α-Klotho在慢性腎臟病中的研究進(jìn)展

黃夢蘭 綜述 馬瑞鶯，王潔 審校

1.右江民族醫(yī)學(xué)院研究生院，廣西 百色 533000；2.百色市人民醫(yī)院，廣西 百色 533000；3.右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，廣西 百色 533000

慢性腎臟疾病(chronic kidney disease，CKD)是指各種原因引起的慢性腎臟結(jié)構(gòu)和功能障礙，包括腎臟病理損傷、血液或尿液成分異常、影像學(xué)檢查異?；蚰I小球濾過率(GFR)下降[＜60 mL/(min·1.73 m2)]超過3 個月的一類疾病[1]。在過去的30 年里CKD 在世界人口疾病死亡率排行榜上不斷攀升，在2016 年排名第16位，到2040年將上升至第5位[2]。面對8.5億的患者，CKD 已被視為重要的全球公共衛(wèi)生事件，越來越多的研究投入到CKD的防治中。KL基因于1997年首次被KURO?O等[3]發(fā)現(xiàn)后，人們對其的研究也不斷深入，尤其在腎臟疾病中。研究表明，α-KL具有調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、自噬等功能，參與多系統(tǒng)多疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，發(fā)揮局部或者全身性生物學(xué)效應(yīng)。本文就α-KL在CKD及并發(fā)癥中的作用做一簡要綜述。

1 KL

KL 基因全長50 kb，位于人第13 號染色體長臂上，含5 個外顯子及4 個內(nèi)含子。由于選擇性剪切的存在，可將其編碼的蛋白分為膜型和分泌型2種。KL基因全長表達(dá)時編碼的蛋白是膜型KL蛋白，含1 012個氨基酸，屬于Ⅰ型單次跨膜蛋白，其胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域極短，故無功能，胞外結(jié)構(gòu)域中至少含2個串聯(lián)重復(fù)序列組成的β-葡萄糖苷酶樣結(jié)構(gòu)(即KL1 和KL2)，主要在腎臟、腦中表達(dá)，易被去整合素-金屬蛋白酶10 等水解，將其胞外結(jié)構(gòu)域裂解脫落到體液中發(fā)揮激素作用[3-4]。脫落的片段有三種形式：胞外結(jié)構(gòu)部分和KL1、KL2 片段，統(tǒng)稱為可溶性KL 蛋白。分泌型KL則是選擇性剪切后產(chǎn)生的另一種蛋白，主要分布于細(xì)胞外及體液中。隨著研究的不斷深入，后來還發(fā)現(xiàn)了β-klotho 蛋白和γ-klotho 蛋白，為區(qū)分三者，人們將最早發(fā)現(xiàn)的KL蛋白重命名為α-klotho。α-KL的表達(dá)具有一定的組織特異性，其主要在腎小管、甲狀旁腺以及脈絡(luò)叢中表達(dá)，參與體內(nèi)多種生物過程[4]。

2 α-KL在腎臟病中的作用

目前研究表明，CKD 患者血清及腎組織中α-KL水平下降，且α-KL 缺失促進(jìn)腎臟纖維化、鈣磷失衡等，參與CKD 進(jìn)展即相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生與發(fā)展的機(jī)制[5-8]。研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)α-KL 可部分逆轉(zhuǎn)CKD 小鼠蛋白激酶C 同工酶活化所致的細(xì)胞凋亡、足細(xì)胞損傷和蛋白尿等[9]。下面就以下幾個方面對其生物學(xué)功能進(jìn)行展述。

