成纤维细胞生长因子21基因与Klotho基因在肾脏疾病中的机制研究进展

杨 艳，郭俊含，王沁园，马 潇

(兰州大学第二医院 肾内科，甘肃 兰州 730000)

·综述·

成纤维细胞生长因子21基因与Klotho基因在肾脏疾病中的机制研究进展

杨 艳，郭俊含，王沁园，马 潇

(兰州大学第二医院 肾内科，甘肃 兰州 730000)

成纤维细胞生长因子(FGF)21基因表达产物不仅是一种与能量代谢相关的指标，而且与肾功能的进展有相关性；同时FGFs亚家族的共受体Klotho蛋白也是一种潜在的肾脏损伤标记物。通过总结近年来国内外相关的研究，分析FGF21基因和Klotho基因在急、慢性肾脏疾病的共同作用机制，旨在寻找临床检测简便，敏感性高的的早期肾功能损伤标记物，同时两者在抑制肾脏纤维化及炎症反应过程中具有协同作用，目前期待针对该机制找到基因靶点治疗方案。

肾病；成纤维细胞生长因子；Klotho基因

急慢性肾损伤的诊断目前仍限于传统肌酐、尿蛋白等检测指标中，并不能准确及时地反映当前的病情变化以致治疗时机延误。因此，探索早期的诊断标志物及靶向治疗成为当前的重中之重。近年来，随着对慢性肾脏病(CKD)患者成纤维细胞生长因子(FGF)23-Klotho内分泌轴与钙磷代谢调节关系的探索，逐渐对FGFs家族及Klotho家族有了更深层次的认识，发现与FGF23同属FGF19家族的FGF21基因调控脂质及能量代谢平衡之外[1]，FGF21蛋白在糖尿病肾病小鼠模型中的早期诊断及治疗已经有实践意义。因此，我们总结回顾了进年来国内外FGF21基因及Klotho基因在肾脏疾病应用的新进展，旨在为肾脏疾病科研及临床实践提供新思路。

1 FGF21基因简介

人类FGF21基因位于19号染色体长臂13区3带， 编码一种含209个氨基酸的长链蛋白，其分裂后形成含181个氨基酸的成熟蛋白质，主要参与脂质和能量代谢，表达于肝脏、胰腺β细胞、脂肪组织及部分骨骼肌中，在β-Klotho的参与下与FGFR结合主要调节脂质与能量的代谢[2]。FGF21信号通路的具体作用机制还不明确，目前主要认为与刺激FGFR，使FGF亚受体FRS2a及MARK(ERK1/2)磷酸化有关[3]。动物研究表明FGF21也表达于肾小球系膜细胞中[3]，经过肾脏排泄，半衰期为1小时。目前有动物实验证实重组FGF21或者FGF21类似物可用于代谢相关疾病的治疗，以延缓疾病的进展，抑制组织间质纤维化。FGF21蛋白是FGF家族成员之一，FGF家族是一组含保守序列的信号蛋白，具有广泛功能，如参与细胞再生、分化、有丝分裂，血管再生，伤口愈合等。FGFs具有22个亚家族，其中FGF19亚家族包括FGF15/19，FGF21及FGF23[4]。

1.1肾功能进展的预测 2011年，Lin等[5]在中国人群中发现血清FGF21在晚期肾脏病中的血清浓度是早期肾脏病的4.5倍，是中期肾脏病的1.5倍，与传统的肾功能进展指标(尿β2微球蛋白、血肌酐、血尿素氮、肌酐清除率及肾小球滤过率)有明显相关性，也与高磷血症和CRP的升高存在相关性；2014年，Hindricks等[6]研究表明，CKD1～5期患者血清FGF21蛋白水平随着肾功能进展逐渐升高，与高敏C反应蛋白(hs-CRP)、高敏白细胞介素(IL)6和脂肪细胞因子也存在明显相关性。因此，FGF21是反映从早期到晚期的肾脏疾病进展的指标。研究表明，在腹膜透析患者中血清FGF21水平是健康人群的8倍，并且发现残余肾功能较差的患者血清FGF21水平明显高于残余肾功能较好的患者。由于腹膜透析存在长期的高糖灌注，毛细血管吸收了大量的葡萄糖，因此在无糖尿病的终末期肾脏病患者中也存在胰岛素抵抗，使FGF21升高[7]。Reinhard等[8]在血液透析患者中也发现FGF21的水平是健康人群的23倍，而FGF21蛋白不能透过血液透析滤过膜，所以血液中FGF21水平在血液透析患者中是升高的[9]。目前急慢性肾损伤后FGF21升高的原因可能有以下3点：①随着肾功能的下降，尿中FGF21排泄减少，导致血清中FGF21水平逐渐升高；②FGF21本身是导致肾脏损伤的原因之一；③在肾功能不全患者中，胰岛素抵抗可导致FGF21代偿性的升高[3]。

