K lotho基因与骨质疏松关系研究进展

邓小琴，杨秋晨，唐 芸综述，马厚勋审校

（重庆医科大学附属第一医院老年病科，重庆400016）

K lotho基因与骨质疏松关系研究进展

邓小琴，杨秋晨，唐 芸综述，马厚勋审校

（重庆医科大学附属第一医院老年病科，重庆400016）

基因； 骨质疏松； 多态性，遗传； 磷/代谢； 综述

骨质疏松症是随年龄增长出现的一种病理生理现象。目前，全世界约有2亿人患骨质疏松症。WHO定义骨质疏松是一种以骨量降低和骨微结构破坏为特征，导致骨脆性增加，易发生骨折为特征的全身性骨病。遗传基因对骨代谢平衡调控方面起重要作用[1]，克老素（KL）是与寿命和各种衰老表型相关的基因，有研究表明在小鼠体内过表达可以抗衰老、延长寿命，而对KL鼠研究发现KL蛋白低表达加速皮肤、肌肉萎缩、动脉硬化、骨质疏松等衰老过程[2-3]。但KL与骨质疏松的关系及其与骨代谢的调节作用正在进一步研究中，近几年有学者从基因多态性、信号通路等研究骨质疏松和KL，这些前期研究可指导易感基因人群预防骨质疏松，且可针对基因水平研究骨质疏松治疗。

1 KL生物学特征

KL编码一条单链的跨膜蛋白（主要由肾小管分泌），以2种存在形式，即膜蛋白和分泌型蛋白；膜蛋白参与成纤维细胞生长因子23（FGF23）相关的钙、磷骨代谢过程，其分泌型分布在血液、尿液中，作为一种体液因子作用于细胞表面多种糖蛋白，如离子通道、胰岛素及类胰岛素生长因子受体等[3]。

KL基因缺陷小鼠其骨组织出现类似于原发性骨质疏松症改变，而在不同人群其KL基因单核苷酸多态性与骨密度也有明确相关性，提示原发性骨质疏松症的发生、发展可能与KL基因表达异常有关。

2 KL基因多态性与骨质疏松

人的骨密度是机体基因和环境共同相互作用的结果，实际上Ralston等[4]认为基因在骨密度（BMD）方面扮演着重要的作用，并且不同基因在不同年龄阶段、不同生理阶段及不同性别间起着不同作用。多中心研究表明在KL-/-小鼠中可出现类似人类衰老的各种表型，包括骨质疏松，由此推测KL基因多态可能与骨质疏松有关[4-5]。Kawano等[5]早期研究报道在55例大于65岁绝经期妇女的小样本中提示KL基因可能与骨质疏松有关。随后Mullin等[6]报道了1 190例白种人绝经后妇女KL基因多态性与骨形成、骨吸收的生物指标、骨结构（包括髋骨、股骨颈的BMD）、骨折发生率，结果显示KLC1775G＞ A、IVS1+8262C＞T、C387T的基因多态性与骨结构、骨折及骨吸收标志物无相关性，但C1775G携带者的骨钙素水平低于A等位基因携带者，提示KL基因产物可能影响了成骨细胞活性，而未影响破骨细胞活性，其结果表现为BMD及微结构未受影响，即未出现骨质疏松样改变，但也不排除其他基因及环境等综合因素对BMD的维持。为此，KL基因上述位点是否与人体BMD有关，还有待进一步研究加以证实。

有关在KL F352V与BMD的关系方面研究中，Zarrabeitia等[7]通过检测362例西班牙男性的F352V基因型和各部位（包括腰椎、股骨颈、髋骨和跟骨）的BMD，其研究发现携带FV+VV基因型的BMD与FF携带者的无明显区别，但在年龄小于或等于53岁的中、青年人群中，FV+VV基因型携带者的BMD明显高于FF基因型，提示KL基因多态性是影响BMD的遗传因素之一。Riancho等[8]研究表明在女性群体中F352V基因型和BMD的关系与绝经状态有关，即在绝经前妇女的F352V基因型和BMD无关，绝经后携带FV+VV基因型的妇女BMD较FF基因型携带者高。由此推测F352V多态性与绝经后妇女BMD有一定的关系，而FF基因型可能是其骨质疏松的遗传危险因素。日本学者Yamada等[9]研究发现KLG-395A基因型同样与绝经状态有关，绝经后日本妇女GG基因型BMD明显低于AA基因型，但在绝经前却无明确关联，提示在该群体妇女中KL基因G-395A基因型是导致骨量减少的敏感基因。田小春等[10]研究KLG-395A SNP与原发性骨质疏松症的相关性时，还发现KLG-395A SNPAA等位基因型与男性老年人骨质疏松症有关。