2.1 α-KL與氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是許多疾病發(fā)生的病理基礎(chǔ)，而α-KL 蛋白已被多項研究證明具有抗氧化能力。在氧化應(yīng)激中，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物-1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha，PGC1α)是線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)劑，而腺苷單磷酸激活蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)被稱為線粒體的守護(hù)者，轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)則是調(diào)節(jié)抗氧化反應(yīng)的中央轉(zhuǎn)錄因子。α-KL不僅調(diào)控以上關(guān)鍵因子，其抗氧化作用還廣泛涉及腎臟中的多種細(xì)胞。在腎臟近端腎小管細(xì)胞中，α-KL 蛋白不僅能通過調(diào)節(jié)PGC1α/AMPK介導(dǎo)線粒體功能的恢復(fù)，還能抑制mTOR/TGF-β途徑及PI3K/AKT/FoxO1 途徑；而在足細(xì)胞中，則是通過誘導(dǎo)Nrf2 及其下游靶標(biāo)的表達(dá)和激活增加血紅素加氧酶-1 (heme oxygenase 1，HO-1)表達(dá)，從而增加抗氧化酶的活性、清除活性氧、抑制氧化應(yīng)激與細(xì)胞凋亡；此外，α-KL 蛋白還可以增加一氧化氮的分泌，改善內(nèi)皮細(xì)胞的功能[10-13]。多項研究表明，α-KL 的抗氧化能力具有一定的普遍性。值得重視的是，α-KL 對于細(xì)胞而言并不總是友好的。作為一種長壽激素，它保護(hù)正常細(xì)胞免受氧化應(yīng)激，但作為一種腫瘤抑制劑，它抑制癌細(xì)胞的生長。研究表明，重組KL 蛋白促使癌細(xì)胞中的AMPK磷酸化，抑制線粒體鈣穿梭，使線粒體活性減弱[14]。

2.2 α-KL與炎癥反應(yīng) 炎癥反應(yīng)是很多腎臟疾病的發(fā)病因素，而且?guī)缀跛心I臟疾病的進(jìn)展都涉及炎癥反應(yīng)。細(xì)胞衰老的同時常伴隨著衰老相關(guān)分泌表型的產(chǎn)生，而衰老相關(guān)分泌表型又導(dǎo)致機(jī)體慢性低度炎癥和疾病，并反作用于衰老細(xì)胞及其鄰近細(xì)胞加速它們的衰老進(jìn)程。單核細(xì)胞中的免疫衰老樣表型的啟動伴隨著CREB34L 和TFE3 高爾基體應(yīng)激反應(yīng)以及ATF6 和IRE1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的激活，上調(diào)促炎細(xì)胞因子的分泌，而過表達(dá)α-KL 可以抑制以上這些變化[15]。另一項研究也證實，CKD患者的血清炎癥因子水平與硫酸吲哚酚呈正相關(guān)，與α-KL 呈負(fù)相關(guān)。過表達(dá)α-KL 不僅可以抑制核因子(NF)-κB 信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)化生長因子(TGF-α)、白介素(IL)-6、IL-1β等因子的釋放，還促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2型極化，從而抑制CKD小鼠的全身炎癥反應(yīng)[16-17]。

2.3 α-KL 與血管鈣化 無論是內(nèi)皮細(xì)胞衰老，還是血管鈣化都意味著血管衰老，心腦血管發(fā)病率勢必會增加。一項前瞻性研究發(fā)現(xiàn)α-KL 水平與患冠狀動脈疾病和腦血管意外的風(fēng)險呈負(fù)相關(guān)[18]。α-KL 蛋白不僅對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用，促進(jìn)糖尿病潰瘍區(qū)血管生成，使?jié)冇?；而且，可以激活Wnt7b/β-catenin通路逆轉(zhuǎn)高磷酸鹽誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞鈣化[19-20]。血管鈣化進(jìn)程中還涉及動脈平滑肌細(xì)胞向成骨表型的分化。將不同分期的CKD 患者以及正常人的血清分別加入體外培養(yǎng)的人動脈平滑肌細(xì)胞中培養(yǎng)表明，無論CKD 分期如何，CKD患者血清的血清鈣化潛力(誘導(dǎo)動脈平滑肌細(xì)胞鈣化的能力)均大于對照組，且α-KL表達(dá)顯著降低，并且在CKD5期血清中被基本消除，進(jìn)一步表明CKD患者血清可通過抑制α-KL 促進(jìn)體外培養(yǎng)的動脈平滑肌細(xì)胞向成骨表型分化[21]。α-KL 參與了血管鈣化中多項過程的調(diào)節(jié)。

