尿调节素及UMOD基因与慢性肾病的相关性研究进展

尤瑞莲，徐鲁斌，陈丽萌

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 肾内科，北京 100730)

尿调节素，又称Tamm-Horsfal蛋白，是正常人尿液中含量最多的一种蛋白[1]。既往研究集中于其多种生物学功能，如调节水盐代谢、调节免疫、防止肾结石产生和防止尿路感染等。近期随着全基因组关联分析研究(genome-wide association study,GWAS)的兴起，人们发现其编码基因—UMOD基因启动子区单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)与慢性肾病(chronic kidney disease，CKD)进展及预后有很大相关性，进一步的研究发现尿调节素和CKD亦有相关性，并通过孟德尔随机化试验证实了尿调节素与CKD间的因果关系。目前看来，尿调节素有很多的应用前景，如作为一种评估肾小管储备功能的标记分子，预测肾结石、尿路感染、囊性肾病和CKD等相关疾病进展，或者通过饮食、药物等手段调控尿调节素含量或功能来改善相关疾病状态。

1 尿调节素生物化学特性

尿调节素每日分泌量为50～150 mg，其在肾小管髓袢升支粗段的上皮细胞内质网中产生[2]，经过高尔基体多聚糖加工，然后被运送到顶端细胞膜作为糖基磷脂酰肌醇(glycosyl-phosphatidyl-inositol,GPI)连接分子，最后通过蛋白酶水解切割释放到尿液。其前体蛋白分子质量约为85 ku，由640个氨基酸组成，其中最初的24个N-末端氨基酸组成了信号肽，在成熟的过程中被剪切掉，使最终的尿调节素由616个氨基酸组成，分子质量减为67 ku。尿调节素包括4个表皮生长因子样区域、1个双边抗弹性蛋白酶C末端透明带区域 (zona pellucida, ZP区域)及1个富半胱氨酸区域(含48个半胱氨酸残基)[3]。其中表皮样生长因子区域与蛋白质间的相互作用有关，ZP区域与蛋白运送至胞外组装高分子蛋白相关,富半胱氨酸区域功能尚不明确。

2 尿调节素调节水盐代谢及血压

尿调节素可以通过多种方式调节水盐代谢。1)增加转运体表达：尿调节素可以上调 Na-K-ATP酶、钠钾氯协同转运蛋白2(Na-K-Cl cotransporter 2，NKCC2)、钠/氢交换因子3(sodium/hydrogen exchanger 3，NHE3)、肾脏钾离子通道(renal outer medullary K channel,ROMK)和上皮钠通道(epithelial sodium channel，ENaC)的表达，UMOD基因敲除的小鼠尿液中镁的排泄增加，促镁重吸收的基因表达上调。低镁状态可增加尿中尿调节素分泌，减少转化受体电位阳离子通道亚家族M成员6(transient receptor potential cation channel subfamily M, member 6，TRPM6)的内吞，上调TRPM6细胞表面的分布丰富度，从而阻止进一步的镁丢失[4]。2)增加转运体效能：尿调节素可增加NKCC2的磷酸化水平。与野生型小鼠相比，尿调节素基因缺陷的小鼠顶端膜细胞的NKCC2表达量增加，而NKCC2磷酸化水平减低，其总体功能下降。提示尿调节素可增加NKCC2的活性，尿调节素基因缺陷时，NKCC2表达增加可能为代偿。尿调节素可以通过调节水盐代谢进而调节血压。在年老的尿调节素基因敲除小鼠中，NKCC2活性减弱，并可激活肾素-血管紧张素系统，导致高血压[5]。过表达尿调节素的小鼠表现出盐敏感高血压，UMOD基因敲除的小鼠较对照组血压会更低，并且对盐诱导的高血压有抵抗力[6]。因此尿调节素正是通过调节肾小管上这些转运子及离子通道的表达或者功能，调节机体水盐平衡和血压(图1)。

