慢性肾衰竭对成纤维细胞生长因子23表达调控的影响

康梅子 综述 戴 兵 审校

·肾脏病基础·

慢性肾衰竭对成纤维细胞生长因子23表达调控的影响

康梅子 综述 戴 兵 审校

成纤维细胞生长因子23(FGF-23)是近来发现的一种钙磷调节因子，其血清水平可影响慢性肾衰竭患者的预后。已明确活性维生素D、磷对FGF-23的表达存在调控作用，目前还发现钙离子，血清铁、甲状旁腺激素、翻译后修饰等对FGF-23亦存在调控作用。研究FGF-23的调控因素对于靶向治疗降低其血清水平，改善慢性肾衰竭患者预后有着重要的临床意义。

慢性肾衰竭 钙磷代谢 成纤维细胞生长因子23

成纤维细胞生长因子23(FGF-23)是一种对钙磷代谢稳定有重要作用的激素，其代谢异常可导致血磷、血钙的异常，同时血磷、血钙的改变也会对其产生影响。已明确血磷对FGF-23存在调控作用，血钙对它的影响及调控机制还需进一步研究。活性维生素D和甲状旁腺激素(PTH)通过一定的方式调控FGF-23的产生。此外， FGF-23的表达还受血清铁、自身的磷酸化和糖基化的影响。本文将对目前FGF-23调控机制的研究进展进行综述。

FGF简介及作用

FGF-23 FGF-23是FGF家族的新成员，目前普遍认为它来源于成骨细胞和骨细胞，FGF-23蛋白包含了24个氨基酸的疏水信号片段，带有氨基末端的含有FGF核心同源区域的154个氨基酸和带有羧基末端的73个氨基酸。FGF-23前体先被切除24个氨基酸的信号肽链，随后通过多肽-N-乙酰氨基半乳糖转移酶3(GALNT3)的O-糖基化作用后产生成熟的25-FGF-23-251蛋白(iFGF-23)分泌入血[1]。iFGF-23在176RxxR179位置降解成含氨基末端肽段(nFGF-23)及含羧基末端的肽段(cFGF-23)。FGF-23蛋白在血液中以三种不同的形式存在，分别为iFGF-23、 nFGF-23、cFGF-23,其中仅iFGF-23具有生物学活性。

FGF-23受体(FGFR) FGF-23作用于肾脏及甲状旁腺主要是通过FGFR并借助Klotho蛋白，FGFR是酪氨酸蛋白激酶家族成员，跨膜Klotho蛋白主要在肾脏和甲状旁腺表达并能直接与FGFR结合，Klotho蛋白和FGFR1共同组成了FGF-23的受体，当FGF-23与Klotho-FGFR1复合物相结合时，可使FGF-23的信号传导作用达到最大[2]。

FGF-23作用 FGF-23是重要的钙磷调节因子，参与维生素D代谢。FGF-23敲除的小鼠表现出了高血磷及1,25(OH)2D3水平异常增高[3]。FGF-23对磷的调控主要是通过直接增加尿中磷酸盐排泄和间接减少肠对磷吸收发挥作用， FGF-23促进尿磷排泄主要是通过抑制近曲小管上皮细胞的钠磷协同转运蛋白NPT2a和NPT2c的表达。FGF-23对1,25(OH)2D3的抑制作用是通过减少肾脏中的25-(0H)D-1-羟化酶及增加体内25-(OH)D-24-羟化酶mRNA的表达[4]。此外，FGF-23的增加同时抑制甲状旁腺中PTH的分泌和表达，这成为影响钙磷平衡的另一个因素[5]。FGF-23在慢性肾衰竭不同时期意义不同。在慢性肾衰竭早期，随着磷的潴留，FGF-23反应性升高降低血磷并减少1,25(OH)2D3的产生，维持磷的稳定，然而，FGF-23减少1,25(OH)2D3的产生会引起继发性甲状旁腺功能亢进(SHPT)。但在慢性肾衰竭后期，肾脏表达Klotho蛋白减少，FGF-23降磷作用减弱。由于甲状旁腺上的Klotho-FGFR1复合体减少，代偿性升高的FGF-23并不能有效抑制PTH分泌，无法继续维持磷的平衡。此时血清中FGF-23水平显著升高已被证实与慢性肾衰竭患者的心血管事件的发生率和死亡率密切相关，成为慢性肾衰竭预后不良的标志。FGF-23对心血管系统的毒性作用主要是通过非klotho依赖FGFR通路实现的[6]。