2.4 α-KL 與自噬 α-KL 是細(xì)胞防御機(jī)制的一部分，可通過調(diào)節(jié)自噬與凋亡之間的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號傳導(dǎo)提供保護(hù)作用。普遍認(rèn)為，α-KL 蛋白缺失抑制細(xì)胞的自噬水平。MYTYCH等[22]在成纖維細(xì)胞中沉默KL基因，發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)被激活，導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，磷酸化真核翻譯起始因子2α介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激減少，自噬延遲，最終使得傷口難以閉合。研究還發(fā)現(xiàn)，α-KL蛋白缺失可以通過下調(diào)細(xì)胞中Atg13的表達(dá)防止自噬啟動因子ULK1 復(fù)合物的形成，激活凋亡而抑制自噬[23]。轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB，TFEB)是溶酶體生物發(fā)生的主要調(diào)控因子。KL 通過抑制糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3 beta，GSK3β)的磷酸化來誘導(dǎo)TFEB的核易位，改善溶酶體酸化障礙、TFEB 表達(dá)抑制等，從而激活溶酶體功能，提高自噬清除率[24]。使用Necrostatin-1(一種壞死性凋亡抑制劑)可以上調(diào)KL的表達(dá)，抑制NF-κB信號傳導(dǎo)，激活腎臟的自噬作用，對抗順鉑誘導(dǎo)的腎毒性[25]。有趣的是，一些研究結(jié)果得出了截然相反得結(jié)論。CHEN 等[26]認(rèn)為α-KL 基因缺陷上調(diào)了小鼠體內(nèi)的自噬水平。α-KL 對自噬的調(diào)節(jié)眾說紛紜，可能存在多樣化和異質(zhì)化，或者存在一種自噬的平衡狀態(tài)。

2.5 α-KL 的表觀遺傳 除DNA 和RNA 序列外，還有許多調(diào)控基因的信息，在不改變基因的序列的前提下通過基因修飾而影響和調(diào)節(jié)遺傳基因的功能和特性。腎臟纖維化是終末期腎病最常見的組織形態(tài)學(xué)特征，其開始和進(jìn)展在很大程度上受到易感基因表觀遺傳修飾的影響。組蛋白3上第27位賴氨酸三甲基化(histone 3 lysine[K]27 trimethy lation，H3K27me3)與α-KL啟動子區(qū)存在物理關(guān)聯(lián)。與年輕的野生型小鼠相比，老年野生型和KL 突變小鼠腎臟中H3K27me3 水平升高，下調(diào)了KL 基因，使培養(yǎng)的原代腎小管細(xì)胞中的p53 和p16 (衰老標(biāo)記)上調(diào)，促進(jìn)腎臟細(xì)胞衰老[27]。而 微 小RNA 如miR-200c 和microRNA-199a 則直 接與α-KLmRNA3'-UTR 結(jié)合，抑制α-KL 的表達(dá)，活化NF-κB 途徑，損害腎臟[28-29]。目前已發(fā)現(xiàn)一些中藥成分可以影響KL 的表達(dá)。有研究表明，金雀異黃素不僅可以通過逆轉(zhuǎn)啟動子組蛋白3的低乙?；⑶覝p輕KL啟動子的甲基化程度來保護(hù)KL蛋白，還可以抑制異常DNMT1/3a 的表達(dá)使KL 啟動子脫甲基，從而預(yù)防UUO模型小鼠腎纖維化[30]。

