Klotho 在慢性肾脏病中的作用研究进展

陈智渊 吴 颖 马红珍

Klotho 基因由日本学者于1997 年首先在小鼠模型中发现，它是一种与衰老有关的基因。相关实验表明，Klotho 基因缺陷的小鼠寿命缩短，并且表现出动脉钙化、皮肤和肌肉萎缩、骨质疏松等类似人类衰老的各种症状[1]。慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）是各种原因引起的慢性肾脏结构和功能障碍，其全球患病率为8%～16%，是继高血压、糖尿病之后最常见疾病之一[2]。多项动物实验证实，Klotho 基因缺陷是CKD 进展和肾外并发症的致病因素，包括心血管疾病、甲状旁腺功能亢进和矿物质代谢紊乱等[3]。因此，本文就Klotho 在慢性肾脏病中的作用作一综述。

1 Klotho 的结构和功能特点

Klotho 基因位于人类第13 号染色体上，其编码的α-Klotho 蛋白（以下简称Klotho）是一种I 型单程跨膜糖蛋白，可分为膜型和分泌型两种形式[4]。膜型Klotho 蛋白的胞外区又可被金属蛋白酶切割，作为可溶性Klotho 释放到循环中。膜型Klotho 作为成纤维细胞生长因子23（fibroblast growth factor23，FGF-23）的受体辅助因子，参与钙磷代谢的调节，维持矿物质稳态；可溶性Klotho 以体液因子的形式在循环系统中发挥调节肾脏离子通道、抗氧化、抗凋亡等保护肾脏的作用[5]。

2 Klotho 与CKD 的关系

Klotho 的主要表达部位是肾近端和远端小管、大脑脉络丛和甲状旁腺，而在人类和啮齿动物中，肾脏是Klotho 基因和蛋白水平最高的器官[6]。Hirokazu等[7]对Klotho 的人类活检组织进行染色观察，发现Klotho 的mRNA 表达从CKD 早期阶段便开始下降，血清Klotho 随CKD 的进展而降低。实验证明，5/6 肾切除大鼠有蛋白尿、高血压、高磷血症和血管钙化等表现，而人类CKD 患者也有相似的表现[8]。可见，CKD 是一种Klotho 蛋白缺乏状态。

3 Klotho 在CKD 中的作用

3.1 Klotho 与矿物质代谢和血管钙化 FGF-23 主要来源于骨组织，由成骨细胞产生，它可以通过调节血清磷酸盐、甲状旁腺激素和1，25-（OH）2D3维持机体磷代谢的平衡[5]。由于缺乏肝素硫酸盐结合域，FGF-23 需要全长Klotho 将典型的FGF 受体（FGFR）转化为特定的高亲和力受体，使其在靶组织中发挥作用[9]。最近研究表明，在由Klotho 的细胞外结构域、FGFR1c 配体结合域和FGF23 组成的复合物中，Klotho 充当重要的共受体角色，从而使FGF23-FGFR1c 接近并具有稳定性[10]。

CKD 常引发矿物质代谢紊乱，其中血清磷酸盐水平升高在终末期肾病（ESRD）患者中普遍存在，相关流行病学研究已将高磷血症列为这些患者的独立死亡危险因素[11]。在近端肾小管中，血源性FGF23 可与FGFR-Klotho 复合物结合，直接激活细胞外信号调节激酶（ERK）1/2 和血清/糖皮质激素调节激酶（SGK）-1 信号。与此同时，SGK-1 磷酸化Na+/H+交换调节辅因子（NHERF）-1，下调关键的磷酸钠协同转运蛋白NaPi-2a 的膜表达，从而增加尿磷的排泄[12]。已有研究证明，CKD 患者膜型Klotho 在体内近端肾小管的特异性缺失，直接限制FGF23 通过FGFRKlotho 复合物刺激的信号转导，导致无法增加肾磷酸钙的排泄[13]。此外，可溶性Klotho 通过调节1-α 羟化酶活性、甲状旁腺激素（PTH）和FGF23 的分泌，直接调节肾脏的磷排泄[7，14]。

血管钙化（vascular calcification，VC）在CKD 病程早期即出现，并随着肾功能的恶化变得更加普遍，使CKD 患者心血管疾病发病率和死亡率增加[15]。临床证据表明，血清磷酸盐升高是CKD 人群发生VC的危险因素之一[16]。近年研究证实，Klotho 缺乏导致CKD 小鼠循环中高水平的磷酸盐和VC 的发生。相反，Klotho 的过表达可增强尿磷的排泄、改善肾功能，抑制钠依赖性摄取磷酸盐和磷酸盐诱导的大鼠血管平滑肌的钙化[8]。

