α-Klotho、鈣磷穩態與衰老

陳佑平 李法琦 (重慶醫科大學附屬第一醫院老年科,重慶 400016)

α-Klotho、鈣磷穩態與衰老

陳佑平 李法琦 (重慶醫科大學附屬第一醫院老年科,重慶 400016)

衰老;鈣磷穩態;α-K lotho;維生素D

為什么會有衰老?它是如何發生發展的?有沒有方法可以控制衰老?人類研究衰老已有數千年,但這些問題仍未找到答案。1997年在一種突變小鼠中意外發現了α-K lotho基因,該基因的缺失導致血鈣、血磷濃度升高、一系列類似衰老的表現和壽命縮短〔1〕。之后發現敲除成纖維生長因子 (FGF)23基因的小鼠也有高血鈣、高血磷及各種衰老表現和短壽命〔2〕,而敲除維生素D受體(VDR)基因的小鼠則表現為血鈣和血磷濃度降低,但同樣亦出現提前衰老和短壽命〔3〕,糾正鈣磷紊亂可改善突變小鼠的這些異常表現〔4～7〕。上述研究表明鈣磷穩態和衰老之間存在內在關聯。由于α-K lotho位于鈣磷穩態調節系統的中心,與鈣、磷、FGF23、維生素 D等均有密切聯系,且可延長小鼠壽命〔8〕,故本文從α-K lotho出發對鈣磷穩態與衰老的研究進展進行綜述。

1 α-K lo tho基因簡介

1.1 結構 人類α-K lotho基因定位于染色體 13q12〔1〕,長約50 kb,根據結構推測它編碼一種 Ⅰ型膜蛋白 (分子量為70 kD),且該蛋白的細胞外區域結構類似于β-葡萄糖苷酶〔9〕。但實際在細胞中檢測到的α-K lotho蛋白 (α-K l)主要以兩種形式存在于細胞質內,一種分子量為 120 kD,僅位于內質網,另一種分子量為 135 kD,位于初級內體和高爾基體內,會被分泌到細胞外,可在血液、尿液、腦脊液中檢測到〔10〕。

1.2 功能 α-K lotho主要在腎臟、甲狀旁腺和脈絡叢等組織中表達〔11〕,敲除該基因會導致小鼠出現血鈣、血磷、甲狀旁腺激素(PTH)、FGF23和 1,25-(OH)2D濃度升高、降鈣素濃度降低、骨密度下降、各種軟組織(如皮膚、心臟、腎臟等)異位鈣化、活動減少、聽力障礙、動脈硬化、肺氣腫、皮膚萎縮以及短壽命(平均壽命為 60 d,最長不超過 100 d)等異常表現〔1,4〕。α-K lotho的主要功能為調節鈣磷穩態,位于鈣磷穩態調節系統的中心。

1.2.1 α-K lotho與鈣 ①新型鈣離子通道 TRPV 5。TRPV 5是一種新發現的鈣通道,α-K l可水解其胞外的N-連接糖殘基,去除糖鏈末端的唾液酸,使其與胞外的半乳凝素結合,增加其在腎小管上皮細胞頂端膜的豐度,使 Ca2+進入細胞增多,從而促進 Ca2+的重吸收〔12〕。②Na+-K+-ATP酶。135 kD的α-K l可與其結合成一種復合物。正常情況下,當細胞外鈣濃度降低時,細胞膜的 Na+-K+-ATP酶會立即增多,隨之 PTH分泌、Ca2+內流增多,而α-K lo tho突變純合子 (α-k l-/-)小鼠對細胞外Ca2+濃度降低的反應極弱,說明當細胞外鈣濃度降低時,α-K l可能與Na+-K+-ATP酶結合并向細胞膜轉移,然后α-Kl解離、分泌,細胞膜的 Na+-K+-ATP酶增多使 PTH分泌增多、Na+梯度增加,繼而Na+-Ca2+交換增多使 Ca2+向細胞內轉移,游離的α-K l又能促進腎臟對鈣的重吸收,從而恢復鈣的穩態〔10〕。1.2.2 α-Klotho與磷 血磷主要為無機磷 (Pi),其濃度主要取決于近曲小管由Ⅱ型鈉離子依賴性磷轉運載體 a(NaPi-Ⅱa)介導的重吸收。PTH和 FGF23是 NaPi-Ⅱa的主要調節因子。其中 FGF23可通過降低近端小管上皮細胞頂端膜上 NaPi-Ⅱa的豐度降低血磷〔13〕。2006年,有學者發現α-K l可與 FGF23結合并將 FGF受體 1(Ⅲc)轉變為同 FGF23具有高親和力的受體〔14〕。隨后又有研究表明 FGF23僅能緩解 FGF23-/-小鼠的癥狀,而對 FGF23-/-/α-k l-/-(同時敲除 FGF23基因和α-K lotho基因)和α-k l-/-小鼠沒有作用,表明 FGF23的作用依賴于α-K l〔15〕。α-Kl還可與 FGF23一起抑制 1α-羥化酶基因的表達,減少 1,25-(OH)2D的合成〔2〕。

2 α-Klo tho、鈣磷穩態與衰老

2003年,Tsu jikawa等〔4〕發現限制維生素 D的攝入可使αk l-/-小鼠血鈣、血磷、1,25-(OH)2D濃度恢復正常、糾正各種衰老表現并延長其壽命(生存 15周以上)。而限制磷的攝入可糾正 FGF23-/-小鼠的高磷血癥、各種衰老表現并延長其壽命〔7〕,增加鈣、磷的攝入可升高VDR-/-小鼠血鈣、血磷濃度并延長其壽命〔16〕,說明這些小鼠的衰老表現和短壽命繼發于血鈣、血磷和 1,25-(OH)2D的濃度異常。

