α-Klotho在慢性肾脏病中的研究进展

黄梦兰 综述 马瑞莺，王洁 审校

1.右江民族医学院研究生院，广西 百色 533000；2.百色市人民医院，广西 百色 533000；3.右江民族医学院附属医院，广西 百色 533000

慢性肾脏疾病(chronic kidney disease，CKD)是指各种原因引起的慢性肾脏结构和功能障碍，包括肾脏病理损伤、血液或尿液成分异常、影像学检查异常或肾小球滤过率(GFR)下降[＜60 mL/(min·1.73 m2)]超过3 个月的一类疾病[1]。在过去的30 年里CKD 在世界人口疾病死亡率排行榜上不断攀升，在2016 年排名第16位，到2040年将上升至第5位[2]。面对8.5亿的患者，CKD 已被视为重要的全球公共卫生事件，越来越多的研究投入到CKD的防治中。KL基因于1997年首次被KURO⁃O等[3]发现后，人们对其的研究也不断深入，尤其在肾脏疾病中。研究表明，α-KL具有调节氧化应激、炎症反应、自噬等功能，参与多系统多疾病的发生发展机制，发挥局部或者全身性生物学效应。本文就α-KL在CKD及并发症中的作用做一简要综述。

1 KL

KL 基因全长50 kb，位于人第13 号染色体长臂上，含5 个外显子及4 个内含子。由于选择性剪切的存在，可将其编码的蛋白分为膜型和分泌型2种。KL基因全长表达时编码的蛋白是膜型KL蛋白，含1 012个氨基酸，属于Ⅰ型单次跨膜蛋白，其胞内结构域极短，故无功能，胞外结构域中至少含2个串联重复序列组成的β-葡萄糖苷酶样结构(即KL1 和KL2)，主要在肾脏、脑中表达，易被去整合素-金属蛋白酶10 等水解，将其胞外结构域裂解脱落到体液中发挥激素作用[3-4]。脱落的片段有三种形式：胞外结构部分和KL1、KL2 片段，统称为可溶性KL 蛋白。分泌型KL则是选择性剪切后产生的另一种蛋白，主要分布于细胞外及体液中。随着研究的不断深入，后来还发现了β-klotho 蛋白和γ-klotho 蛋白，为区分三者，人们将最早发现的KL蛋白重命名为α-klotho。α-KL的表达具有一定的组织特异性，其主要在肾小管、甲状旁腺以及脉络丛中表达，参与体内多种生物过程[4]。

2 α-KL在肾脏病中的作用

目前研究表明，CKD 患者血清及肾组织中α-KL水平下降，且α-KL 缺失促进肾脏纤维化、钙磷失衡等，参与CKD 进展即相关并发症发生与发展的机制[5-8]。研究发现，过表达α-KL 可部分逆转CKD 小鼠蛋白激酶C 同工酶活化所致的细胞凋亡、足细胞损伤和蛋白尿等[9]。下面就以下几个方面对其生物学功能进行展述。

2.1 α-KL与氧化应激 氧化应激是许多疾病发生的病理基础，而α-KL 蛋白已被多项研究证明具有抗氧化能力。在氧化应激中，过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活物-1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha，PGC1α)是线粒体生物发生的主要调节剂，而腺苷单磷酸激活蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)被称为线粒体的守护者，转录因子NF-E2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)则是调节抗氧化反应的中央转录因子。α-KL不仅调控以上关键因子，其抗氧化作用还广泛涉及肾脏中的多种细胞。在肾脏近端肾小管细胞中，α-KL 蛋白不仅能通过调节PGC1α/AMPK介导线粒体功能的恢复，还能抑制mTOR/TGF-β途径及PI3K/AKT/FoxO1 途径；而在足细胞中，则是通过诱导Nrf2 及其下游靶标的表达和激活增加血红素加氧酶-1 (heme oxygenase 1，HO-1)表达，从而增加抗氧化酶的活性、清除活性氧、抑制氧化应激与细胞凋亡；此外，α-KL 蛋白还可以增加一氧化氮的分泌，改善内皮细胞的功能[10-13]。多项研究表明，α-KL 的抗氧化能力具有一定的普遍性。值得重视的是，α-KL 对于细胞而言并不总是友好的。作为一种长寿激素，它保护正常细胞免受氧化应激，但作为一种肿瘤抑制剂，它抑制癌细胞的生长。研究表明，重组KL 蛋白促使癌细胞中的AMPK磷酸化，抑制线粒体钙穿梭，使线粒体活性减弱[14]。

