Klotho與腎臟疾病

馬振勇 田玖玲 劉克祥

·綜述與講座·

Klotho與腎臟疾病

馬振勇 田玖玲 劉克祥

Klotho基因是一種與衰老相關的基因,多種因素可調控其表達。Klotho通過基因表達，產生兩種蛋白物質：一種是膜結合型蛋白，即膜結合受體；二種是分泌型蛋白，即體液調節因子。Klotho 參與多種疾病的發生發展，Klotho基因對腎病、心血管疾病、癌癥、高血壓、神經系統疾病、代謝性疾病有重要意義。近年研究發現，Klotho與腎病關系密切，通過多種生物學功能保護腎臟。Klotho基因在急性腎損傷、高血壓腎損害、糖尿病腎病、慢性腎臟病中起重要作用，且Klotho基因對慢性腎臟病的心血管損傷具有保護作用。研究證明，慢性腎臟病正是一種Klotho缺乏的狀態，本文探討Klotho對腎臟的保護作用。

Klotho；急性腎損傷；高血壓腎損害；糖尿病腎病；慢性腎臟病

Klotho基因是一種與衰老相關的基因，是1997年日本人Kuro-o等在小鼠模型上發現的，Klotho 蛋白主要在腎臟及腦組織中脈絡膜、甲狀旁腺等組織中表達，尤其是腎皮質小管上皮細胞[1]。大量研究證實，多種因素調控Klotho的表達。通過基因表達，產生兩種蛋白物質：一種是膜結合型蛋白，即膜結合受體；二種是分泌型蛋白，即體液調節因子，后者的表達明顯高于前者。Klotho 參與多種疾病的發生發展，Klotho基因對腎病、心血管疾病、癌癥、高血壓、神經系統疾病、代謝性疾病有重要意義。Klotho基因缺陷可表現與慢性腎臟病、衰老相近的癥狀,如生長遲緩、生殖器官萎縮、免疫功能異常、骨質疏松、異位鈣化、皮膚萎縮、動脈硬化、肺氣腫、耳聾和角膜混濁、糖代謝異常等[2]。在慢性腎臟病的小鼠中，血液、尿液、腎臟當中，Klotho表達水平明顯低于正常小鼠。Klotho不僅能作為腎損傷的標志物，還是腎損傷的保護性因素。因此，通過補充外源性Klotho蛋白或者提高內源性Klotho基因的表達可以保護腎臟。Klotho基因在急性腎損傷、高血壓腎損害、糖尿病腎病、慢性腎臟病中起重要作用，且Klotho基因對慢性腎臟病的心血管損傷具有保護作用。膜結合型Klotho調節代謝穩態，分泌型Klotho抗氧化應激、抑制炎性反應、抑制細胞凋亡、調節離子轉運、調控腎素-血管緊張素系統、改善線粒體功能[3]。

1 Klotho基因特性

人、大鼠、小鼠的基因具有同源性,其中人和大鼠之間有83%的同源性,人和小鼠之間有80%的同源性，大鼠和小鼠間有93%的同源性。Klotho基因在不同物種所在的染色體不相同，人的 Klotho 基因位于13號染色體ql2區域，編碼區有5個外顯子與4個內含子，其長度大于5kb。Klotho基因編碼的蛋白是跨膜Klotho蛋白，主要為編碼α-Klotho蛋白，其次編碼β-Klotho蛋白、γ-Klotho蛋白[4]。Klotho在人體中有膜型和游離型兩種存在形式。人類的膜型klotho蛋白由1 012 個氨基酸組成，cDNA長度為3 036 bp，分泌型Klotho蛋白由549個氨基酸組成，cDNA長度為1 647 bp，其中分泌型Klotho蛋白的表達量明顯高于膜結合型。膜型Klotho蛋白是含有與B-葡萄糖醛酸苷酶同源性的單向跨膜蛋白，膜型Klotho在近端腎小管上皮細胞表達，可調節代謝穩態，為激素樣受體，調節磷排泄，介導成纖維細胞生長因子-23(FGF23)的生物學活性，合成活性維生素。游離型Klotho蛋白缺乏跨膜結構，它以游離的形式發揮生物學效應，游離型Klotho作為體液因子，起到多種生物學效應，如抑制氧化應激，調控離子轉運,調節細胞因子的表達，抑制炎性反應,抗細胞凋亡[5]。

