α-Klotho在慢性腎臟病中的研究進展

黃夢蘭 綜述 馬瑞鶯，王潔 審校

1.右江民族醫學院研究生院，廣西 百色 533000；2.百色市人民醫院，廣西 百色 533000；3.右江民族醫學院附屬醫院，廣西 百色 533000

慢性腎臟疾病(chronic kidney disease，CKD)是指各種原因引起的慢性腎臟結構和功能障礙，包括腎臟病理損傷、血液或尿液成分異常、影像學檢查異常或腎小球濾過率(GFR)下降[＜60 mL/(min·1.73 m2)]超過3 個月的一類疾病[1]。在過去的30 年里CKD 在世界人口疾病死亡率排行榜上不斷攀升，在2016 年排名第16位，到2040年將上升至第5位[2]。面對8.5億的患者，CKD 已被視為重要的全球公共衛生事件，越來越多的研究投入到CKD的防治中。KL基因于1997年首次被KURO?O等[3]發現后，人們對其的研究也不斷深入，尤其在腎臟疾病中。研究表明，α-KL具有調節氧化應激、炎癥反應、自噬等功能，參與多系統多疾病的發生發展機制，發揮局部或者全身性生物學效應。本文就α-KL在CKD及并發癥中的作用做一簡要綜述。

1 KL

KL 基因全長50 kb，位于人第13 號染色體長臂上，含5 個外顯子及4 個內含子。由于選擇性剪切的存在，可將其編碼的蛋白分為膜型和分泌型2種。KL基因全長表達時編碼的蛋白是膜型KL蛋白，含1 012個氨基酸，屬于Ⅰ型單次跨膜蛋白，其胞內結構域極短，故無功能，胞外結構域中至少含2個串聯重復序列組成的β-葡萄糖苷酶樣結構(即KL1 和KL2)，主要在腎臟、腦中表達，易被去整合素-金屬蛋白酶10 等水解，將其胞外結構域裂解脫落到體液中發揮激素作用[3-4]。脫落的片段有三種形式：胞外結構部分和KL1、KL2 片段，統稱為可溶性KL 蛋白。分泌型KL則是選擇性剪切后產生的另一種蛋白，主要分布于細胞外及體液中。隨著研究的不斷深入，后來還發現了β-klotho 蛋白和γ-klotho 蛋白，為區分三者，人們將最早發現的KL蛋白重命名為α-klotho。α-KL的表達具有一定的組織特異性，其主要在腎小管、甲狀旁腺以及脈絡叢中表達，參與體內多種生物過程[4]。

2 α-KL在腎臟病中的作用

目前研究表明，CKD 患者血清及腎組織中α-KL水平下降，且α-KL 缺失促進腎臟纖維化、鈣磷失衡等，參與CKD 進展即相關并發癥發生與發展的機制[5-8]。研究發現，過表達α-KL 可部分逆轉CKD 小鼠蛋白激酶C 同工酶活化所致的細胞凋亡、足細胞損傷和蛋白尿等[9]。下面就以下幾個方面對其生物學功能進行展述。

2.1 α-KL與氧化應激 氧化應激是許多疾病發生的病理基礎，而α-KL 蛋白已被多項研究證明具有抗氧化能力。在氧化應激中，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物-1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha，PGC1α)是線粒體生物發生的主要調節劑，而腺苷單磷酸激活蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)被稱為線粒體的守護者，轉錄因子NF-E2相關因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)則是調節抗氧化反應的中央轉錄因子。α-KL不僅調控以上關鍵因子，其抗氧化作用還廣泛涉及腎臟中的多種細胞。在腎臟近端腎小管細胞中，α-KL 蛋白不僅能通過調節PGC1α/AMPK介導線粒體功能的恢復，還能抑制mTOR/TGF-β途徑及PI3K/AKT/FoxO1 途徑；而在足細胞中，則是通過誘導Nrf2 及其下游靶標的表達和激活增加血紅素加氧酶-1 (heme oxygenase 1，HO-1)表達，從而增加抗氧化酶的活性、清除活性氧、抑制氧化應激與細胞凋亡；此外，α-KL 蛋白還可以增加一氧化氮的分泌，改善內皮細胞的功能[10-13]。多項研究表明，α-KL 的抗氧化能力具有一定的普遍性。值得重視的是，α-KL 對于細胞而言并不總是友好的。作為一種長壽激素，它保護正常細胞免受氧化應激，但作為一種腫瘤抑制劑，它抑制癌細胞的生長。研究表明，重組KL 蛋白促使癌細胞中的AMPK磷酸化，抑制線粒體鈣穿梭，使線粒體活性減弱[14]。

