α-Klotho、钙磷稳态与衰老

陈佑平 李法琦 (重庆医科大学附属第一医院老年科,重庆 400016)

α-Klotho、钙磷稳态与衰老

陈佑平 李法琦 (重庆医科大学附属第一医院老年科,重庆 400016)

衰老;钙磷稳态;α-K lotho;维生素D

为什么会有衰老?它是如何发生发展的?有没有方法可以控制衰老?人类研究衰老已有数千年,但这些问题仍未找到答案。1997年在一种突变小鼠中意外发现了α-K lotho基因,该基因的缺失导致血钙、血磷浓度升高、一系列类似衰老的表现和寿命缩短〔1〕。之后发现敲除成纤维生长因子 (FGF)23基因的小鼠也有高血钙、高血磷及各种衰老表现和短寿命〔2〕,而敲除维生素D受体(VDR)基因的小鼠则表现为血钙和血磷浓度降低,但同样亦出现提前衰老和短寿命〔3〕,纠正钙磷紊乱可改善突变小鼠的这些异常表现〔4～7〕。上述研究表明钙磷稳态和衰老之间存在内在关联。由于α-K lotho位于钙磷稳态调节系统的中心,与钙、磷、FGF23、维生素 D等均有密切联系,且可延长小鼠寿命〔8〕,故本文从α-K lotho出发对钙磷稳态与衰老的研究进展进行综述。

1 α-K lo tho基因简介

1.1 结构 人类α-K lotho基因定位于染色体 13q12〔1〕,长约50 kb,根据结构推测它编码一种 Ⅰ型膜蛋白 (分子量为70 kD),且该蛋白的细胞外区域结构类似于β-葡萄糖苷酶〔9〕。但实际在细胞中检测到的α-K lotho蛋白 (α-K l)主要以两种形式存在于细胞质内,一种分子量为 120 kD,仅位于内质网,另一种分子量为 135 kD,位于初级内体和高尔基体内,会被分泌到细胞外,可在血液、尿液、脑脊液中检测到〔10〕。

1.2 功能 α-K lotho主要在肾脏、甲状旁腺和脉络丛等组织中表达〔11〕,敲除该基因会导致小鼠出现血钙、血磷、甲状旁腺激素(PTH)、FGF23和 1,25-(OH)2D浓度升高、降钙素浓度降低、骨密度下降、各种软组织(如皮肤、心脏、肾脏等)异位钙化、活动减少、听力障碍、动脉硬化、肺气肿、皮肤萎缩以及短寿命(平均寿命为 60 d,最长不超过 100 d)等异常表现〔1,4〕。α-K lotho的主要功能为调节钙磷稳态,位于钙磷稳态调节系统的中心。

1.2.1 α-K lotho与钙 ①新型钙离子通道 TRPV 5。TRPV 5是一种新发现的钙通道,α-K l可水解其胞外的N-连接糖残基,去除糖链末端的唾液酸,使其与胞外的半乳凝素结合,增加其在肾小管上皮细胞顶端膜的丰度,使 Ca2+进入细胞增多,从而促进 Ca2+的重吸收〔12〕。②Na+-K+-ATP酶。135 kD的α-K l可与其结合成一种复合物。正常情况下,当细胞外钙浓度降低时,细胞膜的 Na+-K+-ATP酶会立即增多,随之 PTH分泌、Ca2+内流增多,而α-K lo tho突变纯合子 (α-k l-/-)小鼠对细胞外Ca2+浓度降低的反应极弱,说明当细胞外钙浓度降低时,α-K l可能与Na+-K+-ATP酶结合并向细胞膜转移,然后α-Kl解离、分泌,细胞膜的 Na+-K+-ATP酶增多使 PTH分泌增多、Na+梯度增加,继而Na+-Ca2+交换增多使 Ca2+向细胞内转移,游离的α-K l又能促进肾脏对钙的重吸收,从而恢复钙的稳态〔10〕。1.2.2 α-Klotho与磷 血磷主要为无机磷 (Pi),其浓度主要取决于近曲小管由Ⅱ型钠离子依赖性磷转运载体 a(NaPi-Ⅱa)介导的重吸收。PTH和 FGF23是 NaPi-Ⅱa的主要调节因子。其中 FGF23可通过降低近端小管上皮细胞顶端膜上 NaPi-Ⅱa的丰度降低血磷〔13〕。2006年,有学者发现α-K l可与 FGF23结合并将 FGF受体 1(Ⅲc)转变为同 FGF23具有高亲和力的受体〔14〕。随后又有研究表明 FGF23仅能缓解 FGF23-/-小鼠的症状,而对 FGF23-/-/α-k l-/-(同时敲除 FGF23基因和α-K lotho基因)和α-k l-/-小鼠没有作用,表明 FGF23的作用依赖于α-K l〔15〕。α-Kl还可与 FGF23一起抑制 1α-羟化酶基因的表达,减少 1,25-(OH)2D的合成〔2〕。

2 α-Klo tho、钙磷稳态与衰老

2003年,Tsu jikawa等〔4〕发现限制维生素 D的摄入可使αk l-/-小鼠血钙、血磷、1,25-(OH)2D浓度恢复正常、纠正各种衰老表现并延长其寿命(生存 15周以上)。而限制磷的摄入可纠正 FGF23-/-小鼠的高磷血症、各种衰老表现并延长其寿命〔7〕,增加钙、磷的摄入可升高VDR-/-小鼠血钙、血磷浓度并延长其寿命〔16〕,说明这些小鼠的衰老表现和短寿命继发于血钙、血磷和 1,25-(OH)2D的浓度异常。