3 尿调节素可防止肾结石产生、尿路感染及调节免疫

尿液在形成过程中被不断浓缩，晶体形成物质如草酸钙(CaOx)、磷酸钙(CaP)不断过饱和，这种过饱和始于髓袢升支粗段(thick ascending limb，TAL)，与尿调节素产生的位置相同，提示尿调素与泌尿系结石的产生关系密切。87.5%的UMOD基因敲除小鼠在15个月时，可在集合管、肾髓质、乳头处形成草酸钙和磷酸钙结石，随年龄增加更容易出现因为尿道结石导致的梗阻和肾盂积水[7]。尿调节素防止肾结石产生的机制包括抑制钙盐沉积和增加钙的重吸收两方面，首先尿调素可以通过稳定远曲小管的瞬时受体阳离子通道亚家族V成员5(transient receptor potential cation channel,subfamily V,member 5,TRPV5)，促进钙离子的重吸收，减少小管内尿液中的钙离子浓度，进而减少草酸钙和磷酸钙结石的产生。其次尿调节素的唾液酸成分可抑制CaOx、CaP形成晶体沉积，减少钙盐的沉积和结石的发生。

尿调节素还可以防止尿路感染。尿调节素与尿白细胞数量和亚硝酸盐水平呈反比[8]。与野生型小鼠相比，UMOD基因敲除小鼠膀胱更易被I型大肠埃希菌感染，原因可能为尿调节素的N-连接高甘露糖链可以模拟甘露糖基化尿路蛋白受体，从而竞争性与大肠埃希菌I型凝集素结合，阻止其与尿道上皮的黏附并减弱毒性。尿调节素可在尿液中与多种免疫调节分子发生作用，如与尿液中免疫球蛋白G(immunoglobulin G, IgG)分子结合，重组白细胞介素-1(interleukin-1，IL-1)和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor -α，TNF-α)，使形成新的淋巴因子配体，进而调节免疫活动；通过唾液酸特异性细胞表面受体和尿中性粒细胞结合，从而调节趋化性吞噬作用与细胞凋亡；其寡聚糖部分能抑制特异性抗原诱导的T细胞增殖，糖基的其他部分能抑制依赖IL-1的促有丝分裂反应。尿调节素可能通过阻止单核细胞细胞趋化蛋白(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)、TNF-α、人巨噬细胞炎性蛋白-2(human macrophage inflammatory protein-2，MIP-2)等炎性趋化因子，参与急性肾小管损伤的保护, 因此术前尿中尿调节素低的患者术后急性肾损伤的发病率较高[9](图1)。

图1 尿调节素生物学功能[10]Fig 1 Proposed physiological roles of uromodulin

4 尿调节素相关肾病

尿调节素由UMOD基因编码，该基因位于16号染色体，由11个外显子组成。其基因结构在人和小鼠体内都非常保守，转录本是目前发现肾脏中表达最为丰富的转录本，且只特异性存在于肾脏中。UMOD基因突变可导致一种罕见的异质性遗传疾病——尿调节素相关肾病(uromodulin-associated kidney disease，UAKD)。其具有以下特征[11]：常染色体显性遗传；进展缓慢，肾功能受损通常出现在青少年期，终末期肾病通常出现在20～70岁；尿沉渣检查无明显异常，无蛋白尿或仅存在极轻微的蛋白尿；肾脏超声检查多无明显异常。研究发现几乎所有UAKD患者都存在外显子4或5突变，且主要为错义突变。这种突变可导致尿调节素半胱氨酸残基缺失或增加，使尿调节素在内质网中不能正确地组装，无法离开内质网，最终在亨勒(Henle)袢升支粗段细胞内聚积,进而激活炎性细胞及纤维化，使肾小管细胞萎缩和死亡、尿液浓缩障碍，髓袢升支粗段结构和功能损伤，从而导致不断进展的CKD[12]。异常的尿调节素在髓袢升支粗段细胞内蓄积还可减少氯化钠重吸收导致尿液浓缩，近端小管对尿酸的重吸收继发性增加，尿酸盐排泄减少，导致高尿酸血症。