表达调控机制

活性维生素D对FGF-23的调控 活性维生素D是目前所知的最重要的FGF-23的调控因子。FGF-23的基因启动子上存在活性维生素D反应元件，体内体外实验显示将软骨细胞中的维生素D受体失活会导致FGF-23表达减少，因此活性维生素D在转录水平刺激FGF-23主要通过维生素D受体进行的[7]。在动物实验中，给予小鼠1,25(OH)2D3增加了FGF-23的水平，破坏1,25(OH)2D3的生成途径(1α羟化酶缺陷)降低了小鼠血清FGF-23水平。1,25(OH)2D3与FGF-23的关系为反馈回路，升高的1,25(OH)2D3刺激FGF-23的表达增加， FGF-23进而通过抑制25-(0H)D-1-羟化酶减少内源性1,25(OH)2D3生成，从而维持体内活性维生素D的代谢平衡。

磷对FGF-23的调控 磷对FGF-23存在正向调控作用。在健康受试者中，低磷饮食可引起血清FGF-23水平显著下降，而增加磷酸盐摄入则可升高血清FGF-23水平[8]。在慢性肾衰竭患者中，FGF-23与血磷存在较为一致的相关关系，肾小球滤过率下降引起的高磷血症导致FGF-23升高。Ito等[9]发现正常人体内的血清中磷急剧地变化在短时间内(数小时)对FGF-23的量不产生影响。动物试验中，给予肾切除的小鼠不同的磷酸盐饮食(包括高磷饮食和低磷饮食),4周后才检出FGF-23的变化[1]。以上研究表明磷刺激FGF-23可能是种渐进的过程，但是磷调控FGF-23的具体分子机制还未阐明，尚有待进一步研究。

钙对FGF-23的调控 已有研究表明血钙和FGF-23成正相关，血钙在FGF-23的调控中发挥了重要允许作用，只有血清钙达到8 mg/dl的阈值浓度，FGF-23才会显著升高[10]。我们研究发现野生鼠及PTH缺乏的突变鼠给予氯化钙之后12h检出FGF-23显著增加。体外实验发现采用不同浓度的钙(1 mmol/L、2 mmol/L、4 mmol/L、6 mmol/L、8 mmol/L)刺激MC3T3-E1成骨细胞，当钙浓度为6 mmol/L时，FGF-23启动子报告基因转录活性最高，且该活性作用可被钙拮抗剂抑制，该实验表明血钙可以直接调控FGF-23转录[11]。Rodriguez-Ortiz等[10]研究发现甲状旁腺切除的大鼠分别予高钙饮食和低钙饮食可升高和降低血清FGF-23水平。低钙血症导致FGF-23水平降低可能是机体的一种保护性反应，FGF-23水平降低可减少对活性维生素D合成的抑制，升高骨化三醇水平，促进钙吸收避免出现严重低钙血症。Gravesen等[12]研究发现急剧血钙浓度的改变不足以引起FGF-23含量的变化。在1h内向不同组的小鼠股静脉内注入葡萄糖酸钙诱导高钙血症,结果5 min后血钙增加1.34±0.02 mmol/L,1h后增加1.66±0.03 mmol/L,各组FGF-23水平无显著变化,表明在机体血钙对FGF-23刺激也需一定的作用时间。钙对FGF-23具体的调控途径还需进一步研究。

