成纖維細(xì)胞生長因子21基因與Klotho基因在腎臟疾病中的機(jī)制研究進(jìn)展

楊 艷，郭俊含，王沁園，馬 瀟

(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 腎內(nèi)科，甘肅 蘭州 730000)

·綜述·

成纖維細(xì)胞生長因子21基因與Klotho基因在腎臟疾病中的機(jī)制研究進(jìn)展

楊 艷，郭俊含，王沁園，馬 瀟

(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 腎內(nèi)科，甘肅 蘭州 730000)

成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)21基因表達(dá)產(chǎn)物不僅是一種與能量代謝相關(guān)的指標(biāo)，而且與腎功能的進(jìn)展有相關(guān)性；同時(shí)FGFs亞家族的共受體Klotho蛋白也是一種潛在的腎臟損傷標(biāo)記物。通過總結(jié)近年來國內(nèi)外相關(guān)的研究，分析FGF21基因和Klotho基因在急、慢性腎臟疾病的共同作用機(jī)制，旨在尋找臨床檢測簡便，敏感性高的的早期腎功能損傷標(biāo)記物，同時(shí)兩者在抑制腎臟纖維化及炎癥反應(yīng)過程中具有協(xié)同作用，目前期待針對該機(jī)制找到基因靶點(diǎn)治療方案。

腎??；成纖維細(xì)胞生長因子；Klotho基因

急慢性腎損傷的診斷目前仍限于傳統(tǒng)肌酐、尿蛋白等檢測指標(biāo)中，并不能準(zhǔn)確及時(shí)地反映當(dāng)前的病情變化以致治療時(shí)機(jī)延誤。因此，探索早期的診斷標(biāo)志物及靶向治療成為當(dāng)前的重中之重。近年來，隨著對慢性腎臟病(CKD)患者成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)23-Klotho內(nèi)分泌軸與鈣磷代謝調(diào)節(jié)關(guān)系的探索，逐漸對FGFs家族及Klotho家族有了更深層次的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)與FGF23同屬FGF19家族的FGF21基因調(diào)控脂質(zhì)及能量代謝平衡之外[1]，F(xiàn)GF21蛋白在糖尿病腎病小鼠模型中的早期診斷及治療已經(jīng)有實(shí)踐意義。因此，我們總結(jié)回顧了進(jìn)年來國內(nèi)外FGF21基因及Klotho基因在腎臟疾病應(yīng)用的新進(jìn)展，旨在為腎臟疾病科研及臨床實(shí)踐提供新思路。

1 FGF21基因簡介

人類FGF21基因位于19號(hào)染色體長臂13區(qū)3帶， 編碼一種含209個(gè)氨基酸的長鏈蛋白，其分裂后形成含181個(gè)氨基酸的成熟蛋白質(zhì)，主要參與脂質(zhì)和能量代謝，表達(dá)于肝臟、胰腺β細(xì)胞、脂肪組織及部分骨骼肌中，在β-Klotho的參與下與FGFR結(jié)合主要調(diào)節(jié)脂質(zhì)與能量的代謝[2]。FGF21信號(hào)通路的具體作用機(jī)制還不明確，目前主要認(rèn)為與刺激FGFR，使FGF亞受體FRS2a及MARK(ERK1/2)磷酸化有關(guān)[3]。動(dòng)物研究表明FGF21也表達(dá)于腎小球系膜細(xì)胞中[3]，經(jīng)過腎臟排泄，半衰期為1小時(shí)。目前有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)重組FGF21或者FGF21類似物可用于代謝相關(guān)疾病的治療，以延緩疾病的進(jìn)展，抑制組織間質(zhì)纖維化。FGF21蛋白是FGF家族成員之一，F(xiàn)GF家族是一組含保守序列的信號(hào)蛋白，具有廣泛功能，如參與細(xì)胞再生、分化、有絲分裂，血管再生，傷口愈合等。FGFs具有22個(gè)亞家族，其中FGF19亞家族包括FGF15/19，F(xiàn)GF21及FGF23[4]。

