肾脏调节尿酸排泄的分子机制

任贵生　综述　胡伟新　审校

痛风是长期嘌呤代谢紊乱所导致的一种炎症性关节炎，临床主要表现反复发作的伴剧烈疼痛的急性关节炎，尤其以第一跖趾关节为常见。此外，痛风与代谢综合征、心肌梗死、糖尿病及肾脏损害等密切相关[1，2]。高尿酸血症是痛风发病的重要生物化学基础。尿酸是嘌呤代谢的终末产物，在人体内生成后，经肾小球的滤过、肾小管的重吸收、分泌及再吸收等过程，最终通过尿液排出。因此，任何影响嘌呤代谢和尿酸排泄过程的因素，均有可能导致高尿酸血症。嘌呤的生成与转化主要在肝脏中进行,肝脏中磷酸核糖焦磷酸(PRPP)合成酶的活性增加、次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(HGPRT)的缺乏及葡萄糖6-磷酸酶(G-6-pase)的缺乏可通过促进内源性嘌呤的合成而提高血尿酸水平。在尿酸生成后，血尿酸水平的调节主要通过肾脏完成。对于人类，近端小管重吸收对调节血尿酸水平起着关键作用。重吸收异常将会导致尿酸排泄的异常，进而引起高尿酸血症或低尿酸血症，而尿酸的分泌在这其中所起的作用相对并不明显[3]。在过去数年中，包括全基因组关联研究(GWAS)及Meta分析在内的大量研究发现了许多与高尿酸血症相关的新基因，这些基因协同作用，通过影响尿酸在肾小管中的重吸收和分泌(图1)，影响血尿酸的水平[4]。

2009年，Kolz等[5]的一项大样本量的Meta分析表明，与血尿酸水平密切相关的基因包括SLC2A9(P=5.2×10-201)、ABCG2(P=3.1×10-26)、SLC22A12(P=2.0×10-9)、SLC17A1(P=3.0×10-14)、SLC22A11(P=6.7×10-14)、SLC16A9(P=1.1×10-8)、LRRC16A(P=8.5×10-9)及PDZK1(P=2.7×10-9)。然而，在2010年的一项研究中，SLC16A9和LRRC16A的全基因组显著性仅仅是临界水平(分别为P=1.7×10-7，P=1.3×10-7)[6]。此外，最新的一项GWAS又发现了若干与血尿酸水平相关的基因(图2)[7]。在上述的基因中，目前研究较为充分的是SLC2A9、ABCG2及SLC22A12，有关其他基因的研究尚不多。

图1　各种基因在尿酸转运中的作用[4]

图2　全基因组关联研究发现的与高尿酸血症相关的基因(以全基因组显著性P<5×10-8为标准)[11]

SLC2A9与高尿酸血症

SLC2A9基因位于人类染色体4p15.3-16，包括12个外显子，长195 kb，编码540个氨基酸。除了与家族性低尿酸血症有关的功能失活突变外，尚无关于SLC2A9与血尿酸水平相关的突变的系统描述[8]。然而，SLC2A9的突变与血尿酸水平的关系在GWAS信号的精细定位中已经取得了一定的进展[9]。SLC2A9的编码序列中存在着大量的变异，至少24个注释的非同义突变已被鉴别[4]。一项GWAS表明，SLC2A9的非编码基因变异与降低体内的尿酸浓度关系密切，且可有效地增加尿酸分级排泄(FEua)[10]。SLC2A9对血尿酸水平的影响存在着明显的性别差异，对于德国和澳大利亚人群的GWAS表明，SLC2A9对于女性血尿酸水平的影响是男性的5倍[11]。

此外，SLC2A9编码序列的变异对于血尿酸水平的影响还存在着明显的人群差异，这可能是由于基因的连锁失衡造成的。例如，在一些研究中，生物化学上保守的Val253Ile突变与血尿酸的水平密切相关[12]，而在另外一些研究中则无这样的联系[13]。在太平洋岛民中，无论是保护性的基因型还是易感性的基因型，Val253Ile基因和未突变的基因均存在，这表明对于该人群而言，Val253Ile变异对于高尿酸血症的易感性并无实质性的作用[14]。同样，在一些人群中，Arg265His变异与高尿酸血症有关，而在另外一个人群中同样的结论并不能成立[15，16]。对中国汉族女性的研究表明，SLC2A9基因启动子区的rs13124007(C/G)及rs6850166(A/G)位点的单核苷酸多态性与中国汉族女性高尿酸血症的易感性无明显的相关性[17]。