PTH对FGF-23的调控 慢性肾衰竭合并严重SHPT的患者PTH升高常伴FGF-23的升高，此类患者切除甲状旁腺后,体内循环中的FGF-23及钙、磷、PTH水平下降[13]。近来有研究表明PTH可通过核受体相关蛋白1(Nurr1)诱导FGF-23转录，体外实验中，用PTH刺激UMR-106成骨细胞，FGF-23 mRNA升高之前先检测到Nurr1 mRNA水平升高，且发现FGF-23启动子当中存在Nurr1结合位点。慢性肾脏病(CKD)大鼠，用钙受体激动剂降低PTH后，Nurr1mRNA、Nurr1蛋白以及FGF-23 mRNA水平降低[14]，Lavi-Moshayoff等[13]研究证明PTH刺激UMR106成骨细胞导致FGF-23 mRNA水平升高，PTH可能通过影响PKA/Wnt通路对FGF-23产生发挥直接作用。PTH对FGF-23的作用也可能不是直接的，当肾功能正常时，原发甲状旁腺功能亢进或给予野生型鼠外源性PTH增加25-(OH)D-1-羟化酶活性导致1,25(OH)2D3升高，继而引起FGF-23升高，但当慢性肾衰竭引起SHPT时,由于肾脏无法有效合成1,25(OH)2D3,该途径被明显削弱。

铁对FGF-23的调控 最新研究发现铁与FGF-23亦存在相关性，Durham等[15]在铁蛋白水平较低的患者体内检测到较高的cFGF-23水平，但iFGF-23水平正常，注射羧麦芽糖铁可升高iFGF-23水平并介导低磷血症。其分子机制可能与铁缺乏导致的GALNT3和弗林蛋白酶(furin酶)活性失衡相关,在缺铁性贫血中GALNT3活性减低，furin酶活性增强，注射铁剂furin酶活性受抑，FGF-23降解减少[16-17]。不同铁剂对FGF-23作用存在差异，Wolf等[18]发现两组缺铁贫的患者分别静脉注射羧麦芽糖铁以及右旋糖酐铁剂，注射24h后，两组中由于缺铁所致升高的cFGF-23下降了80%，羧麦芽糖铁组iFGF-23快速升高，继而出现低磷血症，而静注右旋糖酐组iFGF-23没有变化。此外，Takeda等[19]研究发现透析患者静脉补充蔗糖铁也能导致其体内iFGF-23血清水平升高，但血磷无明显变化。不同铁剂对iFGF-23产生不同效应的机制尚不清楚，研究者推测可能与碳水化合物的结构不同相关[16]。

翻译后修饰 FGF-23受糖基化、磷酸化及蛋白水解酶的动态调控。O-糖基化为FGF-23翻译后修饰作用的一个重要部分，FGF-23在特定位点发生O-糖基化，可阻止FGF-23被furin酶识别特定位点而剪切[20]。只有完整FGF-23才能降低血磷，因此O-糖基化的过程使得FGF-23保持完整的生物学功能[21]。Tagliabracci等[22]最新研究发现FGF-23可通过酪蛋白激酶(FAM20C)发生磷酸化，FAM20C直接磷酸化FGF-23的Ser180，这段残基与特定序列位点(R176H177T178R179/S180)相邻，Ser180磷酸化后又通过影响GALNT3抑制了FGF-23的Thr178O-糖基化，0-糖基化受抑制后，进而通过蛋白转化酶促进FGF-23的裂解和使其失活，因此，减少FAM20C磷酸化可保持FGF-23的稳定[22]。磷酸化后的FGF-23可被furin蛋白酶水解，FGF-23包含了RXXR序列，其为枯草杆菌酶类似物的特定识别序列位点，有活性的完整的FGF-23可被蛋白在特定识别位点作用水解产生nFGF-23及cFGF-23。目前FGF-23翻译后修饰研究仍较为有限，现已知FGF-23有多位点的O-糖基化，但所确定的只有两个位点[21]。在慢性肾衰竭患者， 生物活性FGF-23含量增高，且iFGF-23占总FGF-23比例较正常人群显著增高[16]。 Shimada等[23]发现FGF-23在维持性腹透患者循环中主要以iFGF-23形式存在 ，由此推测随着肾功能的下降，iFGF-23降解减少也是慢性肾衰竭FGF-23升高的重要机制之一。