1.1腎功能進(jìn)展的預(yù)測 2011年，Lin等[5]在中國人群中發(fā)現(xiàn)血清FGF21在晚期腎臟病中的血清濃度是早期腎臟病的4.5倍，是中期腎臟病的1.5倍，與傳統(tǒng)的腎功能進(jìn)展指標(biāo)(尿β2微球蛋白、血肌酐、血尿素氮、肌酐清除率及腎小球?yàn)V過率)有明顯相關(guān)性，也與高磷血癥和CRP的升高存在相關(guān)性；2014年，Hindricks等[6]研究表明，CKD1～5期患者血清FGF21蛋白水平隨著腎功能進(jìn)展逐漸升高，與高敏C反應(yīng)蛋白(hs-CRP)、高敏白細(xì)胞介素(IL)6和脂肪細(xì)胞因子也存在明顯相關(guān)性。因此，F(xiàn)GF21是反映從早期到晚期的腎臟疾病進(jìn)展的指標(biāo)。研究表明，在腹膜透析患者中血清FGF21水平是健康人群的8倍，并且發(fā)現(xiàn)殘余腎功能較差的患者血清FGF21水平明顯高于殘余腎功能較好的患者。由于腹膜透析存在長期的高糖灌注，毛細(xì)血管吸收了大量的葡萄糖，因此在無糖尿病的終末期腎臟病患者中也存在胰島素抵抗，使FGF21升高[7]。Reinhard等[8]在血液透析患者中也發(fā)現(xiàn)FGF21的水平是健康人群的23倍，而FGF21蛋白不能透過血液透析濾過膜，所以血液中FGF21水平在血液透析患者中是升高的[9]。目前急慢性腎損傷后FGF21升高的原因可能有以下3點(diǎn)：①隨著腎功能的下降，尿中FGF21排泄減少，導(dǎo)致血清中FGF21水平逐漸升高；②FGF21本身是導(dǎo)致腎臟損傷的原因之一；③在腎功能不全患者中，胰島素抵抗可導(dǎo)致FGF21代償性的升高[3]。

1.2糖尿病腎病的早期診斷及治療 目前研究較多的糖尿病腎病早期標(biāo)志物有FGFs，β2-微球蛋白，C16酰基肉堿和腎臟損傷分子1(KIM-1)等[10]。Lee等[11]發(fā)現(xiàn)血清FGF21與人體糖尿病腎病早期標(biāo)記物尿微量白蛋白等具有一致性，且比尿微量白蛋白能更早的預(yù)測糖尿病腎病的發(fā)生。糖尿病腎病患者本身脂質(zhì)及葡萄糖代謝紊亂且存在FGF21缺乏，進(jìn)一步加重了脂類聚集，增加了腎小管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡[12]。而FGF21可以通過促進(jìn)脂肪的β氧化而抑制脂質(zhì)的聚集、炎癥因子的表達(dá)，從而抑制了腎臟纖維化[13]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，在Col8a1-/-Col8a2-/-基因敲除小鼠中，TGF-β1 誘導(dǎo)的Smad蛋白改變可激活ERK1/2和PI3K/AKT 通路，上調(diào)FGF21的表達(dá)，而FGF21蛋白的產(chǎn)生可進(jìn)一步抑制TGF-β1誘導(dǎo)的腎臟系膜細(xì)胞的增殖，因此FGF21可以改善腎臟纖維化。Loeffler等[14]認(rèn)為FGF21抑制腎纖維化是通過活化AMPK-SirT1-PGC1a信號(hào)通路進(jìn)而抑制NF-κB的功能，促進(jìn)脂肪的β氧化；或通過激活A(yù)MPK途徑抑制TGF-β1的產(chǎn)生，改善了腎臟系膜細(xì)胞的增殖狀態(tài)。2017年在一項(xiàng)中國人群中也表明FGF21升高是女性患者糖尿病患病率增加的風(fēng)險(xiǎn)因素[15]。FGF21基因敲除的KO db/db的糖尿病腎病小鼠經(jīng)過重組FGF21治療12周后，尿蛋白排泄減少、腎臟系膜細(xì)胞擴(kuò)張及纖維化顯著改善[3]。因此，血清FGF21水平可以預(yù)測亞臨床糖尿病腎病，且重組FGF21可以延緩糖尿病腎病的進(jìn)展。

