Klotho基因與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)性的研究進(jìn)展

鄭桃云 王長(zhǎng)江 薄文集 周 玲 王 平

(湖北中醫(yī)藥大學(xué)老年醫(yī)學(xué)研究所，湖北 武漢 430065)

Klotho(Kl)基因是一種與抗衰老、抗氧化有關(guān)的基因，主要在腦脈絡(luò)叢及腎臟表達(dá)，發(fā)生突變會(huì)導(dǎo)致早衰，表現(xiàn)為角膜混濁、耳聾、不孕不育、骨質(zhì)疏松、步態(tài)紊亂等，與人類衰老極為相似〔1〕。Kl基因在腦部的其他區(qū)域，如大腦皮質(zhì)、海馬、小腦、紋狀體、黑質(zhì)、嗅球和骨髓也有少量表達(dá)〔2〕。斑馬魚的α-Kl蛋白在受精后24 h即在腦、胰腺、前腎表達(dá)〔3〕。腎臟表達(dá)的Kl蛋白入血，而脈絡(luò)叢產(chǎn)生的則進(jìn)入腦脊液〔4〕。Kl蛋白與神經(jīng)系統(tǒng)關(guān)系密切，本文就Kl基因與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)性研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 Kl基因異常對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響

Kl基因敲除或突變鼠，表現(xiàn)出認(rèn)知和記憶功能損害，海馬部位的突觸素明顯減少，免疫反應(yīng)性減弱，在透明層尤為明顯，CA3區(qū)透明層的神經(jīng)末梢數(shù)量明顯減少，軸突運(yùn)輸出現(xiàn)異常，并出現(xiàn)神經(jīng)退行性改變，丙二醛和8-羥基脫氧鳥苷明顯增加，脫氧核糖核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的缺口末端標(biāo)記法(TUNEL)陽(yáng)性細(xì)胞凋亡〔5，6〕；小腦的浦肯野細(xì)胞數(shù)量減少〔1〕；腦黑質(zhì)區(qū)p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)活性升高，硫氧還蛋白原-凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(Trx/ASK)1復(fù)合物下降〔7〕；中腦腹側(cè)的黑質(zhì)致密部可見許多酪氨酸羥化酶(TH)陽(yáng)性神經(jīng)元和纖維，黑質(zhì)神經(jīng)元數(shù)目下降〔8〕；髓鞘蛋白和成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量明顯下降，郎飛結(jié)、視神經(jīng)和胼胝體髓鞘的超微結(jié)構(gòu)受損，軸突髓鞘形成下降，結(jié)旁區(qū)減少〔9〕；Janus激酶(JAK)2/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和激活子(STAT)3信號(hào)通路失活，膽堿能神經(jīng)元異?！?〕；中腦多巴胺神經(jīng)元出現(xiàn)退化，腹側(cè)被蓋區(qū)多巴胺能神經(jīng)元明顯減少〔10〕；除大腦重量減輕外，在脊髓的頸段和腰段，灰質(zhì)和白質(zhì)明顯減少，脊髓前角細(xì)胞染色質(zhì)溶解，尼氏體數(shù)量減少，磷酸化的神經(jīng)微絲蛋白堆積，腹角灰質(zhì)神經(jīng)元縮小〔11〕。

使用不同濃度的去甲基化藥物地西他濱處理12 h后，小腦皮質(zhì)神經(jīng)元Kl mRNA和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)基因表達(dá)明顯增加。使用不同濃度的過(guò)氧化氫(H2O2)處理小腦顆粒神經(jīng)元，Kl蛋白水平下降；通過(guò)地西他濱預(yù)處理的小腦顆粒神經(jīng)元可以逆轉(zhuǎn)H2O2引起的Kl蛋白水平下降；通過(guò)對(duì)抗Kl基因的短發(fā)夾RNA(shRNA)轉(zhuǎn)染小腦顆粒細(xì)胞，使Kl蛋白表達(dá)下調(diào)，又可以抵消地西他濱的作用，出現(xiàn)了與H2O2處理后損傷程度相似的神經(jīng)元死亡。H2O2處理Kl蛋白表達(dá)敲減的小腦顆粒細(xì)胞，損傷程度更加嚴(yán)重〔12〕。

