成纖維細胞生長因子21基因與Klotho基因在腎臟疾病中的機制研究進展

楊 艷，郭俊含，王沁園，馬 瀟

(蘭州大學第二醫院 腎內科，甘肅 蘭州 730000)

·綜述·

成纖維細胞生長因子21基因與Klotho基因在腎臟疾病中的機制研究進展

楊 艷，郭俊含，王沁園，馬 瀟

(蘭州大學第二醫院 腎內科，甘肅 蘭州 730000)

成纖維細胞生長因子(FGF)21基因表達產物不僅是一種與能量代謝相關的指標，而且與腎功能的進展有相關性；同時FGFs亞家族的共受體Klotho蛋白也是一種潛在的腎臟損傷標記物。通過總結近年來國內外相關的研究，分析FGF21基因和Klotho基因在急、慢性腎臟疾病的共同作用機制，旨在尋找臨床檢測簡便，敏感性高的的早期腎功能損傷標記物，同時兩者在抑制腎臟纖維化及炎癥反應過程中具有協同作用，目前期待針對該機制找到基因靶點治療方案。

腎病；成纖維細胞生長因子；Klotho基因

急慢性腎損傷的診斷目前仍限于傳統肌酐、尿蛋白等檢測指標中，并不能準確及時地反映當前的病情變化以致治療時機延誤。因此，探索早期的診斷標志物及靶向治療成為當前的重中之重。近年來，隨著對慢性腎臟病(CKD)患者成纖維細胞生長因子(FGF)23-Klotho內分泌軸與鈣磷代謝調節關系的探索，逐漸對FGFs家族及Klotho家族有了更深層次的認識，發現與FGF23同屬FGF19家族的FGF21基因調控脂質及能量代謝平衡之外[1]，FGF21蛋白在糖尿病腎病小鼠模型中的早期診斷及治療已經有實踐意義。因此，我們總結回顧了進年來國內外FGF21基因及Klotho基因在腎臟疾病應用的新進展，旨在為腎臟疾病科研及臨床實踐提供新思路。

1 FGF21基因簡介

人類FGF21基因位于19號染色體長臂13區3帶， 編碼一種含209個氨基酸的長鏈蛋白，其分裂后形成含181個氨基酸的成熟蛋白質，主要參與脂質和能量代謝，表達于肝臟、胰腺β細胞、脂肪組織及部分骨骼肌中，在β-Klotho的參與下與FGFR結合主要調節脂質與能量的代謝[2]。FGF21信號通路的具體作用機制還不明確，目前主要認為與刺激FGFR，使FGF亞受體FRS2a及MARK(ERK1/2)磷酸化有關[3]。動物研究表明FGF21也表達于腎小球系膜細胞中[3]，經過腎臟排泄，半衰期為1小時。目前有動物實驗證實重組FGF21或者FGF21類似物可用于代謝相關疾病的治療，以延緩疾病的進展，抑制組織間質纖維化。FGF21蛋白是FGF家族成員之一，FGF家族是一組含保守序列的信號蛋白，具有廣泛功能，如參與細胞再生、分化、有絲分裂，血管再生，傷口愈合等。FGFs具有22個亞家族，其中FGF19亞家族包括FGF15/19，FGF21及FGF23[4]。