2.2 α-KL與炎癥反應 炎癥反應是很多腎臟疾病的發病因素，而且幾乎所有腎臟疾病的進展都涉及炎癥反應。細胞衰老的同時常伴隨著衰老相關分泌表型的產生，而衰老相關分泌表型又導致機體慢性低度炎癥和疾病，并反作用于衰老細胞及其鄰近細胞加速它們的衰老進程。單核細胞中的免疫衰老樣表型的啟動伴隨著CREB34L 和TFE3 高爾基體應激反應以及ATF6 和IRE1 內質網應激反應的激活，上調促炎細胞因子的分泌，而過表達α-KL 可以抑制以上這些變化[15]。另一項研究也證實，CKD患者的血清炎癥因子水平與硫酸吲哚酚呈正相關，與α-KL 呈負相關。過表達α-KL 不僅可以抑制核因子(NF)-κB 信號傳導及轉化生長因子(TGF-α)、白介素(IL)-6、IL-1β等因子的釋放，還促進巨噬細胞向M2型極化，從而抑制CKD小鼠的全身炎癥反應[16-17]。

2.3 α-KL 與血管鈣化 無論是內皮細胞衰老，還是血管鈣化都意味著血管衰老，心腦血管發病率勢必會增加。一項前瞻性研究發現α-KL 水平與患冠狀動脈疾病和腦血管意外的風險呈負相關[18]。α-KL 蛋白不僅對骨髓間充質干細胞和血管內皮細胞發揮保護作用，促進糖尿病潰瘍區血管生成，使潰瘍愈合；而且，可以激活Wnt7b/β-catenin通路逆轉高磷酸鹽誘導的血管平滑肌細胞鈣化[19-20]。血管鈣化進程中還涉及動脈平滑肌細胞向成骨表型的分化。將不同分期的CKD 患者以及正常人的血清分別加入體外培養的人動脈平滑肌細胞中培養表明，無論CKD 分期如何，CKD患者血清的血清鈣化潛力(誘導動脈平滑肌細胞鈣化的能力)均大于對照組，且α-KL表達顯著降低，并且在CKD5期血清中被基本消除，進一步表明CKD患者血清可通過抑制α-KL 促進體外培養的動脈平滑肌細胞向成骨表型分化[21]。α-KL 參與了血管鈣化中多項過程的調節。

2.4 α-KL 與自噬 α-KL 是細胞防御機制的一部分，可通過調節自噬與凋亡之間的內質網信號傳導提供保護作用。普遍認為，α-KL 蛋白缺失抑制細胞的自噬水平。MYTYCH等[22]在成纖維細胞中沉默KL基因，發現氧化應激和炎癥反應被激活，導致基因組不穩定，磷酸化真核翻譯起始因子2α介導的內質網應激減少，自噬延遲，最終使得傷口難以閉合。研究還發現，α-KL蛋白缺失可以通過下調細胞中Atg13的表達防止自噬啟動因子ULK1 復合物的形成，激活凋亡而抑制自噬[23]。轉錄因子EB(transcription factor EB，TFEB)是溶酶體生物發生的主要調控因子。KL 通過抑制糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3 beta，GSK3β)的磷酸化來誘導TFEB的核易位，改善溶酶體酸化障礙、TFEB 表達抑制等，從而激活溶酶體功能，提高自噬清除率[24]。使用Necrostatin-1(一種壞死性凋亡抑制劑)可以上調KL的表達，抑制NF-κB信號傳導，激活腎臟的自噬作用，對抗順鉑誘導的腎毒性[25]。有趣的是，一些研究結果得出了截然相反得結論。CHEN 等[26]認為α-KL 基因缺陷上調了小鼠體內的自噬水平。α-KL 對自噬的調節眾說紛紜，可能存在多樣化和異質化，或者存在一種自噬的平衡狀態。