2.6 α-KL 與鈣磷調(diào)節(jié) 腎臟是調(diào)節(jié)體內(nèi)電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)的重要器官，CKD 常并發(fā)礦物質(zhì)代謝紊亂，導(dǎo)致CKD-礦物質(zhì)和骨異常(CKD-mineral and bone disorder，CKD-MBD)。α-KL在磷酸鹽穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，其缺乏參與高磷血癥的發(fā)展[3]。喂食高磷飲食的正常小鼠腎臟中的α-KL 蛋白和mRNA 表達(dá)顯著降低。在CKD-MBD發(fā)生的早期即出現(xiàn)α-KL減少[31]。腎小球濾過率降低導(dǎo)致磷排泄率降低，同時蛋白尿或炎癥導(dǎo)致小管細(xì)胞α-KL 表達(dá)降低，驅(qū)動CKD-MBD 的形成[32]。α-KL是磷酸激素成纖維細(xì)胞生長因子-23(FGF23)的共受體[33]。在近端小管中FGF23對鈣磷的調(diào)節(jié)具有重要意義。FGF23 減少磷酸鹽重吸收，從而促進(jìn)磷酸鹽的排泄，并減少骨化三醇的合成。骨化三醇的降低會限制腸道對磷酸鹽和鈣的吸收[34]。骨化三醇水平降低和腸道鈣吸收減少導(dǎo)致的低鈣血癥，進(jìn)一步促進(jìn)甲狀旁腺激素分泌、甲狀旁腺功能亢進(jìn)和腎性骨營養(yǎng)不良的形成。而FGF23 需要α-KL 才能與FGFRs 結(jié)合，形成三元復(fù)合物，然后在硫酸乙酰肝素的參與下形成的三元復(fù)合物進(jìn)一步二聚化，從而激活下游的信號通路發(fā)揮功能。

2.7 α-KL 與神經(jīng)損害 腎/腦軸受到越來越多的關(guān)注，尿毒癥毒素可以直接或者間接損害神經(jīng)系統(tǒng)。5/6 腎切除大鼠中部分出現(xiàn)了的記憶功能和空間探索功能下降，并與額葉皮質(zhì)的Kl 蛋白呈負(fù)相關(guān)[35]。α-KL 基因敲除小鼠表現(xiàn)出視神經(jīng)和體髓鞘顯著受損[36]。在體外細(xì)胞培養(yǎng)中α-KL 缺陷激活p38MAPK通路，誘導(dǎo)氧化亞氮應(yīng)激和端粒功能障礙相關(guān)基因失調(diào)，從而導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、神經(jīng)炎癥；而在小鼠體內(nèi)實驗中，α-KL 敲除促使炎癥因子表達(dá)增加并觸發(fā)巨噬細(xì)胞浸潤[37-38]。此外，α-KL 還調(diào)控Akt/FoxO1、NF-κB 等其他經(jīng)典炎癥信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮作用；α-KL 甚至還可以改善糖尿病的小腦損傷[39-41]。α-KL在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用除了直接的，還有間接作用。研究表明，較高的血清磷水平與癡呆癥的發(fā)病風(fēng)險增加有關(guān)，而α-KL 也可以通過調(diào)節(jié)磷等間接參與CKD相關(guān)認(rèn)知功能障礙的發(fā)生[42]。

3 展望

綜上所述，α-KL 在CKD 中發(fā)揮著抗氧化、抗炎、抗凋亡、保護(hù)血管和神經(jīng)、調(diào)節(jié)自噬、表觀遺傳學(xué)等多種生物學(xué)功能，是生物進(jìn)化過程中的有利基因。盡管α-KL 蛋白的分子功能還未完全破譯，而且針對α-KL治療的研究尚未進(jìn)入臨床階段，但已明確過表達(dá)α-KL具有改善腎病損傷及延緩CKD 并發(fā)癥等至關(guān)重要的作用，因此內(nèi)在刺激或外援補(bǔ)充α-KL 或許將成為CKD治療的潛在靶點。