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Connexin43在糖尿病肾病领域的研究进展

2012-01-26吉林大学白求恩第一医院内分泌科吉林长春130021

中国老年学杂志 2012年4期
关键词:肾素系膜高糖

呼 啸 刘 青 刘 琳 (吉林大学白求恩第一医院内分泌科,吉林 长春 130021)

间隙连接(gap junction,GJ)是由相邻两个细胞膜上的GJ蛋白(connexin,Cx)构成的一种细胞间连接方式。GJ直接连接相邻细胞的胞浆,建立细胞间隙连接通讯(gap junctional intercellular communication,GJIC),介导细胞间信息、能量及物质的交换,对细胞的新陈代谢、内环境稳定、生长、增殖和分化等生理过程起着重要的调控作用〔1,2〕。研究发现Cx43表达及功能的改变与糖尿病肾病的发生、发展有着密切的关系〔3,4〕。本文就Cx43以及GJIC在糖尿病肾病病理生理过程中所发挥作用的研究进展做一综述。

1 GJ的结构与功能

Cx是由Cx基因家族编码的跨膜整合蛋白。6个Cx聚合构成细胞膜上的“半孔道”(hemichannel),又称连接子(connexon),与相邻细胞膜上的半孔道共同组成一个GJ,将相邻细胞的胞浆直接相连,连接子中间形成闭合的小孔道,可以传递小于1.2 kDa的分子,包括大多数第二信使,如环磷腺苷(cAMP)、三磷酸腺苷(ATP)、三磷酸肌醇(IP3)以及 Ca2+等〔5〕。目前,在啮齿类基因组中发现的Cx基因至少有20种,在人类基因组中已发现21种〔6,7〕。Cx的命名主要依据其编码蛋白的分子量,如分子量为43KD的Cx称为Cx43。

GJ广泛表达于脊椎动物的各器官、组织(红细胞、血小板、精子、成熟骨骼肌纤维除外)〔8〕,但各种细胞表达Cx种类有一定的特异性。不同Cx亚型组成的GJ孔径在0.8~1.6 nm的范围内〔6〕。GJ对不同的分子具有不同的亲和力,不同Cx构成的GJ对同一种生物分子的通透性也有所不同〔9〕。因此,GJ功能不仅具有多样性,而且在不同组织器官中发挥作用又具有一定的特异性。Cx43是分布最广泛的Cx亚型,在细胞的不同活动中起至关重要的协调作用〔13〕,它是肾脏细胞间最主要的通讯蛋白,其表达量与细胞GJIC功能以及GJIC调控的生理过程密切相关〔11,12〕。

2 Cx43与糖尿病肾病

肾脏是糖尿病微血管病变累及的主要器官之一。随着糖尿病发病率的不断升高,在发达国家,糖尿病肾病已成为终末期肾病的首位原因。糖尿病肾病合并心血管事件发生率增加,导致病人预后不良和过早死亡〔13〕。近年来糖尿病肾病在我国逐渐成为慢性肾衰竭的一个主要病因,受到广泛关注。多项研究发现肾脏多种细胞能够表达Cx43,并且在糖尿病肾病的发病与进展过程中起到了重要的作用。

2.1 Cx43在糖尿病肾小球病变中的变化与作用 糖尿病肾病病程中出现的肾小球病理改变主要包括细胞肥大、系膜广泛增生、基底膜增厚以及硬化性改变。这些病变与系膜细胞、足细胞、毛细血管内皮细胞功能障碍密切相关。因此,研究Cx43如何参与维持上述细胞的功能有助于更深入地了解Cx43在糖尿病肾病中发挥作用的机制。

2.1.1 Cx43与系膜细胞 Cx43在肾小球系膜细胞大量表达〔14〕。系膜细胞之间通过GJ形成了一个交错相连的网络〔15〕,其中Cx43是构成系膜细胞GJ的主要蛋白〔5〕。系膜细胞位于毛细血管袢内,能够接受液体的剪切力、静水压力以及相互牵拉等多种机械牵张刺激而发生收缩〔5〕。系膜细胞通过GJ在互相之间以及与其他细胞之间进行广泛的联络,从而与毛细血管基底膜联合作用,共同调节滤过膜面积和小球内血流量。因此,系膜细胞的协调收缩是维持肾小球血流动力学稳态的重要因素〔16〕,其功能的障碍参与了糖尿病肾病早期肾小球高灌注状态的病理生理过程〔17〕。系膜细胞的收缩需要Ca2+参与〔17〕,体外使用机械牵张刺激单个系膜细胞引起该细胞内Ca2+水平显著增高,周围的系膜细胞Ca2+水平也很快发生改变,导致系膜细胞收缩增强,并且Ca2+的扩播主要通过Cx43形成的GJ完成〔16〕。而血糖增高可导致系膜细胞Cx43下调,系膜细胞收缩能力普遍下降,不能够有效调节肾小球毛细血管床面积,很可能是造成肾小球高灌注的重要原因。