3 KL基因表达产物与骨质疏松

有关于腺病毒介导的KL基因表达对去势大鼠Runx2及基质金属蛋白酶-13（MMP-13）表达的影响的研究，其中Runx2是一种骨特异性转录因子，在骨组织的形成和重建方面起重要作用[11-12]，Runx2启动子的活性与BMD有关，研究表明其P2启动子活性越高，BMD越高[13-14]；而MMP为骨分解代谢的指标，在破骨细胞移行和骨基质吸收发面发挥重要作用。王艳娇等[15]通过对腺病毒介导的KL基因表达对去势大鼠Runx2及MMP-13研究时，发现腺病毒介导的KL基因表达组（KO组）与对照组比较，其骨组织Runx2表达上升，而MMP-13表达下降，但与假手术组比较无明显差异；骨微结构方面，KO组相比于对照组其骨小梁数目增多，骨质排列等形态结构较对照组明显改善，且其骨髓腔内造血细胞数较前增多，脂肪细胞减少。上述研究结果表明KL基因表达上调可明显改善去势大鼠骨代谢及骨微结构改变，具体原因尚不明确，可能与其分泌型KL蛋白经血液循环到达骨组织影响成骨、破骨相关信号通路而发挥骨代谢调控作用有关。

4 KL对骨代谢的影响

4.1 KL分泌蛋白、FGF23对钙磷代谢的调节

4.1.1 血清磷调节 FGF23是一种具有激素作用的利磷因子，一种参与血磷代谢调节的细胞因子，同时可抑制骨化三醇的生物合成，主要由骨细胞产生，其通过远距离调节肾脏对磷的重吸收而有效维持机体血磷稳态。当机体的血磷浓度降低时，机体通过以下途径来维持磷内环境稳定[16]：（1）首先通过甲状旁腺激素（PTH）分泌减少从而减少尿磷的排泄，其次通过减低FGF23活性（FGF23的生物学效应是其分泌增多促进尿磷排泄，分泌降低减少尿磷排泄），即FGF23刺激钠/磷共同转运体（NPT2a和NPT2c）促进尿磷重吸收。（2）另外FGF23合成减少反向导致1，25-二羟维生素D3[1，25（OH）2D3]增多，从而促进钙、磷吸收。已有研究表明肾脏分泌的Klotko蛋白也参与磷稳态调节过程，其通过与成纤维细胞生长因子受体1（FGFR1）结合促进FGF23分泌并抑制1，25（OH）2D3的合成来降低血磷，从而参与磷代谢调节；另一方面KL在骨代谢方面，通过作用于肾小管上皮细胞的钙通道（TRPV5）刺激骨吸收及骨磷释放而维持血磷稳态。研究发现高浓度的1，25（OH）2D3不仅可以刺激破骨细胞分化导致骨吸收和骨磷释放，也可以刺激骨FGF23合成来控制骨吸收过程，从而来维持磷代谢稳定。

4.1.2 血钙调节 PTH通过3条途径即PTH促进尿钙重吸收，1，25（OH）2D3合成，骨重建等维持血清钙的平衡[16]。KL产物KL蛋白在肾脏高表达后作用于TRPV5促进钙内流，KL不仅刺激肾脏远曲小管重吸收钙，维持TRPV5的稳定性；也通过促进小肠TRPV6的表达及作用，进而促进小肠对钙的重吸收。在骨代谢方面，KL通过破骨细胞途径促进骨重吸收，并通过TRPV5通道使骨钙释放；另外1，25（OH）2D3升高刺激破骨细胞分化、骨重吸收、骨钙释放。

4.2 KL对骨、矿物质及维生素D代谢的调节 有研究表明KL通过如下机制参与骨、矿物质及维生素D代谢的调节：（1）KL作为一种FGFR1的辅助因子参与FGF23信号转导过程及调节甲状旁腺激素的分泌[17-19]。（2）干扰胰岛素及胰岛素生长因子-1的细胞内信号转导。（3）类似于β葡萄糖苷酸酶与TRPV5的糖基结合而激活离子通道TRPV5，从而调节肾对钙、磷吸收。因此KL、FGF23调控着机体骨-肾分泌轴。

KL蛋白能与各种FGFRs结合[17]，KL是作为一种辅助因子诱导FGF23受体激活，从而发挥其生物学效应[20]，有研究表明KL蛋白细胞外区域间接增强FGF23与其受体复合物（Klotho-FGFRs）结合的亲和力[18-19]。另有临床研究表明，FGF23过多可导致多种低磷血症疾病，如FGF23活性缺乏导致高磷血症性瘤样钙化[21]。通过在体基因操纵研究显示缺乏FGF23的小鼠和缺乏KL小鼠均出现血清维生素D增加及矿物离子稳态改变；但通过饮食限制或基因人工操作途径，消除或减少血清FGF23水平和KL突变小鼠的维生素D活性，便可延缓早衰相似特征和异位钙化，并且延长其生存期[22-23]，上述结果表明过度的维生素D活性和矿物离子稳态改变能够加速衰老进程。