2 Klotho基因簡介

Klotho基因位于13號(hào)染色體長臂13區(qū)1帶，其編碼蛋白是單通道跨膜蛋白[16]，有分泌型及膜結(jié)合型兩種，二者分別是膜結(jié)合受體和體液調(diào)節(jié)因子，能通過調(diào)節(jié)維生素D和鈣、磷代謝，改善心血管系統(tǒng)，對衰老等多種疾病進(jìn)行調(diào)節(jié)。Klotho蛋白主要表達(dá)于腎臟遠(yuǎn)曲小管、近曲小管、內(nèi)髓集合管的衍生細(xì)胞及大腦的脈絡(luò)叢[17]，包括α-Klotho、β-Klotho以及酪氨酸激酶樣Klotho，其中α-Klotho由KI基因編碼，主要參與FGF23與FGF受體結(jié)合調(diào)節(jié)鈣磷等礦物質(zhì)的平衡；β-Klotho是激活FGF21通路的必要輔助因子，也參與轉(zhuǎn)化FGF21-FGF19信號(hào)通路調(diào)節(jié)膽汁酸產(chǎn)生及能量平衡；酪氨酸激酶樣Klotho機(jī)制尚不明確。目前發(fā)現(xiàn)調(diào)控Klotho基因使Klotho蛋白表達(dá)上調(diào)可減少腎細(xì)胞損傷，Klotho蛋白缺乏時(shí)可以促進(jìn)腎臟的纖維化[18]。

2.1急性腎損傷(AKI)的早期預(yù)測 AKI時(shí)表現(xiàn)為Klotho蛋白的暫時(shí)性缺乏，由于缺血缺氧、腎毒性藥物、輸尿管梗阻、氧化應(yīng)激及炎癥因子刺激等使腎臟Klotho mRNA表達(dá)下調(diào)，Klotho在腎臟中分泌減少，延緩了腎臟自身的損傷修復(fù)作用，促進(jìn)腎間質(zhì)纖維化、礦物質(zhì)代謝紊亂、繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)、血管鈣化、心臟肥大等。當(dāng)AKI發(fā)生缺血再灌注時(shí)，腎及血清中的Klotho水平顯著下降，外源性Klotho補(bǔ)充具有細(xì)胞保護(hù)作用，可使腎臟免于缺血-再灌注損傷[19]。在AKI患者中，研究發(fā)現(xiàn)血清Klotho蛋白在損傷后3小時(shí)開始下降，48小時(shí)開始上升，7天左右恢復(fù)正常，而尿中Klotho蛋白水平在首次缺血再灌注損傷時(shí)降低，2天后開始上升，7天后開始下降，因此血、尿中Klotho蛋白均可以作為AKI的早期標(biāo)志物。