2.5 α-KL 的表觀遺傳 除DNA 和RNA 序列外，還有許多調控基因的信息，在不改變基因的序列的前提下通過基因修飾而影響和調節遺傳基因的功能和特性。腎臟纖維化是終末期腎病最常見的組織形態學特征，其開始和進展在很大程度上受到易感基因表觀遺傳修飾的影響。組蛋白3上第27位賴氨酸三甲基化(histone 3 lysine[K]27 trimethy lation，H3K27me3)與α-KL啟動子區存在物理關聯。與年輕的野生型小鼠相比，老年野生型和KL 突變小鼠腎臟中H3K27me3 水平升高，下調了KL 基因，使培養的原代腎小管細胞中的p53 和p16 (衰老標記)上調，促進腎臟細胞衰老[27]。而 微 小RNA 如miR-200c 和microRNA-199a 則直 接與α-KLmRNA3'-UTR 結合，抑制α-KL 的表達，活化NF-κB 途徑，損害腎臟[28-29]。目前已發現一些中藥成分可以影響KL 的表達。有研究表明，金雀異黃素不僅可以通過逆轉啟動子組蛋白3的低乙酰化并且減輕KL啟動子的甲基化程度來保護KL蛋白，還可以抑制異常DNMT1/3a 的表達使KL 啟動子脫甲基，從而預防UUO模型小鼠腎纖維化[30]。

2.6 α-KL 與鈣磷調節 腎臟是調節體內電解質穩態的重要器官，CKD 常并發礦物質代謝紊亂，導致CKD-礦物質和骨異常(CKD-mineral and bone disorder，CKD-MBD)。α-KL在磷酸鹽穩態中發揮調節作用，其缺乏參與高磷血癥的發展[3]。喂食高磷飲食的正常小鼠腎臟中的α-KL 蛋白和mRNA 表達顯著降低。在CKD-MBD發生的早期即出現α-KL減少[31]。腎小球濾過率降低導致磷排泄率降低，同時蛋白尿或炎癥導致小管細胞α-KL 表達降低，驅動CKD-MBD 的形成[32]。α-KL是磷酸激素成纖維細胞生長因子-23(FGF23)的共受體[33]。在近端小管中FGF23對鈣磷的調節具有重要意義。FGF23 減少磷酸鹽重吸收，從而促進磷酸鹽的排泄，并減少骨化三醇的合成。骨化三醇的降低會限制腸道對磷酸鹽和鈣的吸收[34]。骨化三醇水平降低和腸道鈣吸收減少導致的低鈣血癥，進一步促進甲狀旁腺激素分泌、甲狀旁腺功能亢進和腎性骨營養不良的形成。而FGF23 需要α-KL 才能與FGFRs 結合，形成三元復合物，然后在硫酸乙酰肝素的參與下形成的三元復合物進一步二聚化，從而激活下游的信號通路發揮功能。

2.7 α-KL 與神經損害 腎/腦軸受到越來越多的關注，尿毒癥毒素可以直接或者間接損害神經系統。5/6 腎切除大鼠中部分出現了的記憶功能和空間探索功能下降，并與額葉皮質的Kl 蛋白呈負相關[35]。α-KL 基因敲除小鼠表現出視神經和體髓鞘顯著受損[36]。在體外細胞培養中α-KL 缺陷激活p38MAPK通路，誘導氧化亞氮應激和端粒功能障礙相關基因失調，從而導致內質網應激、神經炎癥；而在小鼠體內實驗中，α-KL 敲除促使炎癥因子表達增加并觸發巨噬細胞浸潤[37-38]。此外，α-KL 還調控Akt/FoxO1、NF-κB 等其他經典炎癥信號通路在神經系統中發揮作用；α-KL 甚至還可以改善糖尿病的小腦損傷[39-41]。α-KL在神經系統中的作用除了直接的，還有間接作用。研究表明，較高的血清磷水平與癡呆癥的發病風險增加有關，而α-KL 也可以通過調節磷等間接參與CKD相關認知功能障礙的發生[42]。

3 展望

綜上所述，α-KL 在CKD 中發揮著抗氧化、抗炎、抗凋亡、保護血管和神經、調節自噬、表觀遺傳學等多種生物學功能，是生物進化過程中的有利基因。盡管α-KL 蛋白的分子功能還未完全破譯，而且針對α-KL治療的研究尚未進入臨床階段，但已明確過表達α-KL具有改善腎病損傷及延緩CKD 并發癥等至關重要的作用，因此內在刺激或外援補充α-KL 或許將成為CKD治療的潛在靶點。