5 UMOD-尿调节素与CKD密切相关

UMOD基因是目前已知全基因组范围内与CKD相关度最高的基因[13]，也是目前为止唯一通过GWAS被认为与CKD有显著相关性的基因，在所有的种族中，UMOD基因与CKD的相对危险度最高，每个风险基因的比值比(odds ratio,OR)大约是1.3[14]。通过对4个以人群为基础的队列研究的欧洲祖系参与者采取GWAS研究方法识别敏感位点，在21 466例患者进行重复试验，发现UMOD基因与终末期肾病(end stage renal disease，ESRD)相关，UMOD基因的某些多态性与一般人群中CKD患病风险增加相关[15]。UMOD编码的尿调节素同样与CKD患者肾功能显著相关。尿调节素和肾小球滤过率(estimated glomerular filtration rate,eGFR)呈线性相关，且CKD患者中血清尿调节素水平明显低于肾功能正常组，进展为CKD的人群血清尿调节素水平低于未进展者[16]。

近期孟德尔随机化试验证实尿调节素与CKD具有因果相关性。孟德尔随机化方法(mendelian randomization，MR)以不同基因型所决定的表型作为暴露因素，以疾病为结局，引入中间表型作为工具变量。利用等位基因在配子形成时遵循随机分配，满足了实验设计的随机化原则，从而免除混杂因素对试验的影响,基因和表型的先后顺序确保了因果关系的时间顺序。MR可应用到UMOD与CKD相关性中(图2)。通过孟德尔随机化方法，首先识别4 147位参与ORIGIN试验的早期糖尿病或预期糖尿病受试者的227个血清蛋白生物标记分子的基因决定簇，通过反方差加权法检测这些生物标记分子在CKD基因组中对CKD的效应。接着估算识别出的每种生物标记分子的血浆浓度与ORIGIN试验受试者人群CKD发病率关系，发现尿调节素可作为CKD一个新型的因果标记分子[17]。

图2 孟德尔随机化方法构建DAG(directed acyclic graph)模型Fig 2 Directed acyclic graph model made by Mendelian randomization study

6 尿调节素应用前景

尿调节素可作为Fabry肾病[18]、伴小管间质炎性反应的活动性狼疮肾炎及常染色体显性遗传肾小管间质疾病(autosomal dominant tubulointerstitial kid-ney disease，ADTKD)患者潜在标志物。24 h尿调节素的排泄率与肾脏大小及体积(超声测量)呈正相关[19]，有小管损害或ADTKD的患者其尿调节素的排泄减少，血中尿调节素浓度与肌酐、eGFR、血尿素氮、胱抑素C水平平行，且与肾移植后肾功能恢复程度平行[20]，这些均提示尿调节素可作为评估肾脏储备功能的潜在指标。此外还有研究发现尿调节素纯合子基因与肾细胞癌的高侵袭性相关[21]。一项针对做过冠脉造影患者的大规模队列研究发现尿调节素与术后并发症低发生率、低风险的10年病死率相关，是除eGFR之外的又一心血管疾病的独立危险因子[22]，血浆尿调节素与心血管疾病全因死亡率呈负相关[23]。

7 问题与展望

尿调节素具有丰富的生物学功能，然而相关机制尚未完全明确，临床检测也尚不成熟，需要进一步研究实现其在疾病预测及评估中的价值。GWAS研究及孟德尔随机化研究提示UMOD基因与CKD之间存在高度相关性及因果关系，但具体机制不明确。这种因果关系及具体机制进一步明确后，尿调节素及UMOD基因可用于临床上评估肾功能，尤其是小管间质功能，并可用于预测CKD进展及预后。临床医师或可通过饮食或药物手段干预，调控TAL上尿调节素的量和化学特性来改善肾结石、尿路感染等，为未来治疗相关疾病提供新的手段。