2.2 α-KL与炎症反应 炎症反应是很多肾脏疾病的发病因素，而且几乎所有肾脏疾病的进展都涉及炎症反应。细胞衰老的同时常伴随着衰老相关分泌表型的产生，而衰老相关分泌表型又导致机体慢性低度炎症和疾病，并反作用于衰老细胞及其邻近细胞加速它们的衰老进程。单核细胞中的免疫衰老样表型的启动伴随着CREB34L 和TFE3 高尔基体应激反应以及ATF6 和IRE1 内质网应激反应的激活，上调促炎细胞因子的分泌，而过表达α-KL 可以抑制以上这些变化[15]。另一项研究也证实，CKD患者的血清炎症因子水平与硫酸吲哚酚呈正相关，与α-KL 呈负相关。过表达α-KL 不仅可以抑制核因子(NF)-κB 信号传导及转化生长因子(TGF-α)、白介素(IL)-6、IL-1β等因子的释放，还促进巨噬细胞向M2型极化，从而抑制CKD小鼠的全身炎症反应[16-17]。

2.3 α-KL 与血管钙化 无论是内皮细胞衰老，还是血管钙化都意味着血管衰老，心脑血管发病率势必会增加。一项前瞻性研究发现α-KL 水平与患冠状动脉疾病和脑血管意外的风险呈负相关[18]。α-KL 蛋白不仅对骨髓间充质干细胞和血管内皮细胞发挥保护作用，促进糖尿病溃疡区血管生成，使溃疡愈合；而且，可以激活Wnt7b/β-catenin通路逆转高磷酸盐诱导的血管平滑肌细胞钙化[19-20]。血管钙化进程中还涉及动脉平滑肌细胞向成骨表型的分化。将不同分期的CKD 患者以及正常人的血清分别加入体外培养的人动脉平滑肌细胞中培养表明，无论CKD 分期如何，CKD患者血清的血清钙化潜力(诱导动脉平滑肌细胞钙化的能力)均大于对照组，且α-KL表达显著降低，并且在CKD5期血清中被基本消除，进一步表明CKD患者血清可通过抑制α-KL 促进体外培养的动脉平滑肌细胞向成骨表型分化[21]。α-KL 参与了血管钙化中多项过程的调节。

2.4 α-KL 与自噬 α-KL 是细胞防御机制的一部分，可通过调节自噬与凋亡之间的内质网信号传导提供保护作用。普遍认为，α-KL 蛋白缺失抑制细胞的自噬水平。MYTYCH等[22]在成纤维细胞中沉默KL基因，发现氧化应激和炎症反应被激活，导致基因组不稳定，磷酸化真核翻译起始因子2α介导的内质网应激减少，自噬延迟，最终使得伤口难以闭合。研究还发现，α-KL蛋白缺失可以通过下调细胞中Atg13的表达防止自噬启动因子ULK1 复合物的形成，激活凋亡而抑制自噬[23]。转录因子EB(transcription factor EB，TFEB)是溶酶体生物发生的主要调控因子。KL 通过抑制糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3 beta，GSK3β)的磷酸化来诱导TFEB的核易位，改善溶酶体酸化障碍、TFEB 表达抑制等，从而激活溶酶体功能，提高自噬清除率[24]。使用Necrostatin-1(一种坏死性凋亡抑制剂)可以上调KL的表达，抑制NF-κB信号传导，激活肾脏的自噬作用，对抗顺铂诱导的肾毒性[25]。有趣的是，一些研究结果得出了截然相反得结论。CHEN 等[26]认为α-KL 基因缺陷上调了小鼠体内的自噬水平。α-KL 对自噬的调节众说纷纭，可能存在多样化和异质化，或者存在一种自噬的平衡状态。