2.2CKD進(jìn)展的預(yù)測 CKD患者腎臟Klotho mRNA表達(dá)下調(diào)，表現(xiàn)為血清Klotho蛋白持續(xù)性缺乏[20]。CKD患者啟動(dòng)了Klotho-FGF23內(nèi)分泌軸維持血清磷的動(dòng)態(tài)平衡，其機(jī)制是：Klotho水平的降低可引起FGF23反饋性的上調(diào)，使血清FGF23 的水平升高，使得腎小管中磷的排泄增加，最終使Klotho基因表達(dá)下調(diào)[21]。而隨著腎功能的進(jìn)展，血清磷的升高提示腎功能的損害，因此，Klotho也是預(yù)測CKD患者腎功能進(jìn)展的指標(biāo)。目前認(rèn)為血清Klotho蛋白在CKD患者中缺乏的原因有以下3點(diǎn)：①Klotho參與礦物質(zhì)的平衡，其缺乏與PTH，F(xiàn)GF23，1，25(OH)2D3均有關(guān)，如高磷血癥抑制Klotho在腎臟中的表達(dá)，而維生素D及1.25(OH)D3的缺乏不能誘導(dǎo)Klotho表達(dá)；②尿毒癥毒素，如硫酸吲哚酚可使Klotho基因超甲基化修飾，抑制了Klotho mRNA的表達(dá)，吲哚酚還可能通過刺激氧化應(yīng)激通路NF-κB下調(diào)腎臟Klotho表達(dá)；③RASS系統(tǒng)中血管緊張素Ⅱ (Ang-Ⅱ)及醛固酮抑制Klotho在腎臟細(xì)胞中的表達(dá)，下調(diào)Klotho mRNA表達(dá)，使Klotho蛋白生成減少[22]。

3 FGF21與Klotho基因?qū)δI臟的共同作用機(jī)制

3.1Klotho家族與FGFs家族的相互聯(lián)系 血清FGF21蛋白的生物學(xué)效應(yīng)是通過細(xì)胞膜受體復(fù)合物作用于FGF受體和β-Klotho受體。β-Klotho表達(dá)增加可增強(qiáng)FGF21與FGFR1的親和力，形成FGF21-β-Klotho-FGFR1C復(fù)合體，從而加強(qiáng)FGF21下游信號(hào)途徑的調(diào)控，能夠維持體內(nèi)糖脂代謝及能量代謝的平衡[23]。與FGF21同源的FGF23蛋白主要通過FGF受體及其共受體Klotho蛋白作用于腎臟、甲狀腺等靶器官，調(diào)節(jié)甲狀旁腺激素、1，25(OH)2D3等分泌性激素水平，共同維持機(jī)體鈣磷平衡[24]，且FGF21與FGF23蛋白均在CKD患者腎功能的進(jìn)展中具有預(yù)測作用。

3.2FGF21和Klotho表達(dá)產(chǎn)物在抑制腎臟纖維化中的作用機(jī)制 TGF-β1是常見的腎臟纖維化誘導(dǎo)物，TGF-β1 信號(hào)是通過Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸-蘇氨酸激酶受體介導(dǎo)的。動(dòng)物研究表明，在Col8a1-/-Col8a2-/-基因敲除小鼠中，激活ERK1/2和PI3K/AKT 通路可上調(diào)FGF21基因表達(dá)，使血清FGF21水平升高，抑制TGF-β1誘導(dǎo)的腎臟系膜細(xì)胞的增殖，促進(jìn)細(xì)胞周期，減少基質(zhì)的沉積，從而改善腎臟間質(zhì)纖維化。因此，糖尿病腎病患者補(bǔ)充重組或者FGF21類似物抑制腎臟的纖維化是與此機(jī)制有關(guān)的[14]。

分泌型Klotho 蛋白能夠抑制TGF-β1 信號(hào)肽的轉(zhuǎn)導(dǎo)，分泌型Klotho 與TGF-β1 競爭性地結(jié)合TGF-βR2，因此降低了TGF-β1 與TGF-βR2 結(jié)合的比例，從而抑制了TGF-β1 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，減少TGF-β1誘導(dǎo)的Samd2磷酸化。因此，分泌型Klotho部分腎臟保護(hù)功能可能來源于其抑制氧化應(yīng)激以及TGF-β1 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的能力，防止了活性氧對腎臟損害、并抑制了腎臟纖維化[20]。見圖1。

