Klotho 基因及其蛋白与心血管疾病的关系

王 欢，魏 玲

目前心血管疾病治疗措施主要包括控制危险因素、药物及手术治疗，但心血管疾病发病率仍居高不下，成为全球范围内危及生命的重要问题。 Klotho 基因是1997 年由日本学者Kuro-o 等在进行性自发性高血压的相关研究时偶然发现的新型抗衰老基因，其通过调节钙磷代谢、抗氧化应激及炎症反应、促进内皮细胞一氧化氮释放、调节离子通道以及其他信号转导通路等，对心血管系统发挥保护作用。 本文对Klotho 基因及其蛋白做一综述，旨在探讨两者与多种心血管疾病的关系

1 Klotho 基因

Klotho 基因是根据传说中掌握人生命线的希娜女神命名的， 于1997 年首次发现在自发性高血压模型大鼠的肾脏高表达。 人Klotho 基因由5 个外显子和4 个内含子构成，位于13 号染色体（13q12），全长约50 kb。 实验动物中，敲除Klotho 基因小鼠过早呈现出与衰老相关的表型，如内皮功能损伤、血管钙化、动脉粥样硬化、皮肤萎缩、肺气肿、糖代谢异常、骨质疏松等，甚至导致寿命缩短[1]。在人类，Klotho 基因多态性与冠状动脉疾病、中风、长寿等密切相关[2]。

2 Klotho 蛋白

因不均一，核hRNA 选择性剪接产生两种不同形式的Klotho 蛋白，即膜型Klotho 蛋白和分泌型Klotho 蛋白。 膜型Klotho 蛋白属于单次通道跨膜蛋白， 在正常成人的肾小管上皮细胞高度表达[3]，其由细胞内的羧基短结构域和构成两个同源性片段（KL1、KL2）的细胞外氨基末端结构组成[4]。 膜型Klotho 蛋白作为FGF23 的必须辅因子，能调节FGF23/FGFR 信号通路， 提高FGF-23 与其受体的结合力，促进肾脏磷酸盐排泄，同时FGF-23 能抑制肾脏Klotho蛋白的表达[5]。 膜型Klotho 蛋白的全长胞外区域可以水解或经Klotho mRNA 选择性剪切分泌到血液、脑脊液、尿液中，称为分泌型Klotho 蛋白，其是人Klotho 蛋白的主要类型，比膜型蛋白功能上发挥更大的作用[6]。 分泌性Klotho蛋白作为体液因子，具有抗氧化、调节肾脏离子通道、抑制Wnt 信号及抗凋亡及衰老等作用[7]。

尽管Klotho 蛋白主要表达在有限的器官中， 但突变后能引起全身器官衰老相关症状[8]。 供体年龄及机体内环境变化能影响Klotho 蛋白的表达。 随着机体衰老尤其在40 岁以后，血清Klotho 水平显著减少[9]。 Richard 等[2]研究发现， 血浆中Klotho 高表达是社区成年居民较少发生心血管疾病，如冠状动脉疾病、心力衰竭、外周动脉疾病的独立保护因素。 多元回归分析发现：在排除其他心血管危险因素后， 血清Klotho 蛋白和血管内皮Klotho 基因的低表达与心血管疾病的发生及严重程度呈密切相关[10]。 在慢性肾透析患者中， 血清中Klotho 低表达与患者腹主动脉钙化呈正相关，其具有诊断价值[11]。

3 Klotho 与血管疾病

研究发现，在主动脉内膜及中膜血管平滑肌细胞内也有Klotho 表达[12]。 Klotho 通过各种机制保护血管功能，如抑制血管紧张素Ⅱ诱导的活性氧族的产生、保护细胞衰老及凋亡、抗炎症反应、维持内皮细胞完整性、促进NO 的产生、改善动脉顺应性。

3.1 Klotho 抑制内皮细胞衰老 预防内皮细胞衰老可能是预防心血管疾病发生的有利机制。 体外实验，在过氧化氢诱导人脐静脉内皮细胞凋亡与衰老模型中， 过表达Klotho 蛋白使Caspase-3、Caspase-9、P53、P21 活性比对照组明显降低[13]。

在慢性肾脏疾病中，尿毒症毒素、氧化应激、前炎症因子等加速了内皮细胞过早衰老及凋亡。尿毒症毒素通过增加活性氧簇及激活NFκB， 降低了细胞内Klotho 的表达，促进了细胞衰老和表达衰老相关蛋白P16、P21、P53。通过抑制50%的Klotho 基因表达后发现，细胞端粒酶缩短，证实Klotho 降低导致了细胞衰老。 外源性给予Klotho 后，内皮细胞衰老现象明显改善， 可能与抑制氧化应激及稳定NFκB/IκB 有关[14]。 研究进一步发现，激活FGF23/Klotho 信号肽能预防组织萎缩， 刺激细胞增殖和抑制维生素D 诱导的细胞凋亡， 表明FGF23/Klotho 轴具有抗衰老的治疗潜力[15]。

