Klotho蛋白在慢性腎臟病中作用的研究進展

陳 靜， 章曉燕， 丁小強

復旦大學附屬中山醫院腎內科，上海 200032

早在1997年人們就發現了Klotho基因[1]，其主要表達于腎臟，編碼蛋白為單鏈跨膜蛋白，在胞膜上與FGF23受體形成復合體，進而發揮生物學作用[2-3]。Klotho蛋白缺乏可導致腎臟纖維化、心肌肥厚、血管鈣化等[4]。本課題組前期研究發現，Klotho的表觀遺傳學改變(主要是DNA甲基化)參與慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)相關血管鈣化的發生，說明其在CKD發生發展中發揮一定作用。本文對Klotho及其在CKD中作用的研究進展作一綜述。

1 Klotho家族

Klotho家族包括α-Klotho、β-Klotho和γ-Klotho。成纖維生長因子(FGF)與單獨的FGF受體(FGFRs)或Klothos親和力較低，而與FGFRs-Klotho復合體親和力較高[5-7]。大部分組織和細胞表達FGFRs，而Klotho的表達有組織特異性。其中，α-Klotho主要在腎臟和甲狀旁腺內表達，與FGFR1c、FGFR3c、FGFR4結合后成為FGF23的高親和力受體；β-Klotho主要在肝臟和脂肪組織表達，與FGFR1c、FGFR4結合后分別成為FGF15/19、FGF21的高親和力受體；γ-Klotho主要在眼、脂肪和腎臟表達，與FGFR1b、FGFR1c、FGFR2c結合后成為FGFR4/FGF19高親和力受體[8]。

α-Klotho和β-Klotho基因編碼Ⅰ型單鏈跨膜蛋白，且編碼蛋白有41%的氨基酸相同。α-Klotho和β-Klotho蛋白的胞外部分為含有由2個串聯重復序列組成的β-葡萄糖苷酶樣結構，胞內部分則很短且無生物功能[9]。γ-Klotho基因編碼的單次跨膜蛋白較短，含有1個β-葡萄糖苷酶樣結構。β-Klotho作為受體的一部分與FGF15/19或FGF21結合后參與能量代謝調節，作用同α-Klotho-FGF23復合物。FGF15/19在小腸中的表達受膽汁酸調節[10]。進食后，膽汁酸釋放入小腸，與腸黏膜法尼醇Ⅹ受體結合，從而激活FGF15/19基因的表達。在小腸合成的FGF15/19作用于肝臟，使肝臟內β-Klotho和FGFR4表達增加，同時抑制膽汁酸合成限速酶膽固醇7α-羥化酶(CYP7A1)基因的表達，進而抑制膽汁酸合成。小鼠由于缺乏β-Klotho和FGFR4(或FGF15)，導致CYP7A1基因過表達，膽汁酸合成增加。由于Klotho蛋白的胞內段非常短，不能傳導任何信號，因此推斷Klotho胞外段對FGFRs受體作用的發揮只起了輔助作用。而且，選擇性的剪切Klotho基因外顯子3，可以導致長度較短的Klotho蛋白從細胞中釋放，并以可溶性胞外蛋白的形式存在[11]。

2 Klotho的生理作用

Klotho蛋白有膜結合型和分泌型兩種形式。在小鼠、大鼠以及人的腎臟，膜結合型Klotho主要表達在遠端小管和近端小管，在內髓收集管也有少量表達。分泌型Klotho蛋白是Klotho基因選擇性剪切表達后直接釋放到胞外，廣泛存在于體液中。分泌型Klotho蛋白可由膜結合型Klotho胞外段被去整合素金屬蛋白酶10(a desintegrin and metalloproteinase 10，ADAM10)和ADAM17剪切后形成，這一生理過程受胰島素和金屬蛋白酶抑制劑的調控。膜結合型Klotho和分泌型Klotho蛋白有不同的生物學作用。膜結合型Klotho與FGFR結合后發揮FGF23受體的作用。分泌型Klotho的作用更像內分泌因子，在調節離子通道、Wnt信號通路，拮抗腎素-血管緊張素Ⅱ-醛固酮系統，抗衰老和抗氧化方面發揮重要作用。此外，Klotho還可以通過抑制腎臟1α-羥化酶表達來調節鈣代謝，與FGF23結合后調節甲狀旁腺激素(PTH)的合成。