1.2糖尿病肾病的早期诊断及治疗 目前研究较多的糖尿病肾病早期标志物有FGFs，β2-微球蛋白，C16酰基肉碱和肾脏损伤分子1(KIM-1)等[10]。Lee等[11]发现血清FGF21与人体糖尿病肾病早期标记物尿微量白蛋白等具有一致性，且比尿微量白蛋白能更早的预测糖尿病肾病的发生。糖尿病肾病患者本身脂质及葡萄糖代谢紊乱且存在FGF21缺乏，进一步加重了脂类聚集，增加了肾小管内皮细胞的凋亡[12]。而FGF21可以通过促进脂肪的β氧化而抑制脂质的聚集、炎症因子的表达，从而抑制了肾脏纤维化[13]。动物实验表明，在Col8a1-/-Col8a2-/-基因敲除小鼠中，TGF-β1 诱导的Smad蛋白改变可激活ERK1/2和PI3K/AKT 通路，上调FGF21的表达，而FGF21蛋白的产生可进一步抑制TGF-β1诱导的肾脏系膜细胞的增殖，因此FGF21可以改善肾脏纤维化。Loeffler等[14]认为FGF21抑制肾纤维化是通过活化AMPK-SirT1-PGC1a信号通路进而抑制NF-κB的功能，促进脂肪的β氧化；或通过激活AMPK途径抑制TGF-β1的产生，改善了肾脏系膜细胞的增殖状态。2017年在一项中国人群中也表明FGF21升高是女性患者糖尿病患病率增加的风险因素[15]。FGF21基因敲除的KO db/db的糖尿病肾病小鼠经过重组FGF21治疗12周后，尿蛋白排泄减少、肾脏系膜细胞扩张及纤维化显著改善[3]。因此，血清FGF21水平可以预测亚临床糖尿病肾病，且重组FGF21可以延缓糖尿病肾病的进展。

2 Klotho基因简介

Klotho基因位于13号染色体长臂13区1带，其编码蛋白是单通道跨膜蛋白[16]，有分泌型及膜结合型两种，二者分别是膜结合受体和体液调节因子，能通过调节维生素D和钙、磷代谢，改善心血管系统，对衰老等多种疾病进行调节。Klotho蛋白主要表达于肾脏远曲小管、近曲小管、内髓集合管的衍生细胞及大脑的脉络丛[17]，包括α-Klotho、β-Klotho以及酪氨酸激酶样Klotho，其中α-Klotho由KI基因编码，主要参与FGF23与FGF受体结合调节钙磷等矿物质的平衡；β-Klotho是激活FGF21通路的必要辅助因子，也参与转化FGF21-FGF19信号通路调节胆汁酸产生及能量平衡；酪氨酸激酶样Klotho机制尚不明确。目前发现调控Klotho基因使Klotho蛋白表达上调可减少肾细胞损伤，Klotho蛋白缺乏时可以促进肾脏的纤维化[18]。

2.1急性肾损伤(AKI)的早期预测 AKI时表现为Klotho蛋白的暂时性缺乏，由于缺血缺氧、肾毒性药物、输尿管梗阻、氧化应激及炎症因子刺激等使肾脏Klotho mRNA表达下调，Klotho在肾脏中分泌减少，延缓了肾脏自身的损伤修复作用，促进肾间质纤维化、矿物质代谢紊乱、继发性甲状旁腺功能亢进、血管钙化、心脏肥大等。当AKI发生缺血再灌注时，肾及血清中的Klotho水平显著下降，外源性Klotho补充具有细胞保护作用，可使肾脏免于缺血-再灌注损伤[19]。在AKI患者中，研究发现血清Klotho蛋白在损伤后3小时开始下降，48小时开始上升，7天左右恢复正常，而尿中Klotho蛋白水平在首次缺血再灌注损伤时降低，2天后开始上升，7天后开始下降，因此血、尿中Klotho蛋白均可以作为AKI的早期标志物。

2.2CKD进展的预测 CKD患者肾脏Klotho mRNA表达下调，表现为血清Klotho蛋白持续性缺乏[20]。CKD患者启动了Klotho-FGF23内分泌轴维持血清磷的动态平衡，其机制是：Klotho水平的降低可引起FGF23反馈性的上调，使血清FGF23 的水平升高，使得肾小管中磷的排泄增加，最终使Klotho基因表达下调[21]。而随着肾功能的进展，血清磷的升高提示肾功能的损害，因此，Klotho也是预测CKD患者肾功能进展的指标。目前认为血清Klotho蛋白在CKD患者中缺乏的原因有以下3点：①Klotho参与矿物质的平衡，其缺乏与PTH，FGF23，1，25(OH)2D3均有关，如高磷血症抑制Klotho在肾脏中的表达，而维生素D及1.25(OH)D3的缺乏不能诱导Klotho表达；②尿毒症毒素，如硫酸吲哚酚可使Klotho基因超甲基化修饰，抑制了Klotho mRNA的表达，吲哚酚还可能通过刺激氧化应激通路NF-κB下调肾脏Klotho表达；③RASS系统中血管紧张素Ⅱ (Ang-Ⅱ)及醛固酮抑制Klotho在肾脏细胞中的表达，下调Klotho mRNA表达，使Klotho蛋白生成减少[22]。

