Klotho基因與神經系統疾病相關性的研究進展

鄭桃云 王長江 薄文集 周 玲 王 平

(湖北中醫藥大學老年醫學研究所，湖北 武漢 430065)

Klotho(Kl)基因是一種與抗衰老、抗氧化有關的基因，主要在腦脈絡叢及腎臟表達，發生突變會導致早衰，表現為角膜混濁、耳聾、不孕不育、骨質疏松、步態紊亂等，與人類衰老極為相似〔1〕。Kl基因在腦部的其他區域，如大腦皮質、海馬、小腦、紋狀體、黑質、嗅球和骨髓也有少量表達〔2〕。斑馬魚的α-Kl蛋白在受精后24 h即在腦、胰腺、前腎表達〔3〕。腎臟表達的Kl蛋白入血，而脈絡叢產生的則進入腦脊液〔4〕。Kl蛋白與神經系統關系密切，本文就Kl基因與神經系統疾病相關性研究進展進行綜述。

1 Kl基因異常對神經系統的影響

Kl基因敲除或突變鼠，表現出認知和記憶功能損害，海馬部位的突觸素明顯減少，免疫反應性減弱，在透明層尤為明顯，CA3區透明層的神經末梢數量明顯減少，軸突運輸出現異常，并出現神經退行性改變，丙二醛和8-羥基脫氧鳥苷明顯增加，脫氧核糖核苷酸末端轉移酶介導的缺口末端標記法(TUNEL)陽性細胞凋亡〔5，6〕；小腦的浦肯野細胞數量減少〔1〕；腦黑質區p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)活性升高，硫氧還蛋白原-凋亡信號調節激酶(Trx/ASK)1復合物下降〔7〕；中腦腹側的黑質致密部可見許多酪氨酸羥化酶(TH)陽性神經元和纖維，黑質神經元數目下降〔8〕；髓鞘蛋白和成熟的少突膠質細胞數量明顯下降，郎飛結、視神經和胼胝體髓鞘的超微結構受損，軸突髓鞘形成下降，結旁區減少〔9〕；Janus激酶(JAK)2/信號轉導子和激活子(STAT)3信號通路失活，膽堿能神經元異常〔9〕；中腦多巴胺神經元出現退化，腹側被蓋區多巴胺能神經元明顯減少〔10〕；除大腦重量減輕外，在脊髓的頸段和腰段，灰質和白質明顯減少，脊髓前角細胞染色質溶解，尼氏體數量減少，磷酸化的神經微絲蛋白堆積，腹角灰質神經元縮小〔11〕。

使用不同濃度的去甲基化藥物地西他濱處理12 h后，小腦皮質神經元Kl mRNA和腦源性神經營養因子(BDNF)基因表達明顯增加。使用不同濃度的過氧化氫(H2O2)處理小腦顆粒神經元，Kl蛋白水平下降；通過地西他濱預處理的小腦顆粒神經元可以逆轉H2O2引起的Kl蛋白水平下降；通過對抗Kl基因的短發夾RNA(shRNA)轉染小腦顆粒細胞，使Kl蛋白表達下調，又可以抵消地西他濱的作用，出現了與H2O2處理后損傷程度相似的神經元死亡。H2O2處理Kl蛋白表達敲減的小腦顆粒細胞，損傷程度更加嚴重〔12〕。

在獼猴的腦白質發現，Kl蛋白表達下降與年齡呈線性相關，也出現了認知功能的下降，可能與多條信號通路有關，如成纖維細胞生長因子(FGF)，胰島素樣生長因子(IGF)-1和 Wnt等〔13〕。其中FGF是促進成纖維細胞生長的多肽類活性物質，通過與FGF受體(FGFR)結合發揮作用。FGF23是FGF家族成員之一，其氨基末端有FGFR結合位點，羧基末端有Kl蛋白結合位點。FGF23升高與α-Kl蛋白下降有關，抑制α-Kl表達。Kl蛋白、FGFR和FGF23之間的主要關系是：Kl-FGFR復合物與FGF23結合，與Kl或FGFR單獨與FGF23結合相比有更高的親和力〔14〕。因此，FGF23的升高和降低均可以導致疾病，而α-Kl蛋白則是調節FGF23的關鍵因子，維持著FGF23在體內的穩態。通過原代海馬神經元培養，FGF23減弱了動態調節神經元聯系的能力，而α-Kl蛋白引起FGF和FGFR失活，從而改善神經元聯系能力〔15〕。長時程增強(LTP)由突觸后神經元內鈣離子(Ca2+)濃度升高所致，而Kl蛋白/FGF23作為調節Ca、磷代謝的重要信號通路，可能是影響認知功能的重要原因之一。