2.5 α-KL 的表观遗传 除DNA 和RNA 序列外，还有许多调控基因的信息，在不改变基因的序列的前提下通过基因修饰而影响和调节遗传基因的功能和特性。肾脏纤维化是终末期肾病最常见的组织形态学特征，其开始和进展在很大程度上受到易感基因表观遗传修饰的影响。组蛋白3上第27位赖氨酸三甲基化(histone 3 lysine[K]27 trimethy lation，H3K27me3)与α-KL启动子区存在物理关联。与年轻的野生型小鼠相比，老年野生型和KL 突变小鼠肾脏中H3K27me3 水平升高，下调了KL 基因，使培养的原代肾小管细胞中的p53 和p16 (衰老标记)上调，促进肾脏细胞衰老[27]。而 微 小RNA 如miR-200c 和microRNA-199a 则直 接与α-KLmRNA3'-UTR 结合，抑制α-KL 的表达，活化NF-κB 途径，损害肾脏[28-29]。目前已发现一些中药成分可以影响KL 的表达。有研究表明，金雀异黄素不仅可以通过逆转启动子组蛋白3的低乙酰化并且减轻KL启动子的甲基化程度来保护KL蛋白，还可以抑制异常DNMT1/3a 的表达使KL 启动子脱甲基，从而预防UUO模型小鼠肾纤维化[30]。

2.6 α-KL 与钙磷调节 肾脏是调节体内电解质稳态的重要器官，CKD 常并发矿物质代谢紊乱，导致CKD-矿物质和骨异常(CKD-mineral and bone disorder，CKD-MBD)。α-KL在磷酸盐稳态中发挥调节作用，其缺乏参与高磷血症的发展[3]。喂食高磷饮食的正常小鼠肾脏中的α-KL 蛋白和mRNA 表达显著降低。在CKD-MBD发生的早期即出现α-KL减少[31]。肾小球滤过率降低导致磷排泄率降低，同时蛋白尿或炎症导致小管细胞α-KL 表达降低，驱动CKD-MBD 的形成[32]。α-KL是磷酸激素成纤维细胞生长因子-23(FGF23)的共受体[33]。在近端小管中FGF23对钙磷的调节具有重要意义。FGF23 减少磷酸盐重吸收，从而促进磷酸盐的排泄，并减少骨化三醇的合成。骨化三醇的降低会限制肠道对磷酸盐和钙的吸收[34]。骨化三醇水平降低和肠道钙吸收减少导致的低钙血症，进一步促进甲状旁腺激素分泌、甲状旁腺功能亢进和肾性骨营养不良的形成。而FGF23 需要α-KL 才能与FGFRs 结合，形成三元复合物，然后在硫酸乙酰肝素的参与下形成的三元复合物进一步二聚化，从而激活下游的信号通路发挥功能。

2.7 α-KL 与神经损害 肾/脑轴受到越来越多的关注，尿毒症毒素可以直接或者间接损害神经系统。5/6 肾切除大鼠中部分出现了的记忆功能和空间探索功能下降，并与额叶皮质的Kl 蛋白呈负相关[35]。α-KL 基因敲除小鼠表现出视神经和体髓鞘显著受损[36]。在体外细胞培养中α-KL 缺陷激活p38MAPK通路，诱导氧化亚氮应激和端粒功能障碍相关基因失调，从而导致内质网应激、神经炎症；而在小鼠体内实验中，α-KL 敲除促使炎症因子表达增加并触发巨噬细胞浸润[37-38]。此外，α-KL 还调控Akt/FoxO1、NF-κB 等其他经典炎症信号通路在神经系统中发挥作用；α-KL 甚至还可以改善糖尿病的小脑损伤[39-41]。α-KL在神经系统中的作用除了直接的，还有间接作用。研究表明，较高的血清磷水平与痴呆症的发病风险增加有关，而α-KL 也可以通过调节磷等间接参与CKD相关认知功能障碍的发生[42]。

3 展望

综上所述，α-KL 在CKD 中发挥着抗氧化、抗炎、抗凋亡、保护血管和神经、调节自噬、表观遗传学等多种生物学功能，是生物进化过程中的有利基因。尽管α-KL 蛋白的分子功能还未完全破译，而且针对α-KL治疗的研究尚未进入临床阶段，但已明确过表达α-KL具有改善肾病损伤及延缓CKD 并发症等至关重要的作用，因此内在刺激或外援补充α-KL 或许将成为CKD治疗的潜在靶点。