Shalhoub等[24]研究发现FGF23和Alpha-KL刺激成骨MC3T3.E1细胞增殖，抑制骨基质矿化作用。FGF23在成骨细胞的过表达抑制骨质矿化，研究者运用外源性的FGF23/KL作用于MC3T3.E1细胞，分为四组：MC3T3.E1+ FGF23（0.1～1 000.0 ng/mL）、MC3T3.E1+KL（50 ng/mL）、MC3T3.E1+KL（50 ng/mL）+FGF23（0.1～1 000.0 ng/mL）及对照组MC3T3.E1+FGF23（100 ng/mL），空白组在培养4 d时细胞增殖受影响，培养14 d时矿化受影响，KL+FGF23在14 d时骨矿化和成骨细胞活性均受影响，但细胞增殖是可恢复的，碱性磷酸酶活性完全恢复可能在7 d左右，碱性磷酸酶（ALP）活性部分恢复通过MAPK抑制剂U0126，因此可溶性KL可能通过FGFR1通路使FGF23作用于MC3T3.E1细胞；另外FGF23通过间接磷丢失影响骨代谢，FGF23+可溶性KL在那些导致血清高FGF23水平的疾病中，可直接损害骨质。有体外实验还发现，FGF23过度表达不仅抑制成骨细胞分化还抑制骨基质矿化，提示FGF23过表达抑制骨形成[25]。

4.3 KL对骨细胞及骨转换的影响 Kawaguchi等[26]早在2002年就KL基因缺陷老鼠低转换型骨量减少的分子和细胞水平的机制进行了研究，其在试验中观察到KL-/-小鼠骨量减少同时伴随有低骨转换率存在，其骨吸收大于骨形成进而导致骨小梁变稀疏；在病理生理学上类似于因衰老导致的骨质疏松表现。在进一步的实验发现，来自KL-/-鼠的成骨细胞在体外培养时能够正常增殖，但其ALP活性和基质矿化与对照组比较却明显降低；对于来自KL-/-鼠的破骨细胞体外培养有正常的骨吸收活性和存活率，但是从骨母细胞分化成破骨细胞过程明显发生紊乱：在来自KL-/-鼠成骨细胞和破骨母细胞的共培养过程中，有破骨细胞活性的抗酒石酸酸性磷酸酶阳性的多核破骨细胞极少。提示KL-/-小鼠KL表达产物缺乏导致成骨细胞和破骨细胞单独分化障碍，这也可能是骨质疏松低转换率的原因所在。

国外学者Suzuki等[27]研究发现KL基因缺陷小鼠其骨组织出现类似于原发性骨质疏松症改变，通过透射电镜观察发现在KL基因缺陷小鼠，其平扁的成骨细胞呈散在分布于干骺端骨小梁区；与野生型小鼠相比，其成骨细胞中已发育良好的细胞器则更少，干骺端骨小梁区未矿化基质增多、钙磷沉积呈散在而不均匀分布，说明KL缺乏不仅使其成骨细胞数量减少，而且影响了成骨细胞功能，干扰了骨矿化，进而影响骨代谢过程，即提示原发性骨质疏松症的发生、发展可能与KL基因表达异常有关。

综上，KL、α-KL和FGF23主要是调节血磷、血钙、维生素D3稳态以及骨的矿化等，其中机体各激素的稳态是维持骨代谢的基础，说明以上因子与原发性骨质疏松症的发生有一定关联。但其在骨代谢调节中的具体发生、发展机制目前尚未完全清楚，有待进一步研究。

5 小 结

目前关于KL基因与骨质疏松症的研究主要集中在：（1）基因多态性，其中可能与骨质疏松有关的基因型有F352V、G-395A，但仍受种族、性别、激素水平影响，以上因素相互作用从而导致研究结果多样化，但相关研究仍提示KL基因多态性在骨质疏松的发生发展起着主要作用；（2）KL、FGF23对骨、矿物质及维生素D代谢的调节起重要作用。机体内KL、FGF23、α-KL水平稳定是预防骨质疏松症的关键，骨质疏松症的发生发展正是以上激素水平紊乱所致。其具体机制仍在进一步研究中，以上结论对于临床骨质疏松症的防治具有指导作用。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.07.015

：A

：1009-5519（2015）07-0999-03

2014-12-10）

国家自然基金资助项目（30672212）；国家临床重点专科项目（国卫办医函〔2013〕544号）；重庆市卫生局医学科研计划项目（2010-2-079）。

邓小琴（1987-），女，重庆渝北人，硕士研究生，主要从事基因与衰老相关研究；E-mail：28703100@qq.com。