Klotho基因在慢性肾脏病作用中的研究进展

Research Progress of Klotho Gene in Chronic Kidney Disease

摘要: klotho是一个与衰老相关的基因，主要表达于肾脏。研究证明klotho基因的许多生物学功能在慢性肾脏病进展的过程中发挥重大作用。本文对该基因在慢性肾脏病中的作用进行了综述，探讨其在慢性肾脏病发病中的影响。

Abstract: The gene of klotho is associated with aging that is mainly expressed in the kidneys. The biological functions of klotho gene have been demonstrated to play an important role in the progression of chronic kidney disease. The review is about the effect of this gene on chronic kidney disease and explores its role in the development of chronic kidney disease.

1. 引言

1997年，Kuro-O等人在小鼠模型上进行了研究([1], p. 1)。发现了一种名为klotho的基因，后续研究表明，Klotho基因缺失的小鼠(klotho(-/-))呈现出与人类衰老相似的特征：即生长抑制、寿命缩短、活动减少、步态紊乱，认知障碍，听力下降，皮肤肌肉萎缩，生殖器官萎缩，骨代谢紊乱，异位钙化，动脉硬化等([2], p. 1; [3]; [4], p. 1)。相反，若klotho基因过表达则可延长实验动物的生命([2], p. 2)。慢性肾脏病(chronic kidney disease, CKD)是由多种因素引起的慢性肾脏结构和功能异常。其全球发病率在8%到16%之间，是排在在高血压和糖尿病之后最常见的疾病之一[5]。klotho基因与慢性肾脏病的进展及其并发症密切相关。鉴于此，本文对klotho在慢性肾脏病中的作用机制进行了综述。

2. Klotho的结构、功能特点及与CKD的关系

klotho基因长约50 kb，由5个外显子和4个内含子构成，位于人类的第13号染色体上。研究表明，人类和大鼠的基因同源性为83%，而人与小鼠的基因同源性为80%。在人和小鼠中，klotho基因表达的蛋白质有两种形式：膜结合型和分泌型。其中，分泌型的表达量显著高于膜结合型。人膜型klotho蛋白全长包含1012个氨基酸残基，是一种跨膜蛋白，主要在肾脏、胎盘、小肠和前列腺中表达；而分泌型klotho蛋白由于缺乏跨膜结构和胞内结构，以游离形式发挥功能，在多种组织中，如人的大脑、海马、胎盘、肾脏、前列腺和小肠等，都能检测到其存在；此外，klotho蛋白在血清中也可以检测到([4], p. 2)。研究表明，血液中的klothol蛋白可以作为一种激素，与细胞表面的受体结合，从而调节相应的靶器官。由此可见，klothol蛋白在血液中可以作为一种激素，与细胞表面的特定受体结合，从而对相应的靶器官进行调控。

Kuro-O等([1], p. 2)发现klotho在肾脏中高表达，但其具体表达部位目前尚不明确。在慢性肾病患者中，有研究表明慢性肾脏病klotho基因和蛋白的表达水平相较于对照组显著降低，可能与慢性肾脏病时肾单位数量减少及肾小管上皮细胞功能受损有关[6]。研究表名，1期和2期慢性肾脏病患者尿液中的klotho蛋白开始减少，这一减少程度与肾小球滤过率的下降密切相关[7]。在终末期肾病患者和尿毒症动物模型的肾脏中，klotho蛋白水平也显著降低[8] [9]。

