肾脏衰老相关分子机制的研究进展

梁婧 张宗敏 周满红

(遵义医科大学,贵州 遵义 563000)

肾脏衰老是一个定义衰老肾脏本身的结构和功能表型的术语,人类肾脏衰老的特征是肾脏重量和体积的减少并伴随肾功能的下降。肾脏衰老是各种肾脏疾病的重要危险因素,尽管衰老本身不会导致肾脏疾病,但随着年龄的增长,肾体积和功能肾单位数逐渐减少,肾小球滤过率(GFR)逐渐下降,使肾脏对各种损伤的修复能力降低,再加上年龄相关危险因素的累积影响,最终会引发肾脏的诸多病理改变,从而使老年人更容易罹患急性肾损伤(AKI)、慢性肾脏病(CKD)及其他肾脏疾病〔1～3〕。

研究发现,肾脏衰老的主要机制构成了一个复杂的信号网络,从肾脏保护因子Klotho、乙酰化酶(SIRT)水平降低,到转化生长因子(TGF)-β和Wnt4/β-catenin信号的增强,再到氧化应激及内皮功能障碍等,其中Klotho、SIRT及TGF-β等在内的分子变化是衰老表型变化的基本原因〔4,5〕。由于年龄相关性肾功能减退已成为目前临床面临的迫在眉睫的挑战,为了改善其导致的损害,全面了解肾脏衰老过程中的分子机制至关重要,也是了解衰老过程和制定治疗干预措施的关键。本研究对肾脏衰老相关分子机制的研究进展进行综述。

1 衰老肾脏的结构和功能变化

肾脏衰老是一个涉及结构、功能、细胞和分子变化的复杂过程。随着年龄的增长,衰老肾脏的结构和功能发生相应变化〔6〕。与年龄相关的肾脏结构改变包括宏观和微观结构改变,宏观解剖结构变化表现为肾脏重量减少,皮质体积减小,表面凹凸不平,并出现越来越多、越来越大的肾囊肿。微观结构的变化主要表现是动脉硬化、肾小球硬化、功能性肾单位数量的减少、肾小管萎缩及肾间质纤维化〔7～9〕。早在1960年学者们就发现随着年龄的增长肾脏基底膜增厚〔10〕。Goyal〔11〕研究发现,衰老肾脏的肾小球和肾小管细胞数量减少。Rule等〔12〕发现,随着年龄增长,肾硬化从18～29岁的2.7%上升到70～77岁的73%,提示年龄是肾小球硬化的主要因素。足细胞在肾小球衰老中发挥着重要作用,研究〔13〕发现,衰老小鼠肾脏的足细胞足突稀疏、融合,足细胞细胞器减少及细胞线粒体结构异常等。衰老肾脏结构的变化往往伴随着功能变化,如衰老肾脏的有效肾血浆流量下降、滤过分数增加、肾小球 GFR 下降、肾小管功能障碍、钠重吸收、钾排泄和尿液浓缩能力下降等〔2,14〕。在肾脏衰老过程中,肾脏衰老与肾功能下降之间存在线性关系,肾小球滤过率在35岁以后每十年下降5%～10%,这种下降与功能肾单位的丢失有关〔15〕。研究发现,70～75岁健康人肾脏的非硬化性肾小球数量比18～29岁者少48%;并且发现,在30岁之后,每年有6 000～6 500个肾小球丢失。与这种丢失相比,肾小球滤过率的相应降幅相对较小,因为剩余的肾小球肥大可导致部分功能代偿〔16〕。一项研究比较了一组(68±7)岁与一组(26±3)岁健康人的 GFR,发现老年组的GFR下降到年轻组的85%,但仍在生理范围内,因此,随着年龄的增长,GFR下降,但不会威胁到体内平衡。该研究还对血清肌酐值进行比较,发现在各组之间没有差异〔17〕。Epstein〔18〕发现,超过30岁后,肾脏体积开始缩小,伴随着肾总血流量、肾皮层血流量、GFR及肾脏浓缩和稀释能力的下降。这些结构及功能的特征性变化使肾脏抵御外界环境损伤的能力和损伤修复能力降低,使老年人更易发生AKI及CKD,因此延缓肾脏衰老对预防老年人的肾功能不全至关重要。但迄今为止,关于肾脏衰老的发生机制尚不完全清楚,但研究〔4,5〕发现,Klotho、SIRT及TGF-β等在内的相关分子机制参与了肾脏衰老过程。

