目增多，骨質(zhì)排列等形態(tài)結構較對照組明顯改善，且其骨髓腔內(nèi)造血細胞數(shù)較前增多，脂肪細胞減少。上述研究結果表明KL基因表達上調(diào)可明顯改善去勢大鼠骨代謝及骨微結構改變，具體原因尚不明確，可能與其分泌型KL蛋白經(jīng)血液循環(huán)到達骨組織影響成骨、破骨相關信號通路而發(fā)揮骨代謝調(diào)控作用有關。

4 KL對骨代謝的影響

4.1 KL分泌蛋白、FGF23對鈣磷代謝的調(diào)節(jié)

4.1.1 血清磷調(diào)節(jié) FGF23是一種具有激素作用的利磷因子，一種參與血磷代謝調(diào)節(jié)的細胞因子，同時可抑制骨化三醇的生物合成，主要由骨細胞產(chǎn)生，其通過遠距離調(diào)節(jié)腎臟對磷的重吸收而有效維持機體血磷穩(wěn)態(tài)。當機體的血磷濃度降低時，機體通過以下途徑來維持磷內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定[16]：（1）首先通過甲狀旁腺激素（PTH）分泌減少從而減少尿磷的排泄，其次通過減低FGF23活性（FGF23的生物學效應是其分泌增多促進尿磷排泄，分泌降低減少尿磷排泄），即FGF23刺激鈉/磷共同轉(zhuǎn)運體（NPT2a和NPT2c）促進尿磷重吸收。（2）另外FGF23合成減少反向?qū)е?，25-二羥維生素D3[1，25（OH）2D3]增多，從而促進鈣、磷吸收。已有研究表明腎臟分泌的Klotko蛋白也參與磷穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程，其通過與成纖維細胞生長因子受體1（FGFR1）結合促進FGF23分泌并抑制1，25（OH）2D3的合成來降低血磷，從而參與磷代謝調(diào)節(jié)；另一方面KL在骨代謝方面，通過作用于腎小管上皮細胞的鈣通道（TRPV5）刺激骨吸收及骨磷釋放而維持血磷穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)高濃度的1，25（OH）2D3不僅可以刺激破骨細胞分化導致骨吸收和骨磷釋放，也可以刺激骨FGF23合成來控制骨吸收過程，從而來維持磷代謝穩(wěn)定。

4.1.2 血鈣調(diào)節(jié) PTH通過3條途徑即PTH促進尿鈣重吸收，1，25（OH）2D3合成，骨重建等維持血清鈣的平衡[16]。KL產(chǎn)物KL蛋白在腎臟高表達后作用于TRPV5促進鈣內(nèi)流，KL不僅刺激腎臟遠曲小管重吸收鈣，維持TRPV5的穩(wěn)定性；也通過促進小腸TRPV6的表達及作用，進而促進小腸對鈣的重吸收。在骨代謝方面，KL通過破骨細胞途徑促進骨重吸收，并通過TRPV5通道使骨鈣釋放；另外1，25（OH）2D3升高刺激破骨細胞分化、骨重吸收、骨鈣釋放。

4.2 KL對骨、礦物質(zhì)及維生素D代謝的調(diào)節(jié) 有研究表明KL通過如下機制參與骨、礦物質(zhì)及維生素D代謝的調(diào)節(jié)：（1）KL作為一種FGFR1的輔助因子參與FGF23信號轉(zhuǎn)導過程及調(diào)節(jié)甲狀旁腺激素的分泌[17-19]。（2）干擾胰島素及胰島素生長因子-1的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導。（3）類似于β葡萄糖苷酸酶與TRPV5的糖基結合而激活離子通道TRPV5，從而調(diào)節(jié)腎對鈣、磷吸收。因此KL、FGF23調(diào)控著機體骨-腎分泌軸。

KL蛋白能與各種FGFRs結合[17]，KL是作為一種輔助因子誘導FGF23受體激活，從而發(fā)揮其生物學效應[20]，有研究表明KL蛋白細胞外區(qū)域間接增強FGF23與其受體復合物（Klotho-FGFRs）結合的親和力[18-19]。另有臨床研究表明，F(xiàn)GF23過多可導致多種低磷血癥疾病，如FGF23活性缺乏導致高磷血癥性瘤樣鈣化[21]。通過在體基因操縱研究顯示缺乏FGF23的小鼠和缺乏KL小鼠均出現(xiàn)血清維生素D增加及礦物離子穩(wěn)態(tài)改變；但通過飲食限制或基因人工操作途徑，消除或減少血清FGF23水平和KL突變小鼠的維生素D活性，便可延緩早衰相似特征和異位鈣化，并且延長其生存期[22-23]，上述結果表明過度的維生素D活性和礦物離子穩(wěn)態(tài)改變能夠加速衰老進程。