2.1 鈣與衰老 鈣與骨質疏松的關系最引人注目,但骨質疏松并非衰老的原因,也不是上述突變小鼠的主要死因。機體衰老時不僅骨鈣會減少,細胞內鈣也會發生異常,如衰老時神經元細胞內 Ca2+濃度增加〔17〕,心肌細胞的鈣瞬變幅度降低、時間縮短,鈣火花發生頻率增加〔18〕,這些電生理改變與結構和功能的異常密切相關。鈣在機體內作用廣泛,尤其是細胞內 Ca2+,作為一種第二信使參與各種重要的生命活動,它的異常無疑會打亂整個信號通路網絡,導致各種問題。α-k l-/-小鼠就存在這些問題。它的紅細胞由于細胞內鈣濃度增高導致細胞體積縮小,對氧化應激和葡萄糖缺乏的耐受力下降,而網織紅細胞增多,表明紅細胞的功能衰退、壽命縮短〔19〕。另外,20 h的束縛應激可使 2/3的α-k l-/-小鼠發生猝死,同時伴有竇房結功能障礙(竇房傳導阻滯或竇性停搏)。在體外,與正常同齡野生型小鼠相比,乙酰膽堿對其竇房結有較強的負性頻率作用,而異丙腎上腺素對其的正性頻率作用較弱。在心臟中α-K lotho基因僅在竇房結表達,但尸檢未發現竇房結結構異常,說明其竇房結功能障礙可能由電生理異常所致〔11〕。

2.2 磷與衰老 磷與衰老的具體關系還不清楚,但根據它在生命活動中的重要作用 (參與能量代謝、核酸和脂質雙分子層的合成、信號傳導等),限制磷的攝入 (僅糾正高磷血癥,血鈣、1,25-(OH)2D的濃度仍異常)即可糾正 FGF23-/-小鼠的各種衰老表現并延長其壽命〔7〕,可以推測它也是衰老過程中的一個重要角色。

2.3 維生素D與衰老 維生素D缺乏時骨質疏松、高血壓、腫瘤發生的風險增加,VDR-/-小鼠也有這些表現〔20〕,但它們既不是突變小鼠的主要死因,也不是衰老的原因。對于各種生物而言,抑制胰島素和胰島素樣生長因子 (IGF)1的信號傳導均可抑制衰老。α-k l-/-小鼠與同齡正常野生型小鼠相比,血糖和胰島素水平降低,胰島素敏感性升高,打亂胰島素和 IGF1的信號傳導可改善α-k l-/-小鼠的癥狀,限制維生素D的攝入可使血糖和胰島素水平恢復正常,糾正各種衰老表現并延長其壽命,說明胰島素和 IGF1信號通路的異常繼發于維生素 D濃度升高,提示胰島素和 IGF1信號通路可能是維生素 D調節衰老的一個重要途徑〔4,8〕。

2.4 α-K lotho與衰老 α-K lotho基因可能還有獨立于鈣、磷、維生素D以外的作用。轉基因技術高表達α-K lotho基因可使小鼠對 IGF1產生抵抗,壽命延長 18.8%～30.8%〔8〕,在體外α-Kl可抑制胰島素和 IGF1的信號通路的活化以及乳腺癌細胞的增殖〔21〕,說明也許α-K lo tho本身即可通過胰島素和 IGF1信號通路抑制衰老。此外,α-K lo tho還有心血管和腎臟保護作用。在體外α-K l可抑制腫瘤壞死因子(TNF)-α誘導的內皮細胞黏附分子的表達和核因子 (NF)-κB的活化〔22〕,在體內它可改善自發性 2型糖尿病大鼠(OLETF)大鼠的內皮功能、增加一氧化氮的生成、降低血壓〔23〕。通過轉基因技術使腎小球腎炎小鼠(ICGN)小鼠過度表達α-K lotho基因可明顯改善其腎臟的功能和形態學損害,將其 40 w生存率由 30%升至 70%〔24〕。這些研究表明α-K lo tho的心血管和腎臟保護功能也可能是其抗衰老的機制。

3 結 語

鈣磷穩態不僅僅是指血鈣、血磷的濃度正常,而是指包括骨鈣、骨磷、血鈣、血磷、細胞內鈣、磷、α-K lotho、維生素 D、各種信號通路等在內的一個完整系統的整體的平衡。衰老不是一個獨立的奇怪現象,它和生長發育一樣是連續的生命中的一個階段,是受基因調控的一個精確的過程。維持鈣磷穩態的平衡對控制衰老至關重要。盡管現在我們對鈣磷穩態和衰老有了一些認識,但仍欠全面、詳細,隨著研究的不斷進展,調節鈣磷穩態的完整網絡和衰老的具體機制終將被探明,繼而應用于臨床,幫助我們除人類之病痛,助健康之完美。

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〔2009-08-05收稿 2009-11-26修回〕

(編輯 李相軍/張 慧)

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李法琦(1956-),男,博士,教授,主任醫師,碩士生導師,主要從事老年醫學和心血管疾病的研究。

陳佑平(1985-),男,在讀碩士,主要從事老年醫學的研究。