Klotho与肾脏疾病

2017-02-27 14:12马振勇田玖玲刘克祥
河北医药 2017年20期
关键词:肾脏病氧化应激肾脏

马振勇 田玖玲 刘克祥

·综述与讲座·

Klotho与肾脏疾病

马振勇 田玖玲 刘克祥

Klotho基因是一种与衰老相关的基因,多种因素可调控其表达。Klotho通过基因表达,产生两种蛋白物质:一种是膜结合型蛋白,即膜结合受体;二种是分泌型蛋白,即体液调节因子。Klotho 参与多种疾病的发生发展,Klotho基因对肾病、心血管疾病、癌症、高血压、神经系统疾病、代谢性疾病有重要意义。近年研究发现,Klotho与肾病关系密切,通过多种生物学功能保护肾脏。Klotho基因在急性肾损伤、高血压肾损害、糖尿病肾病、慢性肾脏病中起重要作用,且Klotho基因对慢性肾脏病的心血管损伤具有保护作用。研究证明,慢性肾脏病正是一种Klotho缺乏的状态,本文探讨Klotho对肾脏的保护作用。

Klotho;急性肾损伤;高血压肾损害;糖尿病肾病;慢性肾脏病

Klotho基因是一种与衰老相关的基因,是1997年日本人Kuro-o等在小鼠模型上发现的,Klotho 蛋白主要在肾脏及脑组织中脉络膜、甲状旁腺等组织中表达,尤其是肾皮质小管上皮细胞[1]。大量研究证实,多种因素调控Klotho的表达。通过基因表达,产生两种蛋白物质:一种是膜结合型蛋白,即膜结合受体;二种是分泌型蛋白,即体液调节因子,后者的表达明显高于前者。Klotho 参与多种疾病的发生发展,Klotho基因对肾病、心血管疾病、癌症、高血压、神经系统疾病、代谢性疾病有重要意义。Klotho基因缺陷可表现与慢性肾脏病、衰老相近的症状,如生长迟缓、生殖器官萎缩、免疫功能异常、骨质疏松、异位钙化、皮肤萎缩、动脉硬化、肺气肿、耳聋和角膜混浊、糖代谢异常等[2]。在慢性肾脏病的小鼠中,血液、尿液、肾脏当中,Klotho表达水平明显低于正常小鼠。Klotho不仅能作为肾损伤的标志物,还是肾损伤的保护性因素。因此,通过补充外源性Klotho蛋白或者提高内源性Klotho基因的表达可以保护肾脏。Klotho基因在急性肾损伤、高血压肾损害、糖尿病肾病、慢性肾脏病中起重要作用,且Klotho基因对慢性肾脏病的心血管损伤具有保护作用。膜结合型Klotho调节代谢稳态,分泌型Klotho抗氧化应激、抑制炎性反应、抑制细胞凋亡、调节离子转运、调控肾素-血管紧张素系统、改善线粒体功能[3]。

1 Klotho基因特性

人、大鼠、小鼠的基因具有同源性,其中人和大鼠之间有83%的同源性,人和小鼠之间有80%的同源性,大鼠和小鼠间有93%的同源性。Klotho基因在不同物种所在的染色体不相同,人的 Klotho 基因位于13号染色体ql2区域,编码区有5个外显子与4个内含子,其长度大于5kb。Klotho基因编码的蛋白是跨膜Klotho蛋白,主要为编码α-Klotho蛋白,其次编码β-Klotho蛋白、γ-Klotho蛋白[4]。Klotho在人体中有膜型和游离型两种存在形式。人类的膜型klotho蛋白由1 012 个氨基酸组成,cDNA长度为3 036 bp,分泌型Klotho蛋白由549个氨基酸组成,cDNA长度为1 647 bp,其中分泌型Klotho蛋白的表达量明显高于膜结合型。膜型Klotho蛋白是含有与B-葡萄糖醛酸苷酶同源性的单向跨膜蛋白,膜型Klotho在近端肾小管上皮细胞表达,可调节代谢稳态,为激素样受体,调节磷排泄,介导成纤维细胞生长因子-23(FGF23)的生物学活性,合成活性维生素。游离型Klotho蛋白缺乏跨膜结构,它以游离的形式发挥生物学效应,游离型Klotho作为体液因子,起到多种生物学效应,如抑制氧化应激,调控离子转运,调节细胞因子的表达,抑制炎性反应,抗细胞凋亡[5]。