SLC2A9基因对血尿酸水平的影响是通过其编码的葡萄糖转运体9(GLUT-9)实现的。传统上认为GLUT-9主要与糖代谢有关，但大量研究表明GLUT-9也参与调节肾小管转运尿酸，在近端小管尿酸盐的重吸收中起重要作用[13]。GLUT-9存在着两种异构体，分别是含有540个残基的GLUT-9a和511个残基的GLUT-9b。这两种异构体是由SLC2A9选择性剪接造成的，在膜转运中表现出不同的特点。在转运入人GLUT-9的犬肾上皮细胞系中，GLUT-9a分布于基底外侧膜，而GLUT-9b则分布于顶端膜[18]。在人类肾脏中可同时检出GLUT-9a和GLUT-9b的mRNA和蛋白质，GLUT-9a在近端小管基底外侧膜表达可能与尿酸盐从近端小管中排出有关，GLUT-9b在顶端膜表达，提示其可能协助转运尿酸盐通过顶端膜进入近端小管上皮细胞[4](图1)。除肾脏外，GLUT-9还表达于肝细胞(GLUT-9a、GLUT-9b)、软骨细胞(GLUT-9a)、肠细胞(GLUT-9a)及白细胞(GLUT-9a、GLUT-9b)[13，19，20]。Döring等[21]研究发现，白细胞中GLUT-9b mRNA的表达相对于GLUT-9a mRNA而言与血尿酸水平的关系更为紧密，这表明GLUT-9b对于维持体内尿酸盐的稳态也许更为重要。

ABCG2与高尿酸血症

ABCG2是ABC转运体家族成员，定位于人类染色体4q22-q23，大小为67 171 bp，编码含有655个氨基酸残基的ABCG2 蛋白。根据对东亚、非洲及高加索人群的ABCG2单核苷酸多态性研究，ABCG2的C421A位点的A等位基因频率在中国人群为29.0％～34.2％，在非洲人群为0.9％～5.3％，在高加索人群为8.7％～11.9％[22]。这个等位基因是由ABCG2第5个外显子的rs2231142突变所导致的，在白人、非洲人群及亚洲人群中，其与高尿酸血症的关系非常紧密[12]。一项GWAS表明，与野生型相比，C421A变异大大减少了尿酸的分泌，进而导致了尿酸分泌与重吸收的失衡，最终导致了高尿酸血症[23]。

ABCG2蛋白是由6个跨膜螺旋结构域及1个单独的ATP结合域组成的，其广泛存在于正常组织内，发挥着维持细胞稳态、减轻细胞在低氧环境下的损伤等生理功能。ABCG2蛋白在肾单位近端小管刷状缘膜中表达，在尿酸盐的顶端分泌中发挥着作用[23]。此外，ABCG2蛋白还在小肠及肝脏的上皮细胞顶端膜中大量表达，这表明其在尿酸的肾外排泄中可能也有一定的功能[24]。Sakurai等[3]研究发现，在高尿酸血症患者及ABCG2基因敲除的大鼠中，ABCG2蛋白的低表达增加了通过肾脏排泄的尿酸，减少了通过肠道排泄的尿酸，这提示ABCG2基因可能主要是通过调控肠道尿酸的排泄来调节血尿酸水平。