2.1 钙与衰老 钙与骨质疏松的关系最引人注目,但骨质疏松并非衰老的原因,也不是上述突变小鼠的主要死因。机体衰老时不仅骨钙会减少,细胞内钙也会发生异常,如衰老时神经元细胞内 Ca2+浓度增加〔17〕,心肌细胞的钙瞬变幅度降低、时间缩短,钙火花发生频率增加〔18〕,这些电生理改变与结构和功能的异常密切相关。钙在机体内作用广泛,尤其是细胞内 Ca2+,作为一种第二信使参与各种重要的生命活动,它的异常无疑会打乱整个信号通路网络,导致各种问题。α-k l-/-小鼠就存在这些问题。它的红细胞由于细胞内钙浓度增高导致细胞体积缩小,对氧化应激和葡萄糖缺乏的耐受力下降,而网织红细胞增多,表明红细胞的功能衰退、寿命缩短〔19〕。另外,20 h的束缚应激可使 2/3的α-k l-/-小鼠发生猝死,同时伴有窦房结功能障碍(窦房传导阻滞或窦性停搏)。在体外,与正常同龄野生型小鼠相比,乙酰胆碱对其窦房结有较强的负性频率作用,而异丙肾上腺素对其的正性频率作用较弱。在心脏中α-K lotho基因仅在窦房结表达,但尸检未发现窦房结结构异常,说明其窦房结功能障碍可能由电生理异常所致〔11〕。

2.2 磷与衰老 磷与衰老的具体关系还不清楚,但根据它在生命活动中的重要作用 (参与能量代谢、核酸和脂质双分子层的合成、信号传导等),限制磷的摄入 (仅纠正高磷血症,血钙、1,25-(OH)2D的浓度仍异常)即可纠正 FGF23-/-小鼠的各种衰老表现并延长其寿命〔7〕,可以推测它也是衰老过程中的一个重要角色。

2.3 维生素D与衰老 维生素D缺乏时骨质疏松、高血压、肿瘤发生的风险增加,VDR-/-小鼠也有这些表现〔20〕,但它们既不是突变小鼠的主要死因,也不是衰老的原因。对于各种生物而言,抑制胰岛素和胰岛素样生长因子 (IGF)1的信号传导均可抑制衰老。α-k l-/-小鼠与同龄正常野生型小鼠相比,血糖和胰岛素水平降低,胰岛素敏感性升高,打乱胰岛素和 IGF1的信号传导可改善α-k l-/-小鼠的症状,限制维生素D的摄入可使血糖和胰岛素水平恢复正常,纠正各种衰老表现并延长其寿命,说明胰岛素和 IGF1信号通路的异常继发于维生素 D浓度升高,提示胰岛素和 IGF1信号通路可能是维生素 D调节衰老的一个重要途径〔4,8〕。

2.4 α-K lotho与衰老 α-K lotho基因可能还有独立于钙、磷、维生素D以外的作用。转基因技术高表达α-K lotho基因可使小鼠对 IGF1产生抵抗,寿命延长 18.8%～30.8%〔8〕,在体外α-Kl可抑制胰岛素和 IGF1的信号通路的活化以及乳腺癌细胞的增殖〔21〕,说明也许α-K lo tho本身即可通过胰岛素和 IGF1信号通路抑制衰老。此外,α-K lo tho还有心血管和肾脏保护作用。在体外α-K l可抑制肿瘤坏死因子(TNF)-α诱导的内皮细胞黏附分子的表达和核因子 (NF)-κB的活化〔22〕,在体内它可改善自发性 2型糖尿病大鼠(OLETF)大鼠的内皮功能、增加一氧化氮的生成、降低血压〔23〕。通过转基因技术使肾小球肾炎小鼠(ICGN)小鼠过度表达α-K lotho基因可明显改善其肾脏的功能和形态学损害,将其 40 w生存率由 30%升至 70%〔24〕。这些研究表明α-K lo tho的心血管和肾脏保护功能也可能是其抗衰老的机制。

3 结 语

钙磷稳态不仅仅是指血钙、血磷的浓度正常,而是指包括骨钙、骨磷、血钙、血磷、细胞内钙、磷、α-K lotho、维生素 D、各种信号通路等在内的一个完整系统的整体的平衡。衰老不是一个独立的奇怪现象,它和生长发育一样是连续的生命中的一个阶段,是受基因调控的一个精确的过程。维持钙磷稳态的平衡对控制衰老至关重要。尽管现在我们对钙磷稳态和衰老有了一些认识,但仍欠全面、详细,随着研究的不断进展,调节钙磷稳态的完整网络和衰老的具体机制终将被探明,继而应用于临床,帮助我们除人类之病痛,助健康之完美。

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〔2009-08-05收稿 2009-11-26修回〕

(编辑 李相军/张 慧)

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李法琦(1956-),男,博士,教授,主任医师,硕士生导师,主要从事老年医学和心血管疾病的研究。

陈佑平(1985-),男,在读硕士,主要从事老年医学的研究。