此外,笔者的研究发现Cx43下调参与介导了高糖引起的系膜细胞肥大,通过基因转染技术上调Cx43能够阻止高糖引起细胞肥大,从而揭示了Cx43在糖尿病肾病发病过程中的另一作用。另外还有研究指出Cx43下调与系膜细胞增生有关〔18〕,可能参与了糖尿病肾病发展过程中的系膜增生性病变,但其作用机制还有待更深入的研究。

高糖刺激下系膜细胞Cx43下调的原因可能与内质网应激有关。高糖刺激可造成系膜细胞近400种基因表达发生改变,这些基因所调控的主要生物活动之一是内质网应激〔19〕,刺激内质网产生未折叠或错误折叠的蛋白,最终造成细胞产生一系列变化,包括减少某些蛋白的合成以降低内质网负荷等〔20〕。研究表明,内质网应激能够抑制Cx合成,造成Cx表达量下降,GJIC功能减退〔11〕。因此内质网应激很可能是造成糖尿病肾病系膜细胞Cx43表达下降的一个重要原因。

2.1.2 Cx43与足细胞 足细胞是高度分化的肾小球细胞,是肾小球选择性滤过屏障的重要组成部分。足细胞损伤可造成蛋白尿,且大多数病例中,肾单位缺失始于足细胞损伤〔21〕。足细胞覆盖在肾小球基底膜的包曼囊腔侧,缺少足细胞的裸露基底膜会造成壁层上皮细胞直接与基底膜贴附而引起肾小球硬化,从而形成不可逆的肾小球损伤〔21〕。在糖尿病肾病患者以及动物模型肾组织中也能够观察到足细胞缺失〔22〕。

在对人类肾组织活检病理切片的观察中发现在正常肾小球中Cx43沿基底膜呈均匀的线状、颗粒状分布。而糖尿病肾病患者Cx43在基底膜的分布失去均一性,表达量也减少。研究发现,Cx43表达量能够体现足细胞损伤的程度,并与取活检时的肾功能呈正相关。此外,根据Cx43表达状态评价的足细胞损伤程度与肾小球功能的预后具有显著的相关性〔22〕。值得指出的是,糖尿病肾病足细胞Cx43表达的改变不仅包括Cx43表达量降低,还包括Cx43的分布改变,二者均可导致细胞间通讯功能的降低,加速高糖引起的足细胞损伤〔22〕。

2.1.3 Cx43与毛细血管内皮细胞 研究发现高糖环境下培养毛细血管内皮细胞9 d,Cx43 mRNA与蛋白同时下调,并伴随GJIC功能下降,而Cx37和Cx40并无改变〔3〕。对高糖培养的胚胎内皮细胞进行免疫荧光染色仅见少量Cx43分布于细胞质,而细胞膜上很少,提示高糖下调Cx43表达量的同时改变了Cx43的分布〔23〕。高糖造成血管内皮细胞Cx43下调伴随GJIC功能下降造成了细胞凋亡明显加剧〔24〕,这可能是肾小球滤过膜破坏的原因之一。但也有报道肾小球内皮细胞表达Cx43较少,而Cx40较多〔25〕。故Cx43对肾小球内皮细胞功能是否有影响及影响程度尚未定论。

2.2 Cx43在糖尿病肾小管病变中的变化与作用 集合管上皮细胞能够感受小管液成分及压力变化,参与调节钠的重吸收。这个过程中细胞内Ca2+水平变化起到重要作用〔26〕。Cx43在集合管上皮细胞大量表达〔12〕。体外培养的人类集合管细胞受高糖刺激48 h后能够高表达Cx43,使细胞间通讯加强,Ca2+扩播明显,可能发挥维持肾小管完整性、调节重吸收等保护作用。Cx43的上调与高糖造成细胞转化生长因子(TGF-β)分泌增多有关〔27〕。但长期高糖刺激可能造成这种保护作用的下降,引起肾脏损害,甚至促成继发性高血压的发生〔28〕。

2.3 Cx43在调节肾脏血流中的作用 高灌注、高滤过是糖尿病肾病早期,甚至在临床症状出现之前就发生的血流动力学改变。肾脏的血流主要依靠细胞因子刺激、管球反馈机制、肾素-血管紧张素分泌等因素调节,Cx43在其中是否也发挥作用吸引了众多学者的关注。