2 Kl蛋白對神經系統的保護作用機制

重組Kl蛋白可以通過氧化還原系統調節谷氨酸和β淀粉樣蛋白(Aβ)的毒性，保護原代海馬神經元和海馬神經細胞〔16〕。通過Kl轉基因鼠發現，Kl蛋白表達的升高，對突觸可塑性有LTP作用，升高海馬N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體亞單位GluN2B的突觸數量，可以增強學習和記憶能力〔17〕。Kl蛋白含量越高，在腦部的多個區域皮層灰質體積就越大，如右側顳中回(rTEMP)，右背外側前額葉皮層(rDLPFC)〔18〕。在雙環己酮草酰雙腙(Cuprizone)誘導的脫髓鞘動物實驗發現，Kl轉基因高表達鼠與野生型相比，自發性的髓鞘再生增加了兩倍，Kl蛋白對髓鞘再生具有一定作用〔19〕。Kl蛋白還通過活化抗氧化酶系統，減輕Aβ和谷氨酸毒性，從而保護海馬神經元，并維持少突膠質細胞成熟和髓鞘完整性，若高表達還可以改善認知功能，因此有學者認為Kl蛋白具有保護神經元和提高認知功能作用〔20〕。FGF23為動脈粥樣硬化及腦梗死發生的危險因素，Kl蛋白水平與FGF23呈明顯負相關，因此Kl蛋白也是防止動脈粥樣硬化及腦梗死發生的保護因素〔21〕。

3 Kl與神經系統疾病

3.1阿爾茨海默病(AD) 老年人腦脊液Kl蛋白濃度比年輕人低，患有AD的老年人比無AD的老年人低〔22〕。AD鼠模型與同齡對照鼠比較，Kl在腎臟、前額皮質、海馬、小腦的表達均出現明顯下降〔23〕。在癡呆鼠模型發現Kl蛋白表達明顯低于假手術組及對照組，Morris水迷宮顯示癡呆模型大鼠逃避潛伏期明顯長于假手術組及對照組，跨越平臺次數也明顯少于假手術組及對照組〔24〕。研究顯示，快速衰老小鼠的學習、記憶功能明顯下降，腦內Aβ1～42、同種異體移植炎癥因子(AIF)1、膠質纖維酸性蛋白(GFAP)和晚期糖基化終產物(RAGE)受體的表達顯著增加，Kl和低密度脂蛋白受體相關蛋白(LRP)-1的表達明顯降低，Kl表達的降低可能導致LRP-1降低和RAGE增加，從而增加Aβ在腦內沉積〔25〕。

3.2帕金森病(PD) 通過1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)誘導的PD小鼠模型發現，Kl蛋白可以拮抗MPTP對小鼠黑質多巴胺能神經元損傷，對MPTP制備的PD模型小鼠多巴胺能神經元有保護作用〔26〕。

3.3多發性硬化癥(MS) 有研究發現，復發緩解型MS(RRMS)患者腦脊液Kl濃度和總抗氧化能力均下降，與擴展殘疾狀態量表(EDSS)評分明顯負相關〔27〕，但是血液中的Kl蛋白濃度升高〔28〕，并且FGF23和碘化丙啶(PI)水平升高，25羥基維生素D〔25-(OH)-VitD〕和Ca水平下降〔29〕。可能與使用免疫調節藥或者是一種代償反應或與VitD的合成有關〔28〕。目前沒有證據顯示Kl能夠跨越血腦屏障和血-腦脊液屏障，腦實質的細胞間液與腦脊液幾乎不發生液體交換。腦實質的Kl蛋白和血液、腦脊液的Kl蛋白是互相隔離的〔2〕。但是在MS這樣的自身免疫性疾病情況下，血腦屏障可能出現受損〔29〕，其原因仍然需要進一步研究來明確。

3.4尿毒癥認知功能 研究證實，腎功能下降對認知功能有負面影響，而慢性腎臟病患者Kl蛋白表達下降。5/6腎切除大鼠出現了工作記憶和注意力下降，額葉皮質的Kl蛋白下降，且與腫瘤壞死因子(TNF)-α呈負相關〔30〕。

綜上，Kl基因作為一種長壽基因，目前的研究已經證實其在神經系統疾病、腎臟疾病、心血管病、腫瘤等多個系統中均有保護作用。從Kl基因與神經系統疾病關系來看，發現與FGF、Wnt、IGF-1和氧化應激等信號通路有關，從而導致神經系統功能受損。Kl作為一種保護神經系統的蛋白，如何提高Kl蛋白表達，從而對神經系統疾病進行治療，是目前的主要研究方向之一。研究發現，補腎中藥可以促進Kl蛋白的表達〔30〕，而且補腎藥物也可以改善AD〔31〕，補腎名方六味地黃丸緩解Aβ毒性及延長秀麗線蟲壽命〔32〕。研究發現，Kl基因的生物學效應與中醫學“腎精”有著極為相似之處，Kl是腎精的重要組成部分〔33〕。