1.1腎功能進展的預測 2011年，Lin等[5]在中國人群中發現血清FGF21在晚期腎臟病中的血清濃度是早期腎臟病的4.5倍，是中期腎臟病的1.5倍，與傳統的腎功能進展指標(尿β2微球蛋白、血肌酐、血尿素氮、肌酐清除率及腎小球濾過率)有明顯相關性，也與高磷血癥和CRP的升高存在相關性；2014年，Hindricks等[6]研究表明，CKD1～5期患者血清FGF21蛋白水平隨著腎功能進展逐漸升高，與高敏C反應蛋白(hs-CRP)、高敏白細胞介素(IL)6和脂肪細胞因子也存在明顯相關性。因此，FGF21是反映從早期到晚期的腎臟疾病進展的指標。研究表明，在腹膜透析患者中血清FGF21水平是健康人群的8倍，并且發現殘余腎功能較差的患者血清FGF21水平明顯高于殘余腎功能較好的患者。由于腹膜透析存在長期的高糖灌注，毛細血管吸收了大量的葡萄糖，因此在無糖尿病的終末期腎臟病患者中也存在胰島素抵抗，使FGF21升高[7]。Reinhard等[8]在血液透析患者中也發現FGF21的水平是健康人群的23倍，而FGF21蛋白不能透過血液透析濾過膜，所以血液中FGF21水平在血液透析患者中是升高的[9]。目前急慢性腎損傷后FGF21升高的原因可能有以下3點：①隨著腎功能的下降，尿中FGF21排泄減少，導致血清中FGF21水平逐漸升高；②FGF21本身是導致腎臟損傷的原因之一；③在腎功能不全患者中，胰島素抵抗可導致FGF21代償性的升高[3]。

1.2糖尿病腎病的早期診斷及治療 目前研究較多的糖尿病腎病早期標志物有FGFs，β2-微球蛋白，C16酰基肉堿和腎臟損傷分子1(KIM-1)等[10]。Lee等[11]發現血清FGF21與人體糖尿病腎病早期標記物尿微量白蛋白等具有一致性，且比尿微量白蛋白能更早的預測糖尿病腎病的發生。糖尿病腎病患者本身脂質及葡萄糖代謝紊亂且存在FGF21缺乏，進一步加重了脂類聚集，增加了腎小管內皮細胞的凋亡[12]。而FGF21可以通過促進脂肪的β氧化而抑制脂質的聚集、炎癥因子的表達，從而抑制了腎臟纖維化[13]。動物實驗表明，在Col8a1-/-Col8a2-/-基因敲除小鼠中，TGF-β1 誘導的Smad蛋白改變可激活ERK1/2和PI3K/AKT 通路，上調FGF21的表達，而FGF21蛋白的產生可進一步抑制TGF-β1誘導的腎臟系膜細胞的增殖，因此FGF21可以改善腎臟纖維化。Loeffler等[14]認為FGF21抑制腎纖維化是通過活化AMPK-SirT1-PGC1a信號通路進而抑制NF-κB的功能，促進脂肪的β氧化；或通過激活AMPK途徑抑制TGF-β1的產生，改善了腎臟系膜細胞的增殖狀態。2017年在一項中國人群中也表明FGF21升高是女性患者糖尿病患病率增加的風險因素[15]。FGF21基因敲除的KO db/db的糖尿病腎病小鼠經過重組FGF21治療12周后，尿蛋白排泄減少、腎臟系膜細胞擴張及纖維化顯著改善[3]。因此，血清FGF21水平可以預測亞臨床糖尿病腎病，且重組FGF21可以延緩糖尿病腎病的進展。

2 Klotho基因簡介

Klotho基因位于13號染色體長臂13區1帶，其編碼蛋白是單通道跨膜蛋白[16]，有分泌型及膜結合型兩種，二者分別是膜結合受體和體液調節因子，能通過調節維生素D和鈣、磷代謝，改善心血管系統，對衰老等多種疾病進行調節。Klotho蛋白主要表達于腎臟遠曲小管、近曲小管、內髓集合管的衍生細胞及大腦的脈絡叢[17]，包括α-Klotho、β-Klotho以及酪氨酸激酶樣Klotho，其中α-Klotho由KI基因編碼，主要參與FGF23與FGF受體結合調節鈣磷等礦物質的平衡；β-Klotho是激活FGF21通路的必要輔助因子，也參與轉化FGF21-FGF19信號通路調節膽汁酸產生及能量平衡；酪氨酸激酶樣Klotho機制尚不明確。目前發現調控Klotho基因使Klotho蛋白表達上調可減少腎細胞損傷，Klotho蛋白缺乏時可以促進腎臟的纖維化[18]。