分泌型Klotho存在于血液、尿液和腦脊液[12]，獨立發揮體液因子的作用[13]。α-Klotho胞外段由被錨定在細胞膜上的蛋白酶ADAM10或ADAM17剪切。目前，僅在血液、腦脊液和尿液中發現α-Klotho脫落的胞外段[14-15]，而未發現分泌型β-Klotho和γ-Klotho。血漿中α-Klotho的濃度為10～50 nmol/L，尿中的濃度較血漿中高，腦脊液中的濃度不確定[15]。然而，Klotho胞外段脫落的上游調控機制如何，調節循環Klotho水平的傳入機制如何，以及分泌型Klotho的生物學作用有哪些等問題還有待解決。此外，關于分泌型Klotho是否可以作為FGF23的共同受體發揮生物學作用，目前還存在較大爭議。

分泌型Klotho有潛在的類似于唾液酸酶的作用[16]。唾液酸酶可以除去細胞表面的N連接糖鏈的幾種糖蛋白。分泌型Klotho通過對細胞表面瞬時受體電位陽離子通道5(transient receptor potential cation channel，subfamily V, member 5，TRPV5)和腎外髓鉀通道1( renal outer medullary potassium channel 1，ROMK1)蛋白N末端糖鏈的修飾，防止這些蛋白的內吞，從而增加了鈣和鉀的內流。而對于鈉-磷協同轉運體2a(sodium-phosphate cotransporter 2a, NPT2a)，分泌型Klotho則通過對其糖鏈的修飾起到促進內吞和滅活的作用。

此外，分泌型Klotho還可以抑制胰島素、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、Wnt信號通路[17]和轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)[18]的活性。對健康動物注射分泌型Klotho可產生調節體內代謝的生物學效應，這支持分泌型Klotho可延緩衰老的調節功能。盡管目前認為分泌型Klotho可結合FGFs或自身的二聚體跨膜Klotho，但其受體及結合FGFs可以介導何種信號傳導還不能確定。分泌型Klotho有糖鏈修飾酶的作用[19]，但其信號傳導受體被確認之前，還不能被認為是一種內分泌激素。

3 Klotho與CKD

CKD是一個全球性的公共健康問題，不同國家的發病率為5%～10%[19]。Klotho基因敲除鼠的表型與CKD患者的臨床表現相似，包括軟組織異位鈣化、高磷血癥和高血漿FGF23，提示CKD患者可能缺乏Klotho。Klotho蛋白缺乏可以出現腎臟纖維化、心肌肥厚、血管鈣化等慢性腎臟病病理表現[19]。本課題組前期研究[20]發現，Klotho的表觀遺傳學改變(主要是DNA甲基化)參與CKD相關血管鈣化的發生。

雖然臨床上CKD患者腎臟Klotho mRNA和蛋白的表達水平檢測受限，但已有研究證實CKD患者腎組織Klotho表達水平降低。近年來出現了一種新的ELISA方法，可用于檢測CKD患者的血漿Klotho水平[21]。研究[22]顯示，血漿Klotho水平與血肌酐、尿素氮及FGF23相關，表明血漿Klotho水平可能受到腎功能的影響；但CKD患者尿中Klotho水平在CKD早期即下降，并且隨著CKD進展而進行性下降；在CKD動物模型中，Klotho水平的變化在血漿、尿液和腎臟是一致的，但在人體內這一相關性還有待進一步證實。大多數CKD模型中，包括腎切除模型、腎炎模型、腎中毒模型、糖尿病腎病模型以及高血壓腎損傷模型，都顯示腎臟Klotho mRNA及蛋白的表達水平與血漿、尿液中可溶性Klotho水平一致[22]。

4 展 望

CKD的防治是一個亟待解決的公共衛生難題。CKD可進一步進展為需要進行維持性透析或腎移植的終末期腎病(end-stage renal disease, ESRD)。要預防和治療CKD，需要對腎臟病的發生發展機制進行研究，尋找可行的檢測、治療靶標，進而進行精準靶向、個體化治療，改善患者的預后。Klotho作為目前較為肯定的腎臟保護蛋白，有待對其在CKD發生發展中的作用及機制進行深入研究。

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