信号素3A与肾脏疾病

廖 正 综述 刘瑞洪 孙 林 刘伏友 杨 渊1, 审校

·基础医学·

信号素3A与肾脏疾病

廖 正1,2,3综述 刘瑞洪2孙 林2刘伏友2杨 渊1,2审校

信号素3A(Sema 3A)属于轴突导向因子家族中一种分泌型蛋白，在足细胞分化、肾小球滤过屏障形成和血管内皮细胞迁移过程中起重要调节作用。研究发现，Sema 3A过表达可诱导肾足细胞足突消失或发育延迟，抑制输尿管芽分支和肾小球血管正常形成，导致肾小球发育不良和蛋白尿。而且，Sema 3A还是急性肾损伤、糖尿病肾病和狼疮性肾炎的生物标志物和潜在治疗靶点，本文对近年来Sema 3A在肾脏病发生中作用研究进展作一阐述。

信号素3A 肾脏疾病 作用

信号素(semaphorins，Sema)是一类调节细胞功能和形态的保守导向蛋白家族，其N端具有一个由约500个氨基酸残基组成的保守“Sema”结构域，该家族分为8个亚群,目前已发现30多个成员[1-2](图1)[3]。Sema结构域参与“丛状蛋白-信号素-整合蛋白”(plexins，semaphorins and integrins，PSI) 紧密连接区的形成，可直接结合于细胞膜表面丛状蛋白(Plexins)受体[4]。迄今为止，已发现Sema可调控心脏、肺、肾脏、骨骼及神经系统的发育[5-6]，在心血管疾病、肿瘤、骨质疏松和自身免疫性疾病中扮演重要角色。在Sema家族成员中，目前对Sema 3A的研究最为广泛，本文拟对Sema 3A在肾脏病发生中的作用和诊断价值作一阐述。

图1 信号素(Sema)蛋白结构域[3]

Sema 3A功能

1993年首次在鸡脑提取液中发现Sema 3A[7]。研究证实，Sema 3A蛋白由足细胞分泌产生，其过表达可诱导自体细胞收缩、F-肌动蛋白塌陷及足突消失，与Plexin A1受体和nephrin蛋白的直接相互作用密切相关[8]。而nephrin蛋白、podocin、CD2相关蛋白(CD2AP)等组成的复合体位于足细胞裂孔膜上，其相互作用是影响肾小球基膜(GBM)通透性的物质基础[9]。实验发现，Sema 3A及受体在肾单位发育过程中起调节作用，如足细胞分化、肾小球滤过屏障形成和血管内皮细胞迁移的过程[10]。足细胞Sema 3A过表达可导致肾小球发育不良，主要表现为肾小球内皮细胞凋亡、足细胞足突发育延迟或异常、裂孔膜缺失和先天性蛋白尿[5]。此外，强力霉素可诱导小鼠足细胞Sema 3A过表达，与肾小球性蛋白尿有关[11]。

Sema 3A的受体主要为神经纤毛蛋白(Neuropilins，NRP)和Plexin A1。Sema 3A不直接与Plexin A1受体结合，而与NRP-Plexin A1复合物结合，NRP作为配体偶联成分，Plexins作为信号转导成分，三者形成一个配体-受体复合物结构，进而激活胞内信号转导通路[12-13]。NRP家族主要包括NRP-1和NRP-2两个跨膜蛋白成员，NRP-1是Sema 3A的主要受体，NRP-2则是Sema3C、Sema3F等其他Sema Ⅲ家族成员的主要受体[14-15]。近来发现，NRP-1能在肾脏足细胞中表达，参与多种信号传导途径[9，16]。Sema 3A分跨膜型和分泌型两类，跨膜型Sema 3A可直接和受体Plexin A1 结合，从而介导胞内信号转导，而分泌型Sema 3A 必须和NRP-1-Plexin A1复合体结合才能参与胞内信号通路的传导，其中NRP-1起着结合位点作用，而Plexin A1主要参与信号的传递。由于细胞内Plexin A1受体包含鸟苷三磷酸(GTP)酶活化蛋白结构域。因此，Sema 3A与Plexin A1结合可通过调节GTP酶的活性，参与细胞骨架组织的形成过程[17]。