2 調控Klotho表達的因素

大量研究發現，多種因素調控Klotho表達，健康兒童Klotho水平明顯高于健康成年人，Klotho表達水平隨年齡增長而出現下降。上調Klotho表達的因素包括生物活性肽如降鈣素基因相關肽(CGRP)、成纖維細胞生長因子-23(FGF23)，促紅細胞生成素和甲狀腺激素，腎素血管緊張素拮抗劑，表皮生長因子與轉錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體等。許多因素下調Klotho表達，高滲、高糖環境，腎素-血管緊張素系統可使Klotho基因表達下降，此外，尿毒素、氧化應激、細胞凋亡、炎性反應、高磷、成纖維細胞生長因子高表達，腎功能不全等均可下調Klotho表達[3]。

3 Klotho與急性腎損傷

對于急性腎損傷(AKI)，Klotho蛋白不僅可作為生物學標記，也是保護性因素。有研究證明，急性腎損傷大鼠中，Klotho蛋白減少在腎臟損傷后3 h便可出現，血肌酐水平變化在Klotho蛋白減少后出現[6]。研究發現將Klotho基因轉入缺血再灌注急性腎損傷模型小鼠中，恢復Klotho蛋白表達水平，則腎臟損傷得到緩解，血肌酐降低，表明Klotho缺陷參與缺血再灌注損傷引起的急性腎損傷的病理生理過程[7]。缺血再灌注急性腎損傷后Klotho表達下調可能與腎組織細胞凋亡相關，Klotho蛋白可能可以通過促凋亡因子Bax/抗凋亡因子Bcl-2途徑發揮抗凋亡作用[8]。Yamamoto等[9]研究中發現在缺血性腎損害后30 min補充Klotho蛋白可減輕急性腎損傷，表明了Klotho蛋白可阻止腎功能的下降。缺血再灌注損傷、中毒、氧化應激、高血壓是導致急性腎損傷的因素。Klotho蛋白對抗急性腎損傷的作用是通過減少炎癥傷害、氧化應激、保護腎小管上皮細胞、抑制細胞凋亡、避免組織缺血而實現的。由此可見，急性腎損傷的初期，明顯的體征是Klotho蛋白缺失，Klotho 缺失是急性腎損傷的致病因素。

4 Klotho與高血壓腎損害

長期高血壓導致的高血壓性腎損害發病率在我國呈上升趨勢，Klotho與高血壓腎損害密切相關，有研究發現在對體重指數、年齡等因素進行校正后，Klotho-G395A 等位基因攜帶者其血壓明顯高于非基因攜帶者[10]。Klotho基因多態性與原發性高血壓有密切的相關性。腎素-血管緊張素-酲固酮系統(RAAS)是體內調控血壓、組織灌注和容量的重要參與者。Ishizaka等[11]研究發現，輸注血管緊張素Ⅱ使Klotho在腎臟的表達下調，可以使血肌醉升高，尿蛋白排泄增加。將Klotho基因導入被連續注射血管緊張素Ⅱ的大鼠體內，可減輕腎小管間質的損傷程度，Klotho能夠抵抗血管緊張素Ⅱ引起的腎臟損害。重組Klotho蛋白可通過cAMP-PKA途徑，增加第二信使cAMP的含量，增加人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)上錳-超氧化物歧化酶的活性與一氧化氮(NO)的含量，減少活性氧類物質(ROS)的產成，緩解內皮損傷[12]。另外，Klotho基因通過調節基質金屬蛋白酶-9、纖溶酶原激活物抑制物-1、金屬蛋白酶組織抑制因子-1的表達，抑制細胞外基質的降解，緩解高血壓腎損傷，延緩腎間質纖維化[13]。氧化應激在高血壓腎損害中起重要作用，Carracedo等[14]證明，將人臍靜脈血管內皮細胞暴露于腫瘤壞死因子-α(TNF-α)中，會出現衰老，表達的Klotho蛋白水平下降，將外源性Klotho基因植入人臍靜脈血管內皮細胞中，可以阻斷因TNF-α引起的氧化應激。Klotho還能抑制活性氧簇相關的氧化應激。可見，Klotho基因與高血壓腎損害密切相關，通過抵抗RAAS，增加人NO的產生，改善腎間質纖維化和抑制細胞凋亡等途徑抵抗高血壓腎損害。