SLC22A12与高尿酸血症

人类SLC22A12基因位于染色体11q13，全长2 642 bp，其中编码区1 659 bp，编码由555个氨基酸残基、12个跨膜区域及细胞内部的-NH2和-COOH组成的尿酸重吸收转运子1(URAT1)。已经证实，SLC22A12的功能丧失性突变与家族性肾性低尿酸血症相关[25]。但SLC22A12的基因突变与高尿酸血症的联系也已经被报道。对于日本人群[26]及中国上海人群[27]的研究发现，SLC22A12内含子的一个单核甘酸变异(rs893006)与男性血尿酸水平相关，rs893006基因型为GG型或GT型的个体，其血尿酸水平明显高于TT型个体。这提示rs893006基因的多态性可能与东亚人群高尿酸血症的发生相关。而德国的Graessler等[28]研究则发现，SLC22A12基因N端的3种不同多态性(启动子上的A788T突变、外显子1上的C258T突变及外显子2上的C426T突变)均与FEua的递减有关。其中，关系最为紧密的是C426T突变，其CT基因型和TT基因型个体的血尿酸水平明显高于CC基因型个体(P=0.000 2)。这提示在不同种族的人群中，存在着不同的易感单核苷酸多态性位点。此外，对于不同的人群而言，SLC22A12基因对于血尿酸水平的影响也存在一定的差异。在具有欧洲血统的人群中，SLC22A12对血尿酸水平的影响相对较小，而且这种影响可能是由SLC22A12与SLC22A11基因的连锁失衡所导致的[6]。然而，Tin等[29]基于非洲裔美国人GWAS数据的Meta分析却发现一个新的罕见的SLC22A12基因的非同义突变(rs12800450)对血尿酸水平的影响很大(P=2.7×10-16)。该突变有1％的等位基因频率，其在蛋白质水平上可导致65号位的甘氨酸被色氨酸所取代。这种变异后的蛋白质所具有的尿酸盐转运能力弱于野生型的URAT1，说明rs12800450的突变可能抑制了近端小管尿酸盐的重吸收。

URAT1在SLC22A12基因对于血尿酸水平的调节中发挥着关键的作用。URAT1在肾小管近端小管上皮细胞刷状缘表达，负责尿酸盐的重吸收[30]。肾小管上皮细胞内有机阴离子积聚，有机阴离子与URAT1有很高的亲和力，细胞内的阴离子与小管腔中的尿酸盐相交换，导致尿酸的重吸收增加。此外，URAT1还是尿酸排泄促进药及尿酸排泄抑制药的作用位点(图1)，在药物对于血尿酸水平的调节中发挥着重要的作用[4]。

其他基因与高尿酸血症及痛风

SLC17A1基因与SLC17A3基因分别编码SLC17A1蛋白(NPT1)和SLC17A3蛋白(NPT4)。这两种蛋白质是表达于近端小管顶端膜的电压依赖性多特异性阴离子转运体，被认为与尿酸盐的顶端分泌有关[31]。除尿酸盐外，它们其他的底物包括丁尿胺及硫酸雌酮等[32]。SLC17A1的Arg138Ala变异及SLC17A3的Val257Phe、Gly279Arg、Phe378Leu变异可导致SLC17A1蛋白和SLC17A3蛋白的功能减弱，进而引起高尿酸血症[13，31]。作为一种支架蛋白，PDZK1可与SLC22A12、SLC22A13、SLC5A8、SLC5A12、SLC22A11、SLC17A1和SLC17A3所编码的蛋白质相作用。因此，PDZK1可能将负责尿酸盐重吸收的URAT1与负责尿酸盐分泌的SLC17A1蛋白连接成一个复合体，进而调节尿酸盐的排泄[33]。

SLC16A9编码MCT9。MCT9是一种钠离子依赖性的转运蛋白，其底物目前还不清楚。但是，一项Meta分析表明SLC16A9基因的rs12356193单核苷酸多态性与血尿酸水平有关[5]。LRRC16A基因编码LRRC16A蛋白。该蛋白存在于肾脏中，可调节肌动蛋白的聚合[34]。但是LRRC16A基因调节血尿酸水平的机制尚不清楚。

小结：尿酸排泄的减少是导致高尿酸血症的重要原因，通过GWAS发现SLC22A12、SLC2A9及ABCG2基因突变与高尿酸血症的关系，在基因水平上揭示了高尿酸血症可能的发生机制，并对痛风等疾病的诊断各治疗具有积极的意义。作为尿酸盐的吸收转运体基因，SLC22A12和SLC2A9基因的功能失活突变将导致尿酸分泌的增加及低尿酸血症，而作为尿酸盐分泌转运体基因的ABCG2的功能失活突变或者功能减弱突变则可导致高尿酸血症。目前其他的许多基因(如SLC17A1、SLC17A3、SLC16A9及LRRC16A等)与高尿酸血症的关系，研究尚不十分充分，对于这些基因，还需要在不同的国家、地区及不同的种族之间开展大规模人群研究，以进一步探索其功能和生理作用，从而明确其在高尿酸血症发生中所起到的作用。

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