2.1急性腎損傷(AKI)的早期預測 AKI時表現為Klotho蛋白的暫時性缺乏，由于缺血缺氧、腎毒性藥物、輸尿管梗阻、氧化應激及炎癥因子刺激等使腎臟Klotho mRNA表達下調，Klotho在腎臟中分泌減少，延緩了腎臟自身的損傷修復作用，促進腎間質纖維化、礦物質代謝紊亂、繼發性甲狀旁腺功能亢進、血管鈣化、心臟肥大等。當AKI發生缺血再灌注時，腎及血清中的Klotho水平顯著下降，外源性Klotho補充具有細胞保護作用，可使腎臟免于缺血-再灌注損傷[19]。在AKI患者中，研究發現血清Klotho蛋白在損傷后3小時開始下降，48小時開始上升，7天左右恢復正常，而尿中Klotho蛋白水平在首次缺血再灌注損傷時降低，2天后開始上升，7天后開始下降，因此血、尿中Klotho蛋白均可以作為AKI的早期標志物。

2.2CKD進展的預測 CKD患者腎臟Klotho mRNA表達下調，表現為血清Klotho蛋白持續性缺乏[20]。CKD患者啟動了Klotho-FGF23內分泌軸維持血清磷的動態平衡，其機制是：Klotho水平的降低可引起FGF23反饋性的上調，使血清FGF23 的水平升高，使得腎小管中磷的排泄增加，最終使Klotho基因表達下調[21]。而隨著腎功能的進展，血清磷的升高提示腎功能的損害，因此，Klotho也是預測CKD患者腎功能進展的指標。目前認為血清Klotho蛋白在CKD患者中缺乏的原因有以下3點：①Klotho參與礦物質的平衡，其缺乏與PTH，FGF23，1，25(OH)2D3均有關，如高磷血癥抑制Klotho在腎臟中的表達，而維生素D及1.25(OH)D3的缺乏不能誘導Klotho表達；②尿毒癥毒素，如硫酸吲哚酚可使Klotho基因超甲基化修飾，抑制了Klotho mRNA的表達，吲哚酚還可能通過刺激氧化應激通路NF-κB下調腎臟Klotho表達；③RASS系統中血管緊張素Ⅱ (Ang-Ⅱ)及醛固酮抑制Klotho在腎臟細胞中的表達，下調Klotho mRNA表達，使Klotho蛋白生成減少[22]。

3 FGF21與Klotho基因對腎臟的共同作用機制

3.1Klotho家族與FGFs家族的相互聯系 血清FGF21蛋白的生物學效應是通過細胞膜受體復合物作用于FGF受體和β-Klotho受體。β-Klotho表達增加可增強FGF21與FGFR1的親和力，形成FGF21-β-Klotho-FGFR1C復合體，從而加強FGF21下游信號途徑的調控，能夠維持體內糖脂代謝及能量代謝的平衡[23]。與FGF21同源的FGF23蛋白主要通過FGF受體及其共受體Klotho蛋白作用于腎臟、甲狀腺等靶器官，調節甲狀旁腺激素、1，25(OH)2D3等分泌性激素水平，共同維持機體鈣磷平衡[24]，且FGF21與FGF23蛋白均在CKD患者腎功能的進展中具有預測作用。

3.2FGF21和Klotho表達產物在抑制腎臟纖維化中的作用機制 TGF-β1是常見的腎臟纖維化誘導物，TGF-β1 信號是通過Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸-蘇氨酸激酶受體介導的。動物研究表明，在Col8a1-/-Col8a2-/-基因敲除小鼠中，激活ERK1/2和PI3K/AKT 通路可上調FGF21基因表達，使血清FGF21水平升高，抑制TGF-β1誘導的腎臟系膜細胞的增殖，促進細胞周期，減少基質的沉積，從而改善腎臟間質纖維化。因此，糖尿病腎病患者補充重組或者FGF21類似物抑制腎臟的纖維化是與此機制有關的[14]。