研究FGF-23调控因素的临床意义

大型观察性队列研究表明慢性肾衰竭患者异常升高的FGF-23水平是心血管事件发生率和死亡率增加的独立危险因素[24]。此外,有研究表明血清FGF-23升高与左室肥厚[25]、血管钙化[26]、动脉壁硬化及血管内皮功能紊乱相关[27]，FGF-23升高还可伴随着CKD进展及某些炎症指标的升高[28]。因此，寻找降低FGF-23水平的治疗靶点有重要的临床价值。可以从FGF-23的调控机制入手降低其水平。(1)降低血磷：限制磷摄入及磷的结合剂可以间接降低FGF-23，不含钙的磷结合剂司维拉姆、碳酸镧等较含钙磷结合剂降低FGF-23的效果更为显著，同时可降低患者死亡风险[29]。(2)减少钙负荷：可减低FGF-23水平改善慢性肾衰竭患者的预后。减少含钙的磷结合剂、控制活性维生素D用量及使用低钙透析液等为常用方法。低剂量维生素D联合西那卡塞可避免FGF-23过度升高，使慢性肾衰竭患者获益[30]。(3)降低PTH: 最新研究显示拟钙剂西那卡塞可降低慢性肾衰竭合并SHPT的患者的FGF-23，且减少慢性肾衰竭心血管事件的发生率及猝死率效果显著[31]。St Peter等[32]研究表明西那卡塞降低肾衰合并甲状旁腺功能亢进患者的PTH，但不能减少心血管事件和死亡率的发生。因此，西那卡塞降低PTH的同时是否改善透析患者预后仍存有争议。此外，甲状旁腺切除术也可降低血清FGF-23水平，改善钙磷代谢紊乱，显著改善预后。(4)FGF-23抗体：FGF-23中和抗体能够降低血清FGF-23水平，但给予CKD大鼠FGF-23抗体可导致血磷升高，因此其临床使用的有效剂量及安全性仍有待探索[33]。(5)FGFR抑制剂：FGFR阻滞剂(PD173074)能治疗及逆转CKD动物模型左室肥厚[34]。因此，FGFR特异性抑制剂可能具有广泛的应用前景。

小结：FGF-23与慢性肾衰竭患者发生心血管事件和疾病预后密切相关，因此掌握各种调控FGF-23的机制并以此作为治疗靶点来降低其水平是很有意义的。目前该领域还存在很多问题，比如FGF-23影响CKD患者临床预后的具体机制、钙磷调节FGF-23的分子途径、如何通过影响FGF-23的翻译后修饰降低其血清水平等问题，均有待进一步研究。

1 Martin A,David V,Quarles LD.Regulation and function of the FGF-23/klotho endocrine pathways.Physiol Rev,2012,92(1):131-155.

2 Urakawa I,Yamazaki Y,Shimada T,et al.Klotho converts canonical FGF receptor into a specific receptor for FGF-23.Nature,2006,444(7120):770-774.

3 Shimada T,Yamazaki Y,Takahashi M,et al.Vitamin D receptor-independent FGF-23 actions in regulating phosphate and vitamin D metabolism.Am J Physiol Renal Physiol,2005,289(5):F1088-1095.

4 Shimada T,Urakawa I,Yamazaki Y,et al.FGF-23 transgenic mice demonstrate hypophosphatemic rickets with reduced expression of sodium phosphate cotransporter type IIa.Biochem Biophys Res Commun,2004,314(2):409-414.