Sema 3A与肾脏发育

在发育的肾脏中，Sema 3A主要定位在S型小体和输尿管芽，而在成熟的肾脏中则主要定位在足细胞、远端小管和集合管。对培养小鼠后肾器官注入Sema 3A抑制剂可导致输尿管芽分支的增加，Sema 3A表达缺失的小鼠也能增加输尿管芽分支的形成，而输入重组Sema 3A能抑制输尿管芽分支的形成，减少发育中的肾小球数目。结果表明，Sema 3A在输尿管芽形成过程中起负向调节作用[18]。而且，Sema 3A对肾血管形成亦有负调控作用。研究显示，Sema 3A阴性的小鼠肾脏F1K1-LacZ阳性的内皮细胞明显增多，并填满于整个毛细血管管腔，导致管腔闭塞，而足细胞Sema 3A过表达的小鼠在肾脏形成过程中则表现为内皮细胞凋亡增加和肾小球发育不良[11]。此外， Sema 3A和血管内皮细胞生长因子A(VEGF-A)对NRP-1受体有竞争作用，VEGF-A能促进内皮细胞的生存，并且可作为一种化学诱导物促使内皮细胞向S型肾单位血管裂隙内迁移[19-20]。但Sema 3A在血管发生中可抑制VEGF-A信号途径，对血管的形成起负调节作用[21](图2)。

图2 Sema 3A过表达影响肾脏发育的分子机制Sema 3A:信号素3A；Neuropilins-1：神经纤毛蛋白1；Plexin A1：丛状蛋白A1；VEGF-A：血管内皮细胞生长因子A；WT-1：Wilms瘤抑癌因子1；Podocin/ CD2AP/ Nephrin，均属足细胞裂孔膜蛋白

研究还发现，Sema 3A对肾发育过程中的足细胞裂孔膜通透性产生重要影响。Sema 3A可使裂孔膜podocin蛋白下调，抑制其与CD2AP和nephrin蛋白的相互作用。在体外实验中，重组Sema 3A还可降低细胞Akt信号通路，导致足细胞凋亡率明显升高，使肾小球通透性增加[9]。在体内实验中，肾脏器官形成期足细胞过表达Sema 3A能通过下调Wilms瘤抑癌因子1(WT-1)和nephrin蛋白导致足突发育迟缓和裂孔膜减少[5](图2)。

Sema 3A与肾脏疾病

急性肾损伤(AKI) AKI是临床上常见的危急重症，预后不良，主要防控要点在于控制危险因素和AKI早期监测。既往研究发现，中性粒细胞明胶酶蛋白(NGAL)、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、L型脂肪酸结合蛋白(L-FABP)、白细胞介素18(IL-18)、肾损伤分子1(KIM-1)均可作为AKI早期诊断的分子标志物[22]。近来还发现，Sema 3A在急性肾损伤的早期诊断中也具有重要作用和价值。在施行心肺转流术(cardiopulmonary bypass，CPB)的缺血性肾损伤小鼠中，尿中Sema 3A在3h后明显升高，早于24h后才开始升高的血肌酐。这表明尿Sema 3A水平可作为一种新的缺血性肾损伤早期诊断生物标志物[23]。而且，Sema 3A还可作为肝移植术后AKI的早期诊断标志物。研究显示，尿Sema 3A与肝移植术后尿中NGAL水平的变化情况相似，Sema 3A和NGAL均是AKI的独立预测因子，可作为肝移植患者早期诊断AKI的生物标志物[24]。此外，Doi等[25]发现尿Sema 3A在ICU重症患者中继发AKI与进展AKI中的诊断价值与其他5种早期诊断标志物(尿L-FABP、NGAL、IL-18、尿白蛋白和NAG)比较无明显差异。研究还发现，体内Sema 3A水平的干预还可保护AKI、改善其预后。特异性地Sema 3A基因沉默或Sema 3A受体抑制剂处理后，可有效地保护缺血-再灌注(IR)诱导的AKI，减少中性粒细胞浸润和上皮细胞凋亡，增加细胞因子和趋化因子从尿中排泄[26]。

糖尿病肾病(DN) DN以蛋白尿、肾小球高滤过状态、GBM增厚及肾小球肥大所致肾小球滤过屏障形态和功能异常为特征[27-28]。研究发现，Sema 3A与糖尿病肾病发生有关。Veron等[29]发现DN患者肾组织中足细胞Sema 3A表达明显上调，进一步实验证实Sema 3A能加重层黏连蛋白和Ⅳ型胶原蛋白在糖尿病Kimmelstiel-Wilson(K-W)样肾小球结节中的沉积，并通过nephrin、αvβ3型整合素、细胞骨蛋白1(MICAL-1)与Plexin A1相互作用，导致弥漫性足细胞足突消失和F-肌动蛋白的崩溃，从而破坏肾小球滤过屏障，导致大量蛋白尿、肾功能不全和广泛结节性肾小球硬化。而Sema 3A抑制剂或足细胞特异性Plexin A1缺失能够明显降低蛋白尿和延缓DN的进展。