2.3.1 Cx43参与肾脏血管对血管舒张因子的反应 诱导小鼠发生糖尿病时,观察到入球小动脉平滑肌细胞Cx40表达明显增高,而且肾素分泌细胞也开始表达Cx43。通讯功能的增加造成血管对一氧化氮(NO)等舒张因子反应增强,这可能是糖尿病肾小球高灌注状态的机制之一。相反,出球小动脉Cx43表达下降,血管的舒张反映下降,这可能是糖尿病肾病肾小球内压升高、肾小球高滤过等血流动力学改变的原因之一〔29〕。

关于糖尿病肾病Cx43在肾脏血管表达发生改变的机制研究也在不断进行,有研究结果表明,过表达内皮型NO合酶(eNOS)可造成与糖尿病小鼠类似的Cx43表达改变,而eNOS敲除小鼠在发生糖尿病后Cx43变化也不明显,提示eNOS以及其产生的NO参与了对糖尿病情况下肾组织Cx43表达的调控〔30〕。

2.3.2 Cx43参与管球反馈的调节 管球反馈由球旁器完成,包括远曲小管近血管极处的致密斑、入球小动脉远端的颗粒细胞以及两者之间的球外系膜细胞。球外系膜细胞互相之间以及与小球内系膜细胞之间通过GJ广泛相连形成一个合胞体〔31〕,同时与入球小动脉血管平滑肌细胞、内皮细胞也有GJIC信号通讯〔32〕,在致密斑向入球小动脉传递信号的过程中起重要作用。系膜细胞损伤或GJ抑制均可发生管球反馈失衡,提示这些细胞之间通过GJ直接进行信号联络可能是管球反馈的一个重要途径〔5,33〕。介于致密斑与入球小动脉之间的系膜细胞通过间隙连接传递舒缩信号,如NO等,协助完成管球反馈〔34〕。管球反馈过程中,在致密斑内形成Ca2+高峰,并通过球外系膜细胞向入球小动脉扩播,而抑制GJ功能后Ca2+的扩播也受到明显的抑制〔33〕。这些结果提示了Cx43在管球反馈中扮演着重要角色。

2.3.3 Cx43参与肾组织对血流量的协同调节 研究发现,在血流调节过程中,血管的舒缩活动在肾单位之间是协同进行的,单个肾小球毛细血管受刺激引起的舒缩改变会引起周围其他肾小球也发生类似变化〔34〕。肾内的入球小动脉和小叶间动脉表达大量的Cx可能是邻近肾单位之间协同调节肾小球滤过率和肾血流量的途径之一。糖尿病小鼠入球小动脉平滑肌细胞Cx40表达明显增高,而肾素分泌细胞也开始表达Cx43。通讯功能的增加造成血管对舒张因子反应增强的同时,邻近肾单位之间的协同作用也加强,共同造成肾小球内高灌注的血流动力学改变〔29〕。

2.3.4 Cx43参与肾素分泌的调节 颗粗细胞,即肾素分泌细胞,相互之间以及与周围内皮细胞、系膜细胞之间也存在广泛的GJ联络。构成肾素分泌细胞GJ的主要是Cx40,但Cx43缺乏的小鼠会发生显著的肾素分泌障碍,表现为肾素基础水平降低,且肾素分泌对低灌注、低盐饮食的反应降低〔35〕。因此,肾素的分泌也受到周围内皮细胞、系膜细胞表达的Cx43所介导的细胞通讯调控。但也有人提出对小鼠注入Cx43阻断剂并不能改变肾素血管紧张素活性,也不影响血压水平,但肾小球滤过率显著升高,其原因可能是同时阻断了足细胞的Cx43〔25〕。

目前关于Cx43在肾血管系统中所发挥作用的研究仍较少,现有的资料支持Cx43在肾血管血流动力学调节、管球平衡调节、肾单位的协调作用以及肾素分泌等过程中均发挥了一定的作用,参与了糖尿病肾病的血流动力学改变。

3 小结与展望

Cx43在肾脏表达丰富,参与维持正常的肾小球功能、肾小管功能及肾血流量的调节,其表达改变和功能障碍从多个方面参与了糖尿病肾病的发病过程。虽然目前其确切的调控机制尚未明了,有些观点在不同的研究中也尚未达成一致,但Cx43的发现还是为糖尿病肾病的发病机制研究提出了一个新的非常有前景的方向。随着新技术和方法的不断进步,对于Cx43以及细胞GJ通讯的了解会日渐深入,对糖尿病肾病发病机制的认识也会日渐清晰。

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