5 Klotho與糖尿病腎病

DN是糖尿病嚴重的慢性微血管并發癥，也是糖尿病死亡的主要原因。Klotho在糖尿病腎病起重要作用，DN發病機制包括血流動力學改變、RAAS系統、腎臟纖維化和炎性反應、細胞凋亡、氧化應激等。DN的腎臟中，其Klotho表達水平降低，Klotho含量下降，其水平與尿微量白蛋白排泄率呈負相關關系，因此，血清Klotho蛋白有可能能作為DN早期診斷的新生物標志物。Klotho和細胞表面的Klotho受體結合能抑制叉頭轉錄因子O(FOXO)的磷酸化，有利于對過氧化物的清除因而抵抗氧化應激[15]。Klotho表達下降可引起NO生成減少，防止內皮細胞損傷。在DN 狀態下，Klotho可抑制Wnt信號通路，活化的Wnt通路可延長細胞周期，可促進腎小球足突細胞的凋亡，促進足細胞發生上皮間質轉分化(EMT)的發生，Klotho 可通過干擾wnt/β-catenin信號通路抑制腎間質纖維化[16]。Klotho 基因缺失導致轉化生長因子β(TGF-β)信號增強加重DN腎纖維化。腎間質纖維化可由 TGF-β1在Ⅰ型、Ⅱ型受體絲氨酸-蘇氨酸激酶作為傳導介質的作用下誘發，TGF-β1與Ⅱ型受體絲氨酸-蘇氨酸激酶結合，形成TGF-βR2，并激活Ⅰ型 TGF-β受體，形成TGF-βR1。Klotho通過與TGF-β1 競爭結合 TGF-βⅡ型受體阻斷該信號通路[17]。Klotho基因能夠下調糖尿病大鼠腎臟細胞周期負調控蛋白p15、p21、P27基因的表達，對腎臟有保護作用[18]。Klotho基因還可減輕DN患者的胰島素抵抗。此外，血管內皮功能紊亂在糖尿病早期就已經出現，Klotho調節糖尿病腎病患者的內皮功能紊亂，血管內皮生長因子(VEGF)是調控血管生成過程中的促進因子，提高血管通透性，過度表達增加腎小球濾過膜的通透性，同時可使多種炎性因子分泌，加劇炎性反應，加重DN的發展，Klotho可通過調控VEGF的表達，保護腎臟[19]。氧化應激與DN的發生關系密切，活性氧(ROS)可損傷足細胞，破壞腎小球濾過屏障，ROS還可通過誘導血管緊張素Ⅱ產生，使血流動力學異常而促進DN的形成[20]。Klotho基因涉及DN發病機制的多個環節，抑制DN發展。

6 Klotho與慢性腎臟病

研究證實，CKD是一種Klotho的缺乏狀態，血清Klotho水平的降低可能成為新的預測CKD患者腎功能損傷進展的指標。腎臟纖維化為各種進展性腎病最終通路。Klotho 可通過與TGF-β1競爭結合 TGF-βⅡ型受體抑制腎間質纖維化。另有研究發現Klotho可通過抑制腎臟內質網應激反應ERS途徑誘導的細胞凋亡，從而減輕腎臟損傷，并減輕環孢素A引起腎毒性的發生[21]。有研究認為Klotho的過表達可抗氧化應激，可能與其調控胰島素/胰島素樣生長因子-1(Insulin/IGF-1)通路相關[22]。Klotho通過抗氧化應激、抑制炎癥與凋亡、抑制內質網應激、調控RAAS系統、緩解線粒體功能異常等途徑延緩CKD發展。Klotho可調節礦物質代謝，Klotho蛋白的缺失能夠引起CKD患者的高血磷與血管鈣化，造成繼發性甲狀旁腺機能亢進與腎臟的代謝性骨病。研究證實，Klotho可通過細胞質膜微囊調節途徑增加腎臟上皮細胞表面Ca2+通道和電壓門控陽離子通道V5(TRPV5)密度，影響鈣代謝[23]。成纖維細胞生長因子23在骨-腎-甲狀旁腺軸中起重要作用，FGF23 由骨細胞和成骨細胞分泌，是人體內功能強大的調磷激素[24]，參與調控骨礦物質代謝。FGF23-Klotho 軸是血磷代謝的重要調節劑，Klotho基因敲除小鼠與FGF23 基因敲除小鼠有類似的血管鈣化及鈣磷代謝紊亂的表現。FGF23與多種成纖維細胞生長因子受體相結合，發揮其調磷的生物學活性，FGF23可降低腎臟近端小管上皮細胞鈉磷共運輸蛋白的表達，減少磷的重吸收。FGF23通過Klotho依賴型及非依賴型兩種途徑發揮生理作用。FGF23-Klotho 軸是血磷代謝的重要調節劑，FGF23-Klotho 軸抑制1-α-輕化酶基因的表達參與調控 1，25(OH)2D3的代謝, 減少腸道磷的吸收，促進腎臟磷的排泄[25]。Klotho蛋白表達的缺乏是導致慢性腎臟病早期高FGF23表達的始動因素。在甲狀旁腺中，Klotho蛋白不僅能通過與FGF23結合形成FGF23-Klotho軸抑制甲狀旁腺激素(PTH)分泌及合成，還可直接作用于甲狀旁腺組織中的Na+/K+-ATP酶[26]，直接調節PTH的合成與分泌。Klotho蛋白通過增加腎臟上皮細胞表面Ca2+通道瞬時受體勢能離子通道5(TRPV5)密度，影響鈣代謝[27]。瞬時受體勢能離子通道5可調節腎臟鈣離子的重吸收，為腎遠端集合管上皮細胞膜上的鈣通道。分泌性Klotho蛋白通過水解ATP調控鉀通道-1(Romk1)N-聚糖的唾液酸，抑制網格蛋白調節對ATP調控鉀通道-1胞吞，導致ATP調控鉀通道-1在細胞表面聚集，增加對鉀排泄。骨質疏松是一種以骨量低下,骨微結構損壞,骨脆性增加,易發生骨折的全身性骨病。隨著慢性腎臟病的發展, Klotho蛋白水平會持續降低，導致高磷、活性維生素D水平減少，腎臟及腸道重吸收鈣功能,成骨細胞減少,破骨細胞水平升高，CKD5D期患者骨及礦物質代謝異常,增加低創傷性骨折,骨質疏松及骨折風險較普通人群大大增加,而Klotho蛋白水平下降就是其中一項危險因素。由此可見，Klotho通過多種途徑保護腎臟功能，延緩慢性腎臟病的發展。