分泌型Klotho 蛋白能夠抑制TGF-β1 信號肽的轉導，分泌型Klotho 與TGF-β1 競爭性地結合TGF-βR2，因此降低了TGF-β1 與TGF-βR2 結合的比例，從而抑制了TGF-β1 的信號轉導，減少TGF-β1誘導的Samd2磷酸化。因此，分泌型Klotho部分腎臟保護功能可能來源于其抑制氧化應激以及TGF-β1 信號轉導的能力，防止了活性氧對腎臟損害、并抑制了腎臟纖維化[20]。見圖1。

圖1 FGF21與β-Klotho抑制腎臟纖維化機制

4 結 論

綜上所述，聯合FGF21及Klotho蛋白檢測作為腎臟損傷、進展的早期標記物更有助于對隱匿的早期腎臟病及腎功能快速進展進行診斷，相比肌酐、尿蛋白等臨床發現腎損傷較晚的指標更有意義。血清FGF21蛋白作為損傷進展的指標隨著腎功能的惡化是逐漸增加的，而血清可溶性的Klotho蛋白，尤其是與FGF21聯系密切的β-Klotho，作為一種腎臟的保護性因子是逐漸減少的。因此，聯合兩指標檢測可提高早期診斷的敏感性。且在AKI患者中，尿中Klotho水平與血清水平升高時間較一致，故檢測尿中Klotho為檢測的便捷又邁出了重要一步[25]。

當前對抑制腎臟急、慢性損傷，如細胞凋亡、基質增生、間質纖維化等的治療中仍沒有特異性強的靶向治療方法。首先，基于FGF21及Klotho基因在急、慢性腎臟疾病的發生發展中的共同作用機制，尤其是在抑制腎臟纖維化方面，兩者體現了一致性，我們期待運用兩者聯合作為基因治療的靶點，通過誘導FGF21及Klotho基因上調表達，抑制TGF-β1 信號肽的轉導，從而調控下游分子，從源頭阻止腎臟間質纖維化的進展，減少炎癥反應。其次，聯合治療有助于克服兩基因的表達產物各自的缺點，傳統的重組FGF21基因表達產物在血漿中半衰期非常短，并且容易繼發其他激素水平的異常。因此，使用具有溶蛋白裂解抵抗性的FGF21基因片段和與共受體β-Klotho蛋白可以作為具有穩定性和敏感性藥物的研究方向。除此之外，PEG修飾，補體片段融合等新的靶向方法也在探索中[26]。

[1] Donate-Correa J， Martin-Nunez E， Delgado NP， et al. Implications of Fibroblast growth factor/Klotho system in glucose metabolism and diabetes[J]. Cytokine Growth Factor Rev， 2016， 28: 71-77.

[2] Woo YC， Xu A， Wang Y， et al. Fibroblast growth factor 21 as an emerging metabolic regulator: clinical perspectives[J]. Clin Endocrinol (Oxf)， 2013， 78(4): 489-496.

[3] Kim HW， Lee JE， Cha JJ， et al. Fibroblast growth factor 21 improves insulin resistance and ameliorates renal injury in db/db mice[J]. Endocrinology， 2013， 154(9): 3366-3376.

[4] Fisher FM， Maratos-Flier E. Understanding the physiology of FGF21[J]. Annu Rev Physiol， 2016， 78: 223-241.

[5] Lin Z， Zhou Z， Liu Y， et al. Circulating FGF21 levels are progressively increased from the early to end stages of chronic kidney diseases and are associated with renal function in Chinese[J]. PLoS One， 2011， 6(4): e18398.

[6] Hindricks J， Ebert T， Bachmann A， et al. Serum levels of fibroblast growth factor-21 are increased in chronic and acute renal dysfunction[J]. Clin Endocrinol (Oxf)， 2014， 80(6): 918-924.

[7] Han SH， Choi SH， Cho BJ， et al. Serum fibroblast growth factor-21 concentration is associated with residual renal function and insulin resistance in end-stage renal disease patients receiving long-term peritoneal dialysis[J]. Metabolism， 2010， 59(11): 1656-1662.