在獼猴的腦白質(zhì)發(fā)現(xiàn)，Kl蛋白表達(dá)下降與年齡呈線性相關(guān)，也出現(xiàn)了認(rèn)知功能的下降，可能與多條信號(hào)通路有關(guān)，如成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)，胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF)-1和 Wnt等〔13〕。其中FGF是促進(jìn)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)的多肽類活性物質(zhì)，通過(guò)與FGF受體(FGFR)結(jié)合發(fā)揮作用。FGF23是FGF家族成員之一，其氨基末端有FGFR結(jié)合位點(diǎn)，羧基末端有Kl蛋白結(jié)合位點(diǎn)。FGF23升高與α-Kl蛋白下降有關(guān)，抑制α-Kl表達(dá)。Kl蛋白、FGFR和FGF23之間的主要關(guān)系是：Kl-FGFR復(fù)合物與FGF23結(jié)合，與Kl或FGFR單獨(dú)與FGF23結(jié)合相比有更高的親和力〔14〕。因此，F(xiàn)GF23的升高和降低均可以導(dǎo)致疾病，而α-Kl蛋白則是調(diào)節(jié)FGF23的關(guān)鍵因子，維持著FGF23在體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)。通過(guò)原代海馬神經(jīng)元培養(yǎng)，F(xiàn)GF23減弱了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)神經(jīng)元聯(lián)系的能力，而α-Kl蛋白引起FGF和FGFR失活，從而改善神經(jīng)元聯(lián)系能力〔15〕。長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)由突觸后神經(jīng)元內(nèi)鈣離子(Ca2+)濃度升高所致，而Kl蛋白/FGF23作為調(diào)節(jié)Ca、磷代謝的重要信號(hào)通路，可能是影響認(rèn)知功能的重要原因之一。

2 Kl蛋白對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)作用機(jī)制

重組Kl蛋白可以通過(guò)氧化還原系統(tǒng)調(diào)節(jié)谷氨酸和β淀粉樣蛋白(Aβ)的毒性，保護(hù)原代海馬神經(jīng)元和海馬神經(jīng)細(xì)胞〔16〕。通過(guò)Kl轉(zhuǎn)基因鼠發(fā)現(xiàn)，Kl蛋白表達(dá)的升高，對(duì)突觸可塑性有LTP作用，升高海馬N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體亞單位GluN2B的突觸數(shù)量，可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)和記憶能力〔17〕。Kl蛋白含量越高，在腦部的多個(gè)區(qū)域皮層灰質(zhì)體積就越大，如右側(cè)顳中回(rTEMP)，右背外側(cè)前額葉皮層(rDLPFC)〔18〕。在雙環(huán)己酮草酰雙腙(Cuprizone)誘導(dǎo)的脫髓鞘動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Kl轉(zhuǎn)基因高表達(dá)鼠與野生型相比，自發(fā)性的髓鞘再生增加了兩倍，Kl蛋白對(duì)髓鞘再生具有一定作用〔19〕。Kl蛋白還通過(guò)活化抗氧化酶系統(tǒng)，減輕Aβ和谷氨酸毒性，從而保護(hù)海馬神經(jīng)元，并維持少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟和髓鞘完整性，若高表達(dá)還可以改善認(rèn)知功能，因此有學(xué)者認(rèn)為Kl蛋白具有保護(hù)神經(jīng)元和提高認(rèn)知功能作用〔20〕。FGF23為動(dòng)脈粥樣硬化及腦梗死發(fā)生的危險(xiǎn)因素，Kl蛋白水平與FGF23呈明顯負(fù)相關(guān)，因此Kl蛋白也是防止動(dòng)脈粥樣硬化及腦梗死發(fā)生的保護(hù)因素〔21〕。