Shalhoub等[24]研究發(fā)現(xiàn)FGF23和Alpha-KL刺激成骨MC3T3.E1細胞增殖，抑制骨基質(zhì)礦化作用。FGF23在成骨細胞的過表達抑制骨質(zhì)礦化，研究者運用外源性的FGF23/KL作用于MC3T3.E1細胞，分為四組：MC3T3.E1+ FGF23（0.1～1 000.0 ng/mL）、MC3T3.E1+KL（50 ng/mL）、MC3T3.E1+KL（50 ng/mL）+FGF23（0.1～1 000.0 ng/mL）及對照組MC3T3.E1+FGF23（100 ng/mL），空白組在培養(yǎng)4 d時細胞增殖受影響，培養(yǎng)14 d時礦化受影響，KL+FGF23在14 d時骨礦化和成骨細胞活性均受影響，但細胞增殖是可恢復的，堿性磷酸酶活性完全恢復可能在7 d左右，堿性磷酸酶（ALP）活性部分恢復通過MAPK抑制劑U0126，因此可溶性KL可能通過FGFR1通路使FGF23作用于MC3T3.E1細胞；另外FGF23通過間接磷丟失影響骨代謝，F(xiàn)GF23+可溶性KL在那些導致血清高FGF23水平的疾病中，可直接損害骨質(zhì)。有體外實驗還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF23過度表達不僅抑制成骨細胞分化還抑制骨基質(zhì)礦化，提示FGF23過表達抑制骨形成[25]。

4.3 KL對骨細胞及骨轉(zhuǎn)換的影響 Kawaguchi等[26]早在2002年就KL基因缺陷老鼠低轉(zhuǎn)換型骨量減少的分子和細胞水平的機制進行了研究，其在試驗中觀察到KL-/-小鼠骨量減少同時伴隨有低骨轉(zhuǎn)換率存在，其骨吸收大于骨形成進而導致骨小梁變稀疏；在病理生理學上類似于因衰老導致的骨質(zhì)疏松表現(xiàn)。在進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，來自KL-/-鼠的成骨細胞在體外培養(yǎng)時能夠正常增殖，但其ALP活性和基質(zhì)礦化與對照組比較卻明顯降低；對于來自KL-/-鼠的破骨細胞體外培養(yǎng)有正常的骨吸收活性和存活率，但是從骨母細胞分化成破骨細胞過程明顯發(fā)生紊亂：在來自KL-/-鼠成骨細胞和破骨母細胞的共培養(yǎng)過程中，有破骨細胞活性的抗酒石酸酸性磷酸酶陽性的多核破骨細胞極少。提示KL-/-小鼠KL表達產(chǎn)物缺乏導致成骨細胞和破骨細胞單獨分化障礙，這也可能是骨質(zhì)疏松低轉(zhuǎn)換率的原因所在。

國外學者Suzuki等[27]研究發(fā)現(xiàn)KL基因缺陷小鼠其骨組織出現(xiàn)類似于原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥改變，通過透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在KL基因缺陷小鼠，其平扁的成骨細胞呈散在分布于干骺端骨小梁區(qū)；與野生型小鼠相比，其成骨細胞中已發(fā)育良好的細胞器則更少，干骺端骨小梁區(qū)未礦化基質(zhì)增多、鈣磷沉積呈散在而不均勻分布，說明KL缺乏不僅使其成骨細胞數(shù)量減少，而且影響了成骨細胞功能，干擾了骨礦化，進而影響骨代謝過程，即提示原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生、發(fā)展可能與KL基因表達異常有關。

綜上，KL、α-KL和FGF23主要是調(diào)節(jié)血磷、血鈣、維生素D3穩(wěn)態(tài)以及骨的礦化等，其中機體各激素的穩(wěn)態(tài)是維持骨代謝的基礎，說明以上因子與原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生有一定關聯(lián)。但其在骨代謝調(diào)節(jié)中的具體發(fā)生、發(fā)展機制目前尚未完全清楚，有待進一步研究。

5 小 結

目前關于KL基因與骨質(zhì)疏松癥的研究主要集中在：（1）基因多態(tài)性，其中可能與骨質(zhì)疏松有關的基因型有F352V、G-395A，但仍受種族、性別、激素水平影響，以上因素相互作用從而導致研究結果多樣化，但相關研究仍提示KL基因多態(tài)性在骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展起著主要作用；（2）KL、FGF23對骨、礦物質(zhì)及維生素D代謝的調(diào)節(jié)起重要作用。機體內(nèi)KL、FGF23、α-KL水平穩(wěn)定是預防骨質(zhì)疏松癥的關鍵，骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展正是以上激素水平紊亂所致。其具體機制仍在進一步研究中，以上結論對于臨床骨質(zhì)疏松癥的防治具有指導作用。

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鄧小琴（1987-），女，重慶渝北人，碩士研究生，主要從事基因與衰老相關研究；E-mail：28703100@qq.com。