圖1 FGF21與β-Klotho抑制腎臟纖維化機(jī)制

4 結(jié) 論

綜上所述，聯(lián)合FGF21及Klotho蛋白檢測作為腎臟損傷、進(jìn)展的早期標(biāo)記物更有助于對隱匿的早期腎臟病及腎功能快速進(jìn)展進(jìn)行診斷，相比肌酐、尿蛋白等臨床發(fā)現(xiàn)腎損傷較晚的指標(biāo)更有意義。血清FGF21蛋白作為損傷進(jìn)展的指標(biāo)隨著腎功能的惡化是逐漸增加的，而血清可溶性的Klotho蛋白，尤其是與FGF21聯(lián)系密切的β-Klotho，作為一種腎臟的保護(hù)性因子是逐漸減少的。因此，聯(lián)合兩指標(biāo)檢測可提高早期診斷的敏感性。且在AKI患者中，尿中Klotho水平與血清水平升高時(shí)間較一致，故檢測尿中Klotho為檢測的便捷又邁出了重要一步[25]。

當(dāng)前對抑制腎臟急、慢性損傷，如細(xì)胞凋亡、基質(zhì)增生、間質(zhì)纖維化等的治療中仍沒有特異性強(qiáng)的靶向治療方法。首先，基于FGF21及Klotho基因在急、慢性腎臟疾病的發(fā)生發(fā)展中的共同作用機(jī)制，尤其是在抑制腎臟纖維化方面，兩者體現(xiàn)了一致性，我們期待運(yùn)用兩者聯(lián)合作為基因治療的靶點(diǎn)，通過誘導(dǎo)FGF21及Klotho基因上調(diào)表達(dá)，抑制TGF-β1 信號(hào)肽的轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而調(diào)控下游分子，從源頭阻止腎臟間質(zhì)纖維化的進(jìn)展，減少炎癥反應(yīng)。其次，聯(lián)合治療有助于克服兩基因的表達(dá)產(chǎn)物各自的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的重組FGF21基因表達(dá)產(chǎn)物在血漿中半衰期非常短，并且容易繼發(fā)其他激素水平的異常。因此，使用具有溶蛋白裂解抵抗性的FGF21基因片段和與共受體β-Klotho蛋白可以作為具有穩(wěn)定性和敏感性藥物的研究方向。除此之外，PEG修飾，補(bǔ)體片段融合等新的靶向方法也在探索中[26]。

[1] Donate-Correa J， Martin-Nunez E， Delgado NP， et al. Implications of Fibroblast growth factor/Klotho system in glucose metabolism and diabetes[J]. Cytokine Growth Factor Rev， 2016， 28: 71-77.

[2] Woo YC， Xu A， Wang Y， et al. Fibroblast growth factor 21 as an emerging metabolic regulator: clinical perspectives[J]. Clin Endocrinol (Oxf)， 2013， 78(4): 489-496.

[3] Kim HW， Lee JE， Cha JJ， et al. Fibroblast growth factor 21 improves insulin resistance and ameliorates renal injury in db/db mice[J]. Endocrinology， 2013， 154(9): 3366-3376.

[4] Fisher FM， Maratos-Flier E. Understanding the physiology of FGF21[J]. Annu Rev Physiol， 2016， 78: 223-241.

[5] Lin Z， Zhou Z， Liu Y， et al. Circulating FGF21 levels are progressively increased from the early to end stages of chronic kidney diseases and are associated with renal function in Chinese[J]. PLoS One， 2011， 6(4): e18398.

[6] Hindricks J， Ebert T， Bachmann A， et al. Serum levels of fibroblast growth factor-21 are increased in chronic and acute renal dysfunction[J]. Clin Endocrinol (Oxf)， 2014， 80(6): 918-924.

[7] Han SH， Choi SH， Cho BJ， et al. Serum fibroblast growth factor-21 concentration is associated with residual renal function and insulin resistance in end-stage renal disease patients receiving long-term peritoneal dialysis[J]. Metabolism， 2010， 59(11): 1656-1662.

[8] Reinhard M， Frystyk J， Jespersen B， et al. Response of fibroblast growth factor 21 to meal intake and insulin infusion in patients on maintenance haemodialysis[J]. Clin Endocrinol (Oxf)， 2015， 83(2): 187-195.