2 调控Klotho表达的因素

大量研究发现,多种因素调控Klotho表达,健康儿童Klotho水平明显高于健康成年人,Klotho表达水平随年龄增长而出现下降。上调Klotho表达的因素包括生物活性肽如降钙素基因相关肽(CGRP)、成纤维细胞生长因子-23(FGF23),促红细胞生成素和甲状腺激素,肾素血管紧张素拮抗剂,表皮生长因子与转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体等。许多因素下调Klotho表达,高渗、高糖环境,肾素-血管紧张素系统可使Klotho基因表达下降,此外,尿毒素、氧化应激、细胞凋亡、炎性反应、高磷、成纤维细胞生长因子高表达,肾功能不全等均可下调Klotho表达[3]。

3 Klotho与急性肾损伤

对于急性肾损伤(AKI),Klotho蛋白不仅可作为生物学标记,也是保护性因素。有研究证明,急性肾损伤大鼠中,Klotho蛋白减少在肾脏损伤后3 h便可出现,血肌酐水平变化在Klotho蛋白减少后出现[6]。研究发现将Klotho基因转入缺血再灌注急性肾损伤模型小鼠中,恢复Klotho蛋白表达水平,则肾脏损伤得到缓解,血肌酐降低,表明Klotho缺陷参与缺血再灌注损伤引起的急性肾损伤的病理生理过程[7]。缺血再灌注急性肾损伤后Klotho表达下调可能与肾组织细胞凋亡相关,Klotho蛋白可能可以通过促凋亡因子Bax/抗凋亡因子Bcl-2途径发挥抗凋亡作用[8]。Yamamoto等[9]研究中发现在缺血性肾损害后30 min补充Klotho蛋白可减轻急性肾损伤,表明了Klotho蛋白可阻止肾功能的下降。缺血再灌注损伤、中毒、氧化应激、高血压是导致急性肾损伤的因素。Klotho蛋白对抗急性肾损伤的作用是通过减少炎症伤害、氧化应激、保护肾小管上皮细胞、抑制细胞凋亡、避免组织缺血而实现的。由此可见,急性肾损伤的初期,明显的体征是Klotho蛋白缺失,Klotho 缺失是急性肾损伤的致病因素。

4 Klotho与高血压肾损害

长期高血压导致的高血压性肾损害发病率在我国呈上升趋势,Klotho与高血压肾损害密切相关,有研究发现在对体重指数、年龄等因素进行校正后,Klotho-G395A 等位基因携带者其血压明显高于非基因携带者[10]。Klotho基因多态性与原发性高血压有密切的相关性。肾素-血管紧张素-酲固酮系统(RAAS)是体内调控血压、组织灌注和容量的重要参与者。Ishizaka等[11]研究发现,输注血管紧张素Ⅱ使Klotho在肾脏的表达下调,可以使血肌醉升高,尿蛋白排泄增加。将Klotho基因导入被连续注射血管紧张素Ⅱ的大鼠体内,可减轻肾小管间质的损伤程度,Klotho能够抵抗血管紧张素Ⅱ引起的肾脏损害。重组Klotho蛋白可通过cAMP-PKA途径,增加第二信使cAMP的含量,增加人脐静脉内皮细胞(HUVECs)上锰-超氧化物歧化酶的活性与一氧化氮(NO)的含量,减少活性氧类物质(ROS)的产成,缓解内皮损伤[12]。另外,Klotho基因通过调节基质金属蛋白酶-9、纤溶酶原激活物抑制物-1、金属蛋白酶组织抑制因子-1的表达,抑制细胞外基质的降解,缓解高血压肾损伤,延缓肾间质纤维化[13]。氧化应激在高血压肾损害中起重要作用,Carracedo等[14]证明,将人脐静脉血管内皮细胞暴露于肿瘤坏死因子-α(TNF-α)中,会出现衰老,表达的Klotho蛋白水平下降,将外源性Klotho基因植入人脐静脉血管内皮细胞中,可以阻断因TNF-α引起的氧化应激。Klotho还能抑制活性氧簇相关的氧化应激。可见,Klotho基因与高血压肾损害密切相关,通过抵抗RAAS,增加人NO的产生,改善肾间质纤维化和抑制细胞凋亡等途径抵抗高血压肾损害。