3.2 Klotho 与肾组织氧化应激 氧化应激是CKD发病及病情进展的重要影响因素之一，林书典等[17]发现随着GFR 的下降，氧化物质丙二醇升高，而抗氧化物质总超氧化物歧化酶和还原型谷胱甘肽逐渐下降。动物实验研究发现，Klotho 基因缺陷小鼠体内氧化应激反应明显增强，而Klotho 基因过表达可以减轻氧化应激反应，表现为尿8-羟基脱氧鸟苷（DNA氧化应激损伤的生物标记物）表达减少，而锰-超氧化物歧化酶（Mn-SOD）表达增加[18]。相关研究还证实，Klotho 蛋白可经胰岛素/胰岛素样生长因子-1（IGF-1）途径发挥抗氧化作用，通过抑制其介导的FoxO 磷酸化而活化FoxO 转录因子，而后诱导线粒体Mn-SOD 的表达增加，促进活性氧的清除，从而发挥抗氧化作用[19]。另有研究显示，Klotho 还可通过抑制cAMP/PKA 介导的对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2 蛋白的表达，来减弱血管紧张素II 诱导的氧化损伤和凋亡[20]。

3.3 Klotho 与肾脏炎症反应 炎症在CKD 的发生发展中发挥着重要作用，这里所指的炎症是以C 反应蛋白（CRP）、白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等释放为主，需通过实验室检查才能发现的微炎症反应状态[21]。核转录因子（NF-κB）控制着许多细胞过程[22]，相关实验证实，NF-κB 在CKD炎症的发生中起着关键作用，NF-κB 的抑制可降低多种促炎细胞因子的水平和肾损伤程度[23]。一项研究表明，Klotho 与NF-κB 之间存在双向关系[24]：Klotho的表达受到NF-κB 依赖机制的下调，在CKD 患者的血液和尿液中观察到Klotho 减少；同时Klotho 是一种抗炎调节剂，负性调节NF-κB，从而使促炎基因转导减少。有研究表明，在Klotho 基因突变小鼠中，外源性添加可溶性Klotho 可抑制NF-κB 激活和NF-κB 介导的炎性细胞因子表达[25]。同样，过量的Klotho 抑制PDLIM2/NF-κB 途径，以减少TNF-α、IL-6 和IL-12 的产生[26]。

3.4 Klotho 与肾脏纤维化 CKD 的最终常见病理表现为肾纤维化。肾纤维化是慢性、持续性损伤后肾脏组织创面愈合不成功的表现，以肾小球硬化、肾小管萎缩、间质纤维化为特征。许多研究表明，转化生长因子-β（TGF-β）是CKD 肾纤维化最重要的促纤维化调节因子之一，它刺激基质蛋白的累积，抑制基质降解，并调节肌成纤维细胞的活化[27]。据报道，Klotho缺乏可增加单侧输尿管梗阻（UUO）引起的肾纤维化小鼠TGF-β1 的表达，而可溶性Klotho 蛋白可直接与TGF-βⅡ型受体结合，抑制TGF-β1 与细胞表面受体结合，从而抑制UUO 诱导的肾纤维化小鼠TGF-β1 信号传导[28]。另一种主要的促纤维化分子为血管紧张素II（AngII），这种分子通过直接作用于基质和上调其他因子的表达来调节纤维化[29]。最近的研究还证实，外源性Klotho 蛋白的应用可通过在体内控制碱性成纤维细胞生长因子-2 信号，从而一定程度上抑制肾小管间质纤维化和UUO 诱导的肾纤维化[30]。

4 小结和展望

随着研究深入，Klotho 生理功能逐步阐明，可通过不同的信号通路参与CKD 的发生和发展，Klotho可能成为敏感的生物指标，可作为早期诊断、预后评估的有效标志物，甚至在未来成为治疗肾脏病的一种新手段。虽然Klotho 在CKD 中的部分功能已经明确，但是其具体的调控方式、靶基因的激活及表达途径等尚不十分清楚，很多研究也只局限于动物实验。因此Klotho 用于治疗人类CKD 的安全性及有效性仍待进一步验证，深入研究Klotho 治疗CKD 的深层机制将有助于开发新的治疗方法。