[9] Kohara M， Masuda T， Shiizaki K， et al. Association between circulating fibroblast growth factor 21 and mortality in end-stage renal disease[J]. PLoS One， 2017， 12(6): e0178971.

[10] Looker HC， Colombo M， Hess S， et al. Biomarkers of rapid chronic kidney disease progression in type 2 diabetes[J]. Kidney Int， 2015， 88(4): 888-896.

[11] Lee CH， Hui EY， Woo YC， et al. Circulating fibroblast growth factor 21 levels predict progressive kidney disease in subjects with type 2 diabetes and normoalbuminuria[J]. J Clin Endocrinol Metab， 2015， 100(4): 1368-1375.

[12] Habib SL. Diabetes and renal tubular cell apoptosis[J]. World J Diabetes， 2013， 4(2): 27-30.

[13] Zhang C， Tan Y， Guo W， et al. Attenuation of diabetes-induced renal dysfunction by multiple exposures to low-dose radiation is associated with the suppression of systemic and renal inflammation[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab， 2009， 297(6): E1366-1377.

[14] Loeffler I， Hopfer U， Koczan D， et al. Type Ⅷ collagen modulates TGF-beta1-induced proliferation of mesangial cells[J]. J Am Soc Nephrol， 2011， 22(4): 649-663.

[15] Wang Y， Koh WP， Yuan JM， et al. Sex-specific association between fibroblast growth factor 21 and type 2 diabetes: a nested case-control study in Singapore Chinese men and women[J]. Nutr Metab (Lond)， 2017， 14: 63.

[16] Kurosu H， Kuro-O M. The Klotho gene family as a regulator of endocrine fibroblast growth factors[J]. Mol Cell Endocrinol， 2009， 299(1): 72-78.

[17] Hu MC， Kuro-o M， Moe OW. Renal and extrarenal actions of Klotho[J]. Semin Nephrol， 2013， 33(2): 118-129.

[18] 孫昕，陳林，董曉慧，等. Klotho蛋白與疾病的研究進(jìn)展[J]. 中國藥理學(xué)通報(bào)， 2014， 30(2): 153-155.

[19] Hu MC， Shi M， Zhang J， et al. Klotho deficiency is an early biomarker of renal ischemia-reperfusion injury and its replacement is protective[J]. Kidney Int， 2010， 78(12): 1240-1251.

[20] Kuro-o M. Klotho in health and disease[J]. Curr Opin Nephrol Hypertens， 2012， 21(4): 362-368.

[21] John GB， Cheng CY， Kuro-o M. Role of Klotho in aging， phosphate metabolism， and CKD[J]. Am J Kidney Dis， 2011， 58(1): 127-134.

[22] Hu MC， Kuro-o M， Moe OW. Klotho and chronic kidney disease[J]. Contrib Nephrol， 2013， 180: 47-63.

[23] Phelps M， Stuelsatz P， Yablonka-Reuveni Z. Expression profile and overexpression outcome indicate a role for betaKlotho in skeletal muscle fibro/adipogenesis[J]. FEBS J， 2016， 283(9): 1653-1668.

[24] 盧劍萍，程震. 成纖維細(xì)胞生長因子23與腎臟疾病[J]. 腎臟病與透析腎移植雜志， 2013， 22(4): 357-362.

[25] Hu MC， Moe OW. Klotho as a potential biomarker and therapy for acute kidney injury[J]. Nat Rev Nephrol， 2012， 8(7): 423-429.

[26] Zhang J， Li Y. Fibroblast growth factor 21 analogs for treating metabolic disorders[J]. Front Endocrinol (Lausanne)， 2015， 6: 168.

楊艷，Email: yangy2015@lzu.edu.cn

R692

A

1004-583X(2017)12-1096-04

10.3969/j.issn.1004-583X.2017.12.020

2017-08-13 編輯:王秋紅