5 Klotho与糖尿病肾病

DN是糖尿病严重的慢性微血管并发症,也是糖尿病死亡的主要原因。Klotho在糖尿病肾病起重要作用,DN发病机制包括血流动力学改变、RAAS系统、肾脏纤维化和炎性反应、细胞凋亡、氧化应激等。DN的肾脏中,其Klotho表达水平降低,Klotho含量下降,其水平与尿微量白蛋白排泄率呈负相关关系,因此,血清Klotho蛋白有可能能作为DN早期诊断的新生物标志物。Klotho和细胞表面的Klotho受体结合能抑制叉头转录因子O(FOXO)的磷酸化,有利于对过氧化物的清除因而抵抗氧化应激[15]。Klotho表达下降可引起NO生成减少,防止内皮细胞损伤。在DN 状态下,Klotho可抑制Wnt信号通路,活化的Wnt通路可延长细胞周期,可促进肾小球足突细胞的凋亡,促进足细胞发生上皮间质转分化(EMT)的发生,Klotho 可通过干扰wnt/β-catenin信号通路抑制肾间质纤维化[16]。Klotho 基因缺失导致转化生长因子β(TGF-β)信号增强加重DN肾纤维化。肾间质纤维化可由 TGF-β1在Ⅰ型、Ⅱ型受体丝氨酸-苏氨酸激酶作为传导介质的作用下诱发,TGF-β1与Ⅱ型受体丝氨酸-苏氨酸激酶结合,形成TGF-βR2,并激活Ⅰ型 TGF-β受体,形成TGF-βR1。Klotho通过与TGF-β1 竞争结合 TGF-βⅡ型受体阻断该信号通路[17]。Klotho基因能够下调糖尿病大鼠肾脏细胞周期负调控蛋白p15、p21、P27基因的表达,对肾脏有保护作用[18]。Klotho基因还可减轻DN患者的胰岛素抵抗。此外,血管内皮功能紊乱在糖尿病早期就已经出现,Klotho调节糖尿病肾病患者的内皮功能紊乱,血管内皮生长因子(VEGF)是调控血管生成过程中的促进因子,提高血管通透性,过度表达增加肾小球滤过膜的通透性,同时可使多种炎性因子分泌,加剧炎性反应,加重DN的发展,Klotho可通过调控VEGF的表达,保护肾脏[19]。氧化应激与DN的发生关系密切,活性氧(ROS)可损伤足细胞,破坏肾小球滤过屏障,ROS还可通过诱导血管紧张素Ⅱ产生,使血流动力学异常而促进DN的形成[20]。Klotho基因涉及DN发病机制的多个环节,抑制DN发展。

6 Klotho与慢性肾脏病

研究证实,CKD是一种Klotho的缺乏状态,血清Klotho水平的降低可能成为新的预测CKD患者肾功能损伤进展的指标。肾脏纤维化为各种进展性肾病最终通路。Klotho 可通过与TGF-β1竞争结合 TGF-βⅡ型受体抑制肾间质纤维化。另有研究发现Klotho可通过抑制肾脏内质网应激反应ERS途径诱导的细胞凋亡,从而减轻肾脏损伤,并减轻环孢素A引起肾毒性的发生[21]。有研究认为Klotho的过表达可抗氧化应激,可能与其调控胰岛素/胰岛素样生长因子-1(Insulin/IGF-1)通路相关[22]。Klotho通过抗氧化应激、抑制炎症与凋亡、抑制内质网应激、调控RAAS系统、缓解线粒体功能异常等途径延缓CKD发展。Klotho可调节矿物质代谢,Klotho蛋白的缺失能够引起CKD患者的高血磷与血管钙化,造成继发性甲状旁腺机能亢进与肾脏的代谢性骨病。研究证实,Klotho可通过细胞质膜微囊调节途径增加肾脏上皮细胞表面Ca2+通道和电压门控阳离子通道V5(TRPV5)密度,影响钙代谢[23]。成纤维细胞生长因子23在骨-肾-甲状旁腺轴中起重要作用,FGF23 由骨细胞和成骨细胞分泌,是人体内功能强大的调磷激素[24],参与调控骨矿物质代谢。FGF23-Klotho 轴是血磷代谢的重要调节剂,Klotho基因敲除小鼠与FGF23 基因敲除小鼠有类似的血管钙化及钙磷代谢紊乱的表现。FGF23与多种成纤维细胞生长因子受体相结合,发挥其调磷的生物学活性,FGF23可降低肾脏近端小管上皮细胞钠磷共运输蛋白的表达,减少磷的重吸收。FGF23通过Klotho依赖型及非依赖型两种途径发挥生理作用。FGF23-Klotho 轴是血磷代谢的重要调节剂,FGF23-Klotho 轴抑制1-α-轻化酶基因的表达参与调控 1,25(OH)2D3的代谢, 减少肠道磷的吸收,促进肾脏磷的排泄[25]。Klotho蛋白表达的缺乏是导致慢性肾脏病早期高FGF23表达的始动因素。在甲状旁腺中,Klotho蛋白不仅能通过与FGF23结合形成FGF23-Klotho轴抑制甲状旁腺激素(PTH)分泌及合成,还可直接作用于甲状旁腺组织中的Na+/K+-ATP酶[26],直接调节PTH的合成与分泌。Klotho蛋白通过增加肾脏上皮细胞表面Ca2+通道瞬时受体势能离子通道5(TRPV5)密度,影响钙代谢[27]。瞬时受体势能离子通道5可调节肾脏钙离子的重吸收,为肾远端集合管上皮细胞膜上的钙通道。分泌性Klotho蛋白通过水解ATP调控钾通道-1(Romk1)N-聚糖的唾液酸,抑制网格蛋白调节对ATP调控钾通道-1胞吞,导致ATP调控钾通道-1在细胞表面聚集,增加对钾排泄。骨质疏松是一种以骨量低下,骨微结构损坏,骨脆性增加,易发生骨折的全身性骨病。随着慢性肾脏病的发展, Klotho蛋白水平会持续降低,导致高磷、活性维生素D水平减少,肾脏及肠道重吸收钙功能,成骨细胞减少,破骨细胞水平升高,CKD5D期患者骨及矿物质代谢异常,增加低创伤性骨折,骨质疏松及骨折风险较普通人群大大增加,而Klotho蛋白水平下降就是其中一项危险因素。由此可见,Klotho通过多种途径保护肾脏功能,延缓慢性肾脏病的发展。