晚期糖基化终末产物(AGEs)亦与DN的发生有关，AGEs是过量的糖和蛋白质结合的共价加成物，它可与人体各组织细胞相结合，通过氧化应激机制导致组织细胞的损伤。Bondeva等[30]研究发现在慢性高血糖的条件下，AGEs的形成增加，可降低Sema 3A及其受体NRP-1在足细胞中的表达，抑制足细胞的迁移，可能会导致其未覆盖地区的GBM黏附到包囊，从而促进局灶性硬化发生。Mohamed等[31]诱导小鼠发生糖尿病2周后，发现尿Sema 3A开始增加，并随着DN的进展，尿Sema 3A含量不断增加，且这种现象同样发生在有蛋白尿、特别是大量蛋白尿的糖尿病患者中。研究还发现，Sema 3A基因沉默表达或使用Sema 3A抑制剂可抑制糖尿病性蛋白尿、肾脏纤维化和炎症，从而改善肾脏功能[31]。结果表明，Sema 3A的表达水平与DN发生发展有关，抑制或沉默Sema 3A表达可能是DN潜在的治疗靶点。

狼疮性肾炎(LN) 系统性红斑狼疮(SLE)是一种多因素参与的系统性自身免疫性疾病，患者突出表现为有多种自身抗体阳性并通过免疫复合物等途径造成全身多系统受累。LN是SLE严重的并发症，约80%的SLE患者临床尚有肾脏受累，10%～20%的患者最终发展成尿毒症。研究发现，血清或肾活检组织Sema 3A表达水平与蛋白尿及肾功能呈负相关，可作为SLE活动性的一种标志物，亦是修饰治疗的潜在靶点[32]。对于局灶病变型LN，NRP-1表达主要分布在肾小球的病变灶处。而对于弥漫性病变型LN，NRP-1则在肾脏中广泛表达[33]。在肾小球中，Sema 3A仅在包囊的顶叶上皮细胞内弱表达，其他部位则未见表达。而在肾小管内，无论远端还是近端肾小球，Sema 3A均高表达[33]。此外，对于弥漫性病变型LN，Sema 3A与患者蛋白尿的严重程度、慢性指数和血清肌酐呈负相关。结果表明，Sema 3A可作为LN患者小管损伤的组织学标志物，且Sema 3A受体NRP-1是区别局灶性LN和弥漫性LN的可靠指标。在体外，Sema 3A与未甲基化CpG的寡聚脱氧核苷酸(CpG ODN)刺激SLE患者产生的B淋巴细胞共培养可诱导Toll样受体9表达明显降低，提示Sema 3A可通过B细胞对SLE免疫反应起调节作用[32,34]。

小结：Sema 3A作为一种足细胞产生的肾脏结构及功能调节因子，可通过调节足细胞足突、输尿管芽分支和肾小球血管形成，与AKI、DN、LN、高血压性肾脏病等发生发展过程密切相关[35](表1)。在未来，致力于Sema 3A在慢性肾脏病发生发展中的作用机制和Sema 3A的靶向干预治疗，将有助于改善肾脏疾病的分子治疗手段和预后。

表1 信号素3A(Sema 3A)在肾组织中分布及对肾功能的影响

AKI:急性肾损伤；ACR：白蛋白/肌酐比值；SCr：血清肌酐；SLE：系统性红斑狼疮

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Roleofsemaphorin3Aintheoccurrenceorprogressionofkidneydiseases

LIAOZheng1,2,3,LIURuihong2,SUNLin2,LIUFuyou2,YANGYuan1,2

1DongMedicineKeylaboratoryofHunanProvince,Departmentoflaboratorymedicine,HunanUniversityofMedicine,Huaihua418000,China2DepartmentofNephrology,InstituteofNephrology,TheSecondXiangyaHospital,CentralSouthUniversity,Changsha410011,China3DepartmentofRheumatologyandimmunology,ZhuzhouCentralHospital,Zhuzhou412007,China

Semaphorin 3A is a kind of secretory proteins in the family of axon-directed factors, which play an important role in the course of podocyte differentiation, glomerular filtration barrier formation and vascular endothelial cell migration. The studies found that the over expression of semaphorin 3A induced disappear or development delay in podocyte foot processes, the formation failure of ureteral branch and glomerular blood vessels, leading to glomerular dysplasia and proteinuria. Also, semaphorin 3A is considered as an important biomarker and the potential therapeutic target in the development of kidney disease, such as acute kidney injury, diabetic nephropathy and lupus nephritis. In this paper, we made an update statement of semaphorin 3A in the development of kidney disease in recent years.

semaphorin 3A kidney diseases role

10.3969/j.issn.1006-298X.2017.06.010

湖南省自然科学基金(2016JJ6106)；湖南省教育厅科研项目(14C0911)

1湖南医药学院(怀化，418000);2中南大学湘雅二医院肾脏病研究所;3株洲市中心医院风湿免疫科

2017-06-19

(本文编辑 青 松 加 则)