5 Quinn SJ,Thomsen AR,Pang JL,et al.Interactions between calcium and phosphorus in the regulation of the production of fibroblast growth factor 23 in vivo.Am J Physiol Endocrinol Metab,2013,304(3):E310-320.

6 Scialla JJ.Epidemiologic insights on the role of fibroblast growth factor 23 in cardiovascular disease.Curr Opin Nephrol Hypertens,2015,24(3):260-267.

7 Masuyama R,Stockmans I,Torrekens S, et al.Vitamin D receptor in chondrocytes promotes osteoclastogenesis and regulates FGF-23 production in osteoblasts.J Clin Invest,2006,116(12):3150-3159.

8 Ferrari SL,Bonjour JP,Rizzoli R.Fibroblast growth factor-23 relationship to dietary phosphate and renal phosphate handling in healthy young men.J Clin Endocrinol Metab,2005,90(3):1519-1524.

9 Ito N,Fukumoto S,Takeuchi Y,et al.Effect of acute changes of serum phosphate on fibroblast growth factor (FGF)23 levels in humans.J Bone Miner Metab,2007,25(6):419-422.

10 Rodriguez-Ortiz ME,Lopez I,Muoz-Castaeda JR,et al.Calcium deficiency reduces circulating levels of FGF-23.J Am Soc Nephrol,2012,23(7):1190-1197.

11 David V,Dai B,Martin A,et al.Calcium regulates FGF-23 expression in bone.Endocrinology,2013,154(12):4469-4482.

12 Gravesen E,Mace ML,Hofman-Bang J, et al.Circulating FGF-23 levels in response to acute changes in plasma Ca(2+).Calcif Tissue Int,2014,95(1):46-53.

13 Lavi-Moshayoff V,Wasserman G,Meir T,et al.PTH increases FGF-23 gene expression and mediates the high-FGF-23 levels of experimental kidney failure: a bone parathyroid feedback loop.Am J Physiol Renal Physiol,2010,299(4):F882-889.

14 Meir T,Durlacher K,Pan Z,et al.Parathyroid hormone activates the orphan nuclear receptor Nurr1 to induce FGF-23 transcription.Kidney Int,2014,86(6):1106-1115.

15 Durham BH,Joseph F,Bailey LM,et al.The association of circulating ferritin with serum concentrations of fibroblast growth factor-23 measured by three commercial assays.Ann Clin Biochem,2007,44(Pt 5):463-466.

16 Wolf M,White KE.Coupling fibroblast growth factor 23 production and cleavage: iron deficiency,rickets,and kidney disease.Curr Opin Nephrol Hypertens,2014,23(4):411-419.

17 Bhattacharyya N,Chong WH,Gafni RI,et al.Fibroblast growth factor 23: state of the field and future directions.Trends Endocrinol Metab,2012,23(12):610-618.

18 Wolf M,Koch TA,Bregman DB.Effects of iron deficiency anemia and its treatment on fibroblast growth factor 23 and phosphate homeostasis in women.J Bone Miner Res,2013,28(8):1793-1803.

19 Takeda Y,Komaba H,Goto S,et al.Effect of intravenous saccharated ferric oxide on serum FGF-23 and mineral metabolism in hemodialysis patients.Am J Nephrol,2011,33(5):421-426.

20 Fukumoto S.Physiological regulation and disorders of phosphate metabolism--pivotal role of fibroblast growth factor 23.Intern Med,2008,47(5):337-343.

21 Lindberg I,Pang HW,Stains JP,et al.FGF-23 is endogenously phosphorylated in bone cells.J Bone Miner Res,2015,30(3):449-454.

22 Tagliabracci VS,Engel JL,Wiley SE,et al.Dynamic regulation of FGF-23 by Fam20C phosphorylation,GalNAc-T3 glycosylation,and furin proteolysis.Proc Natl Acad Sci U S A,2014,111(15):5520-5525.