7 Klotho为CKD的心血管保护因子

终末期肾病的患者需长期肾脏替代治疗,很多血液透析患者死于心血管疾病,血管钙化是其发生的重要病理基础,慢性肾脏病早期即可出现血管钙化,血管钙化可发生于任何大小的动脉,高磷加重血管钙化,钙磷代谢紊乱是导致血透患者心血管疾病发生和死亡的独立危险因素,直接影响患者的生存率和生活质量。Klotho基因与心血管疾病密切相关,且呈负相关。Klotho蛋白的缺失能够造成慢性肾脏病患者的血管钙化,Klotho缓解慢性肾脏病患者的血管钙化,长期的高磷可刺激血管平滑肌细胞向类骨样细胞转化,细胞外基质矿化,Klotho通过加强尿磷,可以保护肾小球滤过功能,也可直接作用于血管平滑肌[28],抑制磷的摄取,也通过FGF23-Klotho轴调节钙磷代谢,抑制血管钙化。Klotho可抑制细胞间黏附分子-1(ICAM-1)的产生,通过抑制垂体特异转录因子Pit-1,阻止高磷诱导的血管平滑肌细胞钙化[29]。Klotho 还通过阻止血管平滑肌细胞向成骨细胞样细胞分化来防止钙化。慢性肾脏病患者广泛血管中膜钙化可增加动脉的僵硬度,顺应性下降,增加左心室负荷,致左心室肥厚。Klotho蛋白能抑制内质网应激介导的CHOP凋亡信号,通过对JNK和P38信号通路调控,进而阻滞间质纤维化、心肌细胞肥大[30]。此外,Klotho蛋白可抑制内质网应激,并改善氧化应激,从而改善心脏重构、促进血管损伤修复内皮祖细胞(EPCs)的细胞功能,参与血管损伤修复[31]。Klotho可保护心血管系统,可通过抗血栓、抑制炎性反应、控制RAAS、保持血管扩张性、促进释放环前列腺素和一氧化氮,调节血管通透性以保护心血管[32]。综上所述,Klotho为CKD患者的心血管保护因素。

Klotho基因是一种抗衰老基因,该基因的缺失可表现出类似于人类的衰老。Klotho基因表达水平与肾脏疾病发生、发展密切相关,具有肾脏保护作用。Klotho基因通过多种途径保护肾脏,Klotho可通过抑制细胞凋亡、抵抗体内氧化应激及炎症反应,调控RAAS系统,调节内皮细胞功能,调控多种细胞因子的表达以抑制肾脏纤维化,还可调节钙磷代谢,阻止血管平滑肌细胞钙化,调控离子转运以保护肾脏。Klotho基因在急性肾损伤、高血压肾损害、糖尿病肾病、CKD中起重要保护作用,Klotho基因为CKD的心血管损伤的保护性因素。提高体内Klotho的水平理论上对肾脏疾病患者具有治疗价值,因此,对Klotho 结构及功能的研究有助于进一步了解肾脏病发生发展机制,对临床治疗有重要意义。

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10.3969/j.issn.1002-7386.2017.20.032

R 692

A

1002-7386(2017)20-3150-04

2017-06-14)

050800 河北省正定县,中国人民解放军白求恩国际和平医院256临床部(马振勇、刘克祥);河北医科大学2014级硕士研究生(田玖玲)

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