3.2 Klotho 促进内皮细胞NO 产生 给予乙酰胆碱后，杂合子小鼠（Kl+)和纯合子小鼠（Kl/Kl)主动脉壁的最大舒张功能仍明显降低，尿中氮氧代谢物量（NO2-、NO3-)减少，血管内皮细胞释放内源性NO 减少，提示Klotho 可能通过增加NO 产生来调节内皮舒缩功能[16]。 在动脉粥样硬化大鼠、肥胖大鼠模型中，经腺病毒介导的Klotho 基因能促进内皮细胞依赖的NO 合成，预防血管中膜肥厚及血管周围纤维化发生[17]。 最近体外研究发现：分泌型Klotho 拥有调节血管紧张度及刺激NO 产生的能力，而且能抑制血管细胞黏附分子1（VCAM-1）和细胞间黏附分子-1(ICAM-1）产生，通过抑制Pit-1 和Pit-2 阻止高磷酸盐诱导的血管平滑肌细胞钙化[12]。

3.3 Klotho 调节FGF23/Klotho 轴，预防血管钙化 成纤维细胞生长因子23（FGF23）是骨来源的激素样细胞因子，主要在骨细胞及成骨细胞表达。 研究表明Klotho 基因敲除小鼠，表现出高FGF23 血症、高磷酸盐血症及血管钙化症状，其中高磷酸盐症是血管钙化的独立危险因素[18]。 临床试验表明，与正常组比较，心脏移植组FGF23/Klotho 轴失调与心血管及肾功能恶化密切相关，FGF23 被认为是左心室肥厚及主动脉钙化的独立危险因素，可作为不良心血管事件的预测指标[19]。

3.4 Klotho 调节Ca2+通道， 维持内皮完整性 血循环中的Klotho 能维持血管内皮完整性，保护血管通透性。 Ca2+通道能调节血管内皮细胞NO 的合成及释放、 通透性、增殖、 迁移及凋亡， 钙通道瞬时受体电位家族成员TRPC-1通道能促进血管内皮生长因子(VEGF) 介导的Ca2+内流。Klotho 维持内皮完整性是通过绑定TPRC-1 和VEGFR-2，增强两者亲和力，促进其共同内化作用，从而降低细胞表面TRPC-1 表达， 限制Ca2+内流入细胞而降低血管内皮通透性及保护内皮完整性[20]。

4 Klotho 与心肌重构

左心室肥厚是慢性肾脏疾病（CKD）患者最重要病变特征， 也是导致死亡的独立危险因素。 临床调查86 例CKD 患者发现， 血清Klotho 蛋白与尿毒症溶质硫酸吲哚酚（IS）表达水平呈负相关，而且两者都与左心室肥厚有密切关联。 体内实验发现，连续腹腔注射IS 正常小鼠，其左心室肥厚与肾脏Klotho 持续下降有关， 在杂合子小鼠中这种变化更加明显。 体外实验发现，Klotho 能通过抑制p38 及细胞外信号调节激酶1/2 及抗氧化机制， 显著抑制IS 诱导的心肌细胞肥大。 这些证据表明Klotho 是IS 诱导的左心室肥厚的保护因子[21]。

Klotho 蛋白的表达水平随着增龄而下降，循环中分泌型Klotho 表达的下降可能与衰老型心肌病有关。 衰老的心脏对应激诱导的心力衰竭更敏感。 研究发现，在基线水平Klotho 基因缺失的小鼠与野生型小鼠的心脏无明显异常。 但在应激条件下，Klotho 基因缺失可能发展成更严重的病理性心肌肥厚及重构。 Xie 等研究发现，注射异丙肾上腺素加剧了Klotho 基因缺陷小鼠心肌病理性重构的发生，心肌表达更多致命性基因如脑钠肽、尿钠肽、β- 蛋白重链。 Klotho 蛋白对应激下的心脏保护作用并不通过改变血浆磷酸盐及FGF23 水平， 而是通过抑制瞬时受体电位-6 经典通道（TRPC-6)而发挥保护小鼠心脏的作用。 将Klotho 基因敲除的小鼠TRPC-6 阻滞后， 并未引起心肌肥大及重构放大效应， 表明Klotho 介导的心脏保护作用是通过下调TPRC-6 的表达而实现。研究发现，Klotho 蛋白主要通过阻滞胰岛素生长因子(IGF1)/磷脂酰肌醇-3- 羟激酶（PI3K）信号通路介导的离子通道胞吐作用，降低细胞膜上TRPC6 的含量发挥心脏保护作用[22]。

内质网是细胞内重要的细胞器， 内质网功能的损伤引起内质网应激， 长期过强的内质网应激诱导内质网相关性细胞凋亡。 许多研究证实，在体内外实验中，严重的内质网应激诱导了心肌细胞凋亡， 心肌细胞凋亡是心脏重构的关键环节。 传统的观点认为，Klotho 主要通过抑制胰岛素生长因子发挥抗氧化应激，进而抑制细胞凋亡。 最近Shuan 等[23]研究发现，Klotho 蛋白能抑制内质网应激介导的CHOP 凋亡信号发挥作用， 通过对P38 和JNK 信号通路调控作用，抑制P38 和JNK 磷酸化过程， 进而阻滞了心脏病理性发展，如间质纤维化、心肌细胞肥大。 因此，Klotho 蛋白改善心脏重构可能部分通过抑制内质网应激和改善氧化应激而实现。

5 展望

Klotho 基因是在哺乳动物中最早发现的抗衰老基因。可通过不同途径发挥调节一氧化氮的生成、 抗氧化应激、调节钙磷代谢、抗炎症以及抑癌等作用。 许多动物实验及临床试验证明，Klotho 基因及其表达产物与心血管疾病发生、发展有密切联系，但其抑制心血管疾病发病的具体机制还不完全清楚，需进一步探讨并为心血管疾病治疗及诊断不断提出新的方法。

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