23 Shimada T,Urakawa I,Isakova T,et al.Circulating fibroblast growth factor 23 in patients with end-stage renal disease treated by peritoneal dialysis is intact and biologically active.J Clin Endocrinol Metab,2010,95(2):578-585.

24 Wolf M,Molnar MZ,Amaral AP,et al.Elevated fibroblast growth factor 23 is a risk factor for kidney transplant loss and mortality.J Am Soc Nephrol,2011,22(5):956-966.

25 Faul C,Amaral AP,Oskouei B,et al.FGF-23 induces left ventricular hypertrophy.J Clin Invest,2011,121(11):4393-4408.

26 Khan AM,Chirinos JA,Litt H,et al.FGF-23 and the progression of coronary arterial calcification in patients new to dialysis.Clin J Am Soc Nephrol,2012,7(12):2017-2022.

27 Mirza MA,Larsson A,Lind L,et al.Circulating fibroblast growth factor-23 is associated with vascular dysfunction in the community.Atherosclerosis,2009,205(2):385-390.

28 Munoz Mendoza J,Isakova T,Ricardo AC,et al.Fibroblast growth factor 23 and Inflammation in CKD.Clin J Am Soc Nephrol,2012,7(7):1155-1162.

29 Koiwa F,Kazama JJ,Tokumoto A,et al.Sevelamer hydrochloride and calcium bicarbonate reduce serum fibroblast growth factor 23 levels in dialysis patients.Ther Apher Dial,2005,9(4):336-339.

30 Sprague SM,Wetmore JB,Gurevich K,et al.Effect of Cinacalcet and Vitamin D Analogs on Fibroblast Growth Factor-23 during the Treatment of Secondary Hyperparathyroidism.Clin J Am Soc Nephrol,2015,10(6):1021-1030.

31 Moe SM,Chertow GM,Parfrey PS,et al.Cinacalcet,Fibroblast Growth Factor-23,and Cardiovascular Disease in Hemodialysis: The Evaluation of Cinacalcet HCl Therapy to Lower Cardiovascular Events (EVOLVE) Trial.Circulation,2015,132(1):27-39.

32 St Peter WL,Yusuf AA,Do T,et al.Parathyroid hormone change after cinacalcet initiation and one-year clinical outcome risk: a retrospective cohort study.BMC Nephrol,2015,16:41.

33 Fukumoto S.Anti-fibroblast growth factor 23 antibody therapy.Curr Opin Nephrol Hypertens,2014,23(4):346-351.

34 Di Marco GS,Reuter S,Kentrup D,et al.Treatment of established left ventricular hypertrophy with fibroblast growth factor receptor blockade in an animal model of CKD.Nephrol Dial Transplant,2014,29(11):2028-2035.

(本文编辑 书 实)

Regulation of fibroblast growth factor-23 expression in chronic renal failure

KANGMeizi,DAIBing

KidneyInstituteofPLA,ChangzhengHospital,SecondMilitaryMedicalUniversity,Shanghai200433,China

Fibroblast growth factor-23 (FGF-23) is recently identified as a regulator of calcium and phosphorus, its circulating level has impact on the prognosis of patients with chronic renal failure. Currently a variety of factors has been found to participate in the regulation of FGF-23, it was well-known that active vitamin D, phosphorus were involved in this process. Calcium, serum iron, parathyroid hormone, and other post-translational modification were proved to take part in FGF-23 regulation, but the exact mechanism remained to be elucidated. Research on the regulatory factors of FGF-23 is of significantly clinical value on targeted therapy to reduce circulating FGF-23 level and improving the prognosis of chronic renal failure.

chronic renal failure calcium and phosphorus metabolism fibroblast growth factor-23

10.3969/cndt.j.issn.1006-298X.2016.04.015

第二军医大学长征医院肾内科(上海，200433)

2015-10-17