3 Kl與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

3.1阿爾茨海默病(AD) 老年人腦脊液Kl蛋白濃度比年輕人低，患有AD的老年人比無(wú)AD的老年人低〔22〕。AD鼠模型與同齡對(duì)照鼠比較，Kl在腎臟、前額皮質(zhì)、海馬、小腦的表達(dá)均出現(xiàn)明顯下降〔23〕。在癡呆鼠模型發(fā)現(xiàn)Kl蛋白表達(dá)明顯低于假手術(shù)組及對(duì)照組，Morris水迷宮顯示癡呆模型大鼠逃避潛伏期明顯長(zhǎng)于假手術(shù)組及對(duì)照組，跨越平臺(tái)次數(shù)也明顯少于假手術(shù)組及對(duì)照組〔24〕。研究顯示，快速衰老小鼠的學(xué)習(xí)、記憶功能明顯下降，腦內(nèi)Aβ1～42、同種異體移植炎癥因子(AIF)1、膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)和晚期糖基化終產(chǎn)物(RAGE)受體的表達(dá)顯著增加，Kl和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP)-1的表達(dá)明顯降低，Kl表達(dá)的降低可能導(dǎo)致LRP-1降低和RAGE增加，從而增加Aβ在腦內(nèi)沉積〔25〕。

3.2帕金森病(PD) 通過(guò)1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)誘導(dǎo)的PD小鼠模型發(fā)現(xiàn)，Kl蛋白可以拮抗MPTP對(duì)小鼠黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元損傷，對(duì)MPTP制備的PD模型小鼠多巴胺能神經(jīng)元有保護(hù)作用〔26〕。

3.3多發(fā)性硬化癥(MS) 有研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)發(fā)緩解型MS(RRMS)患者腦脊液Kl濃度和總抗氧化能力均下降，與擴(kuò)展殘疾狀態(tài)量表(EDSS)評(píng)分明顯負(fù)相關(guān)〔27〕，但是血液中的Kl蛋白濃度升高〔28〕，并且FGF23和碘化丙啶(PI)水平升高，25羥基維生素D〔25-(OH)-VitD〕和Ca水平下降〔29〕?？赡芘c使用免疫調(diào)節(jié)藥或者是一種代償反應(yīng)或與VitD的合成有關(guān)〔28〕。目前沒(méi)有證據(jù)顯示Kl能夠跨越血腦屏障和血-腦脊液屏障，腦實(shí)質(zhì)的細(xì)胞間液與腦脊液幾乎不發(fā)生液體交換。腦實(shí)質(zhì)的Kl蛋白和血液、腦脊液的Kl蛋白是互相隔離的〔2〕。但是在MS這樣的自身免疫性疾病情況下，血腦屏障可能出現(xiàn)受損〔29〕，其原因仍然需要進(jìn)一步研究來(lái)明確。

3.4尿毒癥認(rèn)知功能 研究證實(shí)，腎功能下降對(duì)認(rèn)知功能有負(fù)面影響，而慢性腎臟病患者Kl蛋白表達(dá)下降。5/6腎切除大鼠出現(xiàn)了工作記憶和注意力下降，額葉皮質(zhì)的Kl蛋白下降，且與腫瘤壞死因子(TNF)-α呈負(fù)相關(guān)〔30〕。

綜上，Kl基因作為一種長(zhǎng)壽基因，目前的研究已經(jīng)證實(shí)其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腎臟疾病、心血管病、腫瘤等多個(gè)系統(tǒng)中均有保護(hù)作用。從Kl基因與神經(jīng)系統(tǒng)疾病關(guān)系來(lái)看，發(fā)現(xiàn)與FGF、Wnt、IGF-1和氧化應(yīng)激等信號(hào)通路有關(guān)，從而導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)功能受損。Kl作為一種保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)的蛋白，如何提高Kl蛋白表達(dá)，從而對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病進(jìn)行治療，是目前的主要研究方向之一。研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)腎中藥可以促進(jìn)Kl蛋白的表達(dá)〔30〕，而且補(bǔ)腎藥物也可以改善AD〔31〕，補(bǔ)腎名方六味地黃丸緩解Aβ毒性及延長(zhǎng)秀麗線蟲壽命〔32〕。研究發(fā)現(xiàn)，Kl基因的生物學(xué)效應(yīng)與中醫(yī)學(xué)“腎精”有著極為相似之處，Kl是腎精的重要組成部分〔33〕。