3 FGF21与Klotho基因对肾脏的共同作用机制

3.1Klotho家族与FGFs家族的相互联系 血清FGF21蛋白的生物学效应是通过细胞膜受体复合物作用于FGF受体和β-Klotho受体。β-Klotho表达增加可增强FGF21与FGFR1的亲和力，形成FGF21-β-Klotho-FGFR1C复合体，从而加强FGF21下游信号途径的调控，能够维持体内糖脂代谢及能量代谢的平衡[23]。与FGF21同源的FGF23蛋白主要通过FGF受体及其共受体Klotho蛋白作用于肾脏、甲状腺等靶器官，调节甲状旁腺激素、1，25(OH)2D3等分泌性激素水平，共同维持机体钙磷平衡[24]，且FGF21与FGF23蛋白均在CKD患者肾功能的进展中具有预测作用。

3.2FGF21和Klotho表达产物在抑制肾脏纤维化中的作用机制 TGF-β1是常见的肾脏纤维化诱导物，TGF-β1 信号是通过Ⅰ型和Ⅱ型丝氨酸-苏氨酸激酶受体介导的。动物研究表明，在Col8a1-/-Col8a2-/-基因敲除小鼠中，激活ERK1/2和PI3K/AKT 通路可上调FGF21基因表达，使血清FGF21水平升高，抑制TGF-β1诱导的肾脏系膜细胞的增殖，促进细胞周期，减少基质的沉积，从而改善肾脏间质纤维化。因此，糖尿病肾病患者补充重组或者FGF21类似物抑制肾脏的纤维化是与此机制有关的[14]。

分泌型Klotho 蛋白能够抑制TGF-β1 信号肽的转导，分泌型Klotho 与TGF-β1 竞争性地结合TGF-βR2，因此降低了TGF-β1 与TGF-βR2 结合的比例，从而抑制了TGF-β1 的信号转导，减少TGF-β1诱导的Samd2磷酸化。因此，分泌型Klotho部分肾脏保护功能可能来源于其抑制氧化应激以及TGF-β1 信号转导的能力，防止了活性氧对肾脏损害、并抑制了肾脏纤维化[20]。见图1。

图1 FGF21与β-Klotho抑制肾脏纤维化机制

4 结 论

综上所述，联合FGF21及Klotho蛋白检测作为肾脏损伤、进展的早期标记物更有助于对隐匿的早期肾脏病及肾功能快速进展进行诊断，相比肌酐、尿蛋白等临床发现肾损伤较晚的指标更有意义。血清FGF21蛋白作为损伤进展的指标随着肾功能的恶化是逐渐增加的，而血清可溶性的Klotho蛋白，尤其是与FGF21联系密切的β-Klotho，作为一种肾脏的保护性因子是逐渐减少的。因此，联合两指标检测可提高早期诊断的敏感性。且在AKI患者中，尿中Klotho水平与血清水平升高时间较一致，故检测尿中Klotho为检测的便捷又迈出了重要一步[25]。

当前对抑制肾脏急、慢性损伤，如细胞凋亡、基质增生、间质纤维化等的治疗中仍没有特异性强的靶向治疗方法。首先，基于FGF21及Klotho基因在急、慢性肾脏疾病的发生发展中的共同作用机制，尤其是在抑制肾脏纤维化方面，两者体现了一致性，我们期待运用两者联合作为基因治疗的靶点，通过诱导FGF21及Klotho基因上调表达，抑制TGF-β1 信号肽的转导，从而调控下游分子，从源头阻止肾脏间质纤维化的进展，减少炎症反应。其次，联合治疗有助于克服两基因的表达产物各自的缺点，传统的重组FGF21基因表达产物在血浆中半衰期非常短，并且容易继发其他激素水平的异常。因此，使用具有溶蛋白裂解抵抗性的FGF21基因片段和与共受体β-Klotho蛋白可以作为具有稳定性和敏感性药物的研究方向。除此之外，PEG修饰，补体片段融合等新的靶向方法也在探索中[26]。

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杨艳，Email: yangy2015@lzu.edu.cn

R692

A

1004-583X(2017)12-1096-04

10.3969/j.issn.1004-583X.2017.12.020

2017-08-13 编辑:王秋红