[8] Reinhard M， Frystyk J， Jespersen B， et al. Response of fibroblast growth factor 21 to meal intake and insulin infusion in patients on maintenance haemodialysis[J]. Clin Endocrinol (Oxf)， 2015， 83(2): 187-195.

[9] Kohara M， Masuda T， Shiizaki K， et al. Association between circulating fibroblast growth factor 21 and mortality in end-stage renal disease[J]. PLoS One， 2017， 12(6): e0178971.

[10] Looker HC， Colombo M， Hess S， et al. Biomarkers of rapid chronic kidney disease progression in type 2 diabetes[J]. Kidney Int， 2015， 88(4): 888-896.

[11] Lee CH， Hui EY， Woo YC， et al. Circulating fibroblast growth factor 21 levels predict progressive kidney disease in subjects with type 2 diabetes and normoalbuminuria[J]. J Clin Endocrinol Metab， 2015， 100(4): 1368-1375.

[12] Habib SL. Diabetes and renal tubular cell apoptosis[J]. World J Diabetes， 2013， 4(2): 27-30.

[13] Zhang C， Tan Y， Guo W， et al. Attenuation of diabetes-induced renal dysfunction by multiple exposures to low-dose radiation is associated with the suppression of systemic and renal inflammation[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab， 2009， 297(6): E1366-1377.

[14] Loeffler I， Hopfer U， Koczan D， et al. Type Ⅷ collagen modulates TGF-beta1-induced proliferation of mesangial cells[J]. J Am Soc Nephrol， 2011， 22(4): 649-663.

[15] Wang Y， Koh WP， Yuan JM， et al. Sex-specific association between fibroblast growth factor 21 and type 2 diabetes: a nested case-control study in Singapore Chinese men and women[J]. Nutr Metab (Lond)， 2017， 14: 63.

[16] Kurosu H， Kuro-O M. The Klotho gene family as a regulator of endocrine fibroblast growth factors[J]. Mol Cell Endocrinol， 2009， 299(1): 72-78.

[17] Hu MC， Kuro-o M， Moe OW. Renal and extrarenal actions of Klotho[J]. Semin Nephrol， 2013， 33(2): 118-129.

[18] 孫昕，陳林，董曉慧，等. Klotho蛋白與疾病的研究進展[J]. 中國藥理學通報， 2014， 30(2): 153-155.

[19] Hu MC， Shi M， Zhang J， et al. Klotho deficiency is an early biomarker of renal ischemia-reperfusion injury and its replacement is protective[J]. Kidney Int， 2010， 78(12): 1240-1251.

[20] Kuro-o M. Klotho in health and disease[J]. Curr Opin Nephrol Hypertens， 2012， 21(4): 362-368.

[21] John GB， Cheng CY， Kuro-o M. Role of Klotho in aging， phosphate metabolism， and CKD[J]. Am J Kidney Dis， 2011， 58(1): 127-134.

[22] Hu MC， Kuro-o M， Moe OW. Klotho and chronic kidney disease[J]. Contrib Nephrol， 2013， 180: 47-63.

[23] Phelps M， Stuelsatz P， Yablonka-Reuveni Z. Expression profile and overexpression outcome indicate a role for betaKlotho in skeletal muscle fibro/adipogenesis[J]. FEBS J， 2016， 283(9): 1653-1668.

[24] 盧劍萍，程震. 成纖維細胞生長因子23與腎臟疾病[J]. 腎臟病與透析腎移植雜志， 2013， 22(4): 357-362.

[25] Hu MC， Moe OW. Klotho as a potential biomarker and therapy for acute kidney injury[J]. Nat Rev Nephrol， 2012， 8(7): 423-429.

[26] Zhang J， Li Y. Fibroblast growth factor 21 analogs for treating metabolic disorders[J]. Front Endocrinol (Lausanne)， 2015， 6: 168.

楊艷，Email: yangy2015@lzu.edu.cn

R692

A

1004-583X(2017)12-1096-04

10.3969/j.issn.1004-583X.2017.12.020

2017-08-13 編輯:王秋紅