3. Klotho在CKD中的作用

3.1. Klotho调节肾组织的氧化应激

氧化应激是由于体内氧化和抗氧化机制失衡，引发细胞和组织损害的一种重要因素[10] [11]。氧化应激在慢性肾脏病发生和发展的过程中起着重要作用，是多种病理损伤的共同通路。氧化物质不仅会引起肾脏组织细胞膜蛋白、脂质和核酸受到损伤，并且还可能抑制线粒体呼吸链中生物酶的活性，从而影响细胞的正常功能([12], p. 1)。研究表明，体内氧化物质的增加和抗氧化物质的减少，与慢性肾病的发生、发展和恶化有密切关联[13]。氧化应激损伤可能是引起慢性肾脏病持续性进展的因素之一[14]。研究发现，随着肾小球滤过率的减少，氧化物质丙二醛的含量逐步增加，而抗氧化物质总超氧化物歧化酶和还原性谷胱甘肽则呈现出下降的趋势，随着氧化作用的加剧，肾功能恶化呈现递增趋势([12], p. 2)。研究发现，mIMCD3细胞系在体外培养处于氧化应激状态时，体内klotho mRNA和蛋白表达均下降[15]，klotho高表达能使体内DNA氧化损伤下降[15]其机理可能是：klotho蛋白与其受体相结合能够抑制特异性转录因子FOXO1的磷酸化，同时促进FOXO1向细胞核内转移，在细胞核内FOXO1与超氧化物歧化酶2的启动子结合，从而增强超氧化物歧化酶2的表达，有助于清除过氧化物。另有研究表明，klotho抑制凋亡可能通过另一条通路，即胰岛素样生长因子–锰超氧化物歧化酶通路，该通路通过激活二氧化锰超氧化物歧化酶活性来减缓由氧化应激诱导的细胞凋亡反应[8]。因此，klotho蛋白可以通过减缓氧化应激损伤抑制慢性肾病的进展和恶化，从而起到保护肾脏的作用。

3.2. Klotho抑制肾脏炎症反应

慢性肾脏病(CKD)进展的过程中始终伴随着炎症的发生，间质炎细胞浸润是由于受损肾组织释放的局部趋化因子与白细胞膜上的受体相互作用所导致的结果，这些趋化因子会吸引炎性细胞进入受损的肾脏，进一步加剧肾脏损伤[16]。一项临床研究表明，慢性肾脏病患者血清klotho水平降低的同时，血液中IL18、IL6、肿瘤坏死因子α、超敏C反应蛋白等炎症指标均出现升高现象，且随着慢性肾脏病分期的进展，klotho水平出现进一步下降，而炎症水平进一步上升，且两者之间具有明显负相关性，此研究提示血清klotho缺乏可能与慢性肾脏病炎症反应的启动和发展密切相关[17]，一项动物实验表明，上调慢性肾脏病动物模型血清klotho的表达可降低实验动物的炎症水平并改善肾功能，说明klotho能够抑制慢性肾脏病实验动物的炎症反应[18]。有实验表明[19]：血管紧张素II与klotho基因之间存在互相抑制的关系，输注血管紧张素II可以抑制klotho基因的表达，而通过静脉注射携带鼠klotho基因的腺病毒也能产生相应的作用。此研究，对延缓慢性肾脏病的进展具有重要的指导作用。另一项研究也证实，慢性肾脏病患者的血清炎症因子水平与硫酸吲哚酚呈正相关，而与klotho呈负相关。klotho的过表达不仅能够抑制核因子(NF)-κB信号通路以及转化生长因子(TGF-α)、白介素-6和白介素-1β等因子的释放，还能促进巨噬细胞向M2型转化，从而抑制慢性肾脏病小鼠的全身炎症反应[20] [21]。有实验证实[22]，klotho蛋白的减少与慢性肾病患者炎症的发生和进展密切相关。因此，我们可以通过增加慢性肾脏病患者klotho的含量来实现肾脏的保护功能。

3.3. Klotho抑制肾脏纤维化

肾纤维化是引起终末期肾功能衰竭的主要原因之一，慢性肾脏病患者一般都会有肾纤维化的表现。慢性肾脏病的进展伴随着肾组织细胞外基质的积累和细胞纤维化程度的增强[23]，以及肾功能的损伤[24]。普遍认为，肾脏衰老时细胞外基质(ECM)累积是导致肾小球硬化及小管间质纤维化的基础，研究表明，转化生长因子-β是肾纤维化过程中最为关键的促纤维化调节因子之一，它在慢性肾脏病中扮演重要角色，它能够刺激基质蛋白的积累，阻碍基质的降解，并且促使肌成纤维细胞活化[25]。有研究表明，组织金属蛋白酶抑制剂-l (TIMP-1)、组织金属蛋白酶抑制剂-2 (TIMP-2)和转化生长因子-β随着年龄的增长，表达明显增加，同时伴有基质金属蛋白-9 (MMP-9)/组织金属蛋白酶抑制剂-1和基质金属蛋白-2 (MMP-2)的比值减少，由此可见，在肾脏老化过程中，转化生长因子-β可能在促进基质合成的同时，也对MMPs/TIMPs的表达进行调节，进而减少基质的降解。此外，组织金属蛋白酶抑制剂-1 (TIMP-1)的表达上调也可能促进肌成纤维细胞的增殖，导致细胞外基质的合成和积累，最终引起肾纤维化和硬化的发生[26]。Shigehiro等研究发现，klotho蛋白可以与细胞表面的转化生长因子-β1二型受体结合，从而抑制TGF-β1信号传导通路，进而抑制肾纤维化。此外，klotho蛋白还能够抑制上皮–间质转化现象，包括减少上皮标记物的表达，增加间质标记物的表达，以及增强细胞的迁移能力[27]。通过对46例不同肾纤维化程度慢性肾脏病患者之间比较，发现不同肾脏纤维化程度患者其血清klotho水平有所差异，这一现象表明肾纤维化的进展可能会影响血清klotho含量的表达，而血清klotho含量的降低可能意味着它在抗肾纤维化的过程中起着调控因子的作用[28]。