7 Klotho為CKD的心血管保護因子

終末期腎病的患者需長期腎臟替代治療，很多血液透析患者死于心血管疾病，血管鈣化是其發生的重要病理基礎，慢性腎臟病早期即可出現血管鈣化，血管鈣化可發生于任何大小的動脈，高磷加重血管鈣化，鈣磷代謝紊亂是導致血透患者心血管疾病發生和死亡的獨立危險因素，直接影響患者的生存率和生活質量。Klotho基因與心血管疾病密切相關,且呈負相關。Klotho蛋白的缺失能夠造成慢性腎臟病患者的血管鈣化，Klotho緩解慢性腎臟病患者的血管鈣化，長期的高磷可刺激血管平滑肌細胞向類骨樣細胞轉化，細胞外基質礦化，Klotho通過加強尿磷，可以保護腎小球濾過功能，也可直接作用于血管平滑肌[28]，抑制磷的攝取，也通過FGF23-Klotho軸調節鈣磷代謝，抑制血管鈣化。Klotho可抑制細胞間黏附分子-1(ICAM-1)的產生，通過抑制垂體特異轉錄因子Pit-1，阻止高磷誘導的血管平滑肌細胞鈣化[29]。Klotho 還通過阻止血管平滑肌細胞向成骨細胞樣細胞分化來防止鈣化。慢性腎臟病患者廣泛血管中膜鈣化可增加動脈的僵硬度，順應性下降，增加左心室負荷，致左心室肥厚。Klotho蛋白能抑制內質網應激介導的CHOP凋亡信號，通過對JNK和P38信號通路調控，進而阻滯間質纖維化、心肌細胞肥大[30]。此外，Klotho蛋白可抑制內質網應激，并改善氧化應激，從而改善心臟重構、促進血管損傷修復內皮祖細胞(EPCs)的細胞功能，參與血管損傷修復[31]。Klotho可保護心血管系統，可通過抗血栓、抑制炎性反應、控制RAAS、保持血管擴張性、促進釋放環前列腺素和一氧化氮，調節血管通透性以保護心血管[32]。綜上所述，Klotho為CKD患者的心血管保護因素。

Klotho基因是一種抗衰老基因，該基因的缺失可表現出類似于人類的衰老。Klotho基因表達水平與腎臟疾病發生、發展密切相關，具有腎臟保護作用。Klotho基因通過多種途徑保護腎臟，Klotho可通過抑制細胞凋亡、抵抗體內氧化應激及炎癥反應，調控RAAS系統，調節內皮細胞功能，調控多種細胞因子的表達以抑制腎臟纖維化，還可調節鈣磷代謝，阻止血管平滑肌細胞鈣化，調控離子轉運以保護腎臟。Klotho基因在急性腎損傷、高血壓腎損害、糖尿病腎病、CKD中起重要保護作用，Klotho基因為CKD的心血管損傷的保護性因素。提高體內Klotho的水平理論上對腎臟疾病患者具有治療價值，因此，對Klotho 結構及功能的研究有助于進一步了解腎臟病發生發展機制，對臨床治療有重要意義。

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R 692

A

1002-7386(2017)20-3150-04

2017-06-14)

050800 河北省正定縣，中國人民解放軍白求恩國際和平醫院256臨床部(馬振勇、劉克祥)；河北醫科大學2014級碩士研究生(田玖玲)