3.4. Klotho参与矿物质代谢及抑制血管钙化

CKD终末期始终存在高磷血症现象，当血磷升高时可能会导致低钙血症和甲状旁腺激素(PTH)水平升高，绝大多数成纤维细胞生长因子23 (FGF23)来源于骨组织，在钙和磷的代谢中具有重要作用，它通过调节血清中的磷酸盐、甲状旁腺激素以及1,25-(OH)2D3的水平来维持机体钙磷代谢平衡[29]。klotho蛋白被认为是一种新的磷酸盐调节因子，因为klotho基因缺陷的小鼠患有严重的高磷血症，而过表达klotho的小鼠则表现为低磷酸盐血症。敲除FGF23基因的大鼠和klotho基因缺陷的大鼠都呈现出高磷血症的症状。研究发现[30]，膜型klotho是FGF23受体的协同受体，FGF23需要膜受体klotho的辅助才能结合多种FGF受体，从而产生调节钙和磷的代谢的作用。因此，FGF23的功能受到膜受体klotho的显著影响。此外，分泌型klotho通过调控FGF23、1-α羟化酶活性和甲状旁腺激素的分泌直接参与调控磷代谢[31] [32]。

慢性肾脏病发展至尿毒症期，心血管疾病是引起尿毒症患者死亡的主要原因之一，其中慢性肾脏病患者血管钙化是导致心血管事件发病率和死亡率上升的关键因素。研究显示，随着慢性肾脏病的进展，血管钙化的发生率也会显著上升[33]，研究发现，血清磷酸盐含量的增加是慢性肾脏病患者发生血管钙化的危险因素之一[34]。动物和细胞实验证明，Klotho不仅通过调节钠–磷酸协同转运蛋白来控制磷酸盐稳态[35]-[37]，而且通过调节肾脏钙离子通道及瞬时受体电位离子通道来调节钙稳态[38] [39]，近年来研究证实，klotho缺失会引起慢性肾病小鼠循环系统中磷酸盐水平升高及血管钙化的出现。相反，过表达klotho的小鼠可以增加尿磷排泄、改善肾脏功能，并且能够抑制钠–磷酸协同转运蛋白以及磷酸诱发的大鼠血管平滑肌钙化[40]。研究表明，通过补充外源性klotho蛋白或诱导klotho基因过表达，可以显著减轻肾功能损伤，延缓血管钙化，并降低心血管疾病并发症的发病率和死亡率[41]。

4. 总结

klotho是一种可以在哺乳动物体内表达的衰老抑制基因，其过表达可以延长动物寿命，低表达则会加速衰老。klotho除了具有抗衰老的作用外，还具有抗氧化应激、抗炎症、抗肾纤维化以及调节钙磷代谢的作用。klotho与肾功能的损伤和修复有密切联系，它不仅可以作为肾脏损伤的标志物，而且还可以作为慢性肾脏病干预性治疗的靶点。在慢性肾病的中早期，使用外源性klotho蛋白能够促进肾功能的恢复，并且增加患者的生存率。因此，我们可以通过使用病毒载体和基因操纵等方法来增加外源性klotho基因，或者直接输注klotho蛋白，以提高慢性肾脏病患者体内klotho蛋白水平，从而达到抑制肾脏疾病进展、延缓肾衰竭并减少其并发症的目的。

NOTES

^*通讯作者。