2 肾脏衰老相关的分子机制

2.1Klotho Klotho 是 1997 年日本学者发现的一种具有抗衰老作用的基因,其定位在人类 13 号染色体上〔19,20〕,编码的蛋白分为膜型和分泌型。其中膜型 Klotho 作为成纤维生长因子 (FGF)23的辅助受体参与机体钙磷代谢。而分泌型 Klotho 被选择性剪切后直接释放到胞外,或由Klotho蛋白的胞外部分被膜锚定蛋白酶 ADAM10/17 剪切后释放出来,以内分泌激素的形式分布于血液、尿液及脑脊液中,具有抗衰老、抗炎症、抗血管及软组织钙化等作用。Klotho 在体内主要由肾小管上皮细胞分泌,也可由脑、甲状旁腺等多个器官分泌,以肾脏中浓度最高〔21〕。研究发现,Klotho 基因缺陷的小鼠衰老进程加快,过早出现皮肤萎缩、性腺功能减退、动脉粥样硬化、骨质疏松等征象,表现出与人类衰老相似的表型,而Klotho 高表达的转基因小鼠寿命明显延长〔19,22〕。有临床研究表明,人血浆Klotho水平与年龄呈反比关系〔23〕,表明Klotho与衰老密切相关。还有研究发现,Klotho信号通路主要通过抑制类胰岛素样生长因子(IGF)-1、过度炎症反应和氧化应激发挥抗衰老功能〔22〕。Oishi等〔24〕研究发现,Klotho过表达的转基因小鼠24个月龄的存活率明显增高,与其过表达抑制衰老小鼠肾脏的间质纤维化、细胞周期阻滞细胞的积聚和氧化应激水平的增加有关,同时发现Klotho通过抑制TGF-β相关的信号通路保护肾脏免受年龄相关的损害。有研究还发现,Klotho水平降低也能增加 p53、p21及p16INK4a的表达,促进肾脏细胞衰老。过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)是一种核受体,其活性随着年龄的增长而降低,PPAR 激动剂也可以增加 Klotho的表达,减轻肾脏的氧化应激及线粒体损伤,并调节与肾脏细胞衰老相关的通路〔25,26〕。Zhu等〔27〕发现,肾小管上皮细胞分泌的Klotho可抑制Wnt/β-catenin信号通路诱导的肾纤维化。Yuan等〔28〕发现,Klotho衍生肽KP1 阻断了 TGF-β 诱导的Smad家族成员Smad2/3 和丝裂原活化蛋白激酶的活化发挥抑制肾脏纤维化的作用。尽管Klotho在衰老中的确切生理作用仍不完全清楚,但Klotho在调节衰老相关的不同途径方面发挥了重要作用,其过表达可能成为抗肾脏衰老的候选疗法。

2.2沉默信息调节因子(SIRT) SIRT2相关酶类SIRT最初是在研究酵母菌转录沉默时被发现,其广泛存在于各种物种中,是一系列烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖性去乙酰化酶,具有高度保守性。目前在哺乳动物体内已经探索出SIRT共有7种同源物(SIRT1～7),具有不同的亚细胞定位和生物学效应,它们通过利用辅酶NAD+,参与细胞代谢及调节细胞功能,如DNA 修复、炎症反应、细胞周期或细胞凋亡等,起到降低氧化应激反应和延缓衰老的作用。随着年龄增长,SIRT在体内的表达减少〔29,30〕。近年来学者们发现,肾脏SIRT对肾脏衰老具有保护作用。其中,SIRT1、SIRT3 和 SIRT6 被认为是与延缓衰老关系最为密切的3个成员。SIRT1 是公认的长寿基因,能够作用于组蛋白使其去乙酰化,进而修复 DNA 损伤,提高细胞存活率〔5〕。Kume等〔31〕认为SIRT1是一种与热量限制有关的抗衰老分子,认为热量限制能通过SIRT1-叉头框蛋白(FOX)O3信号通路活化自噬途径中的关键信号分子提高肾脏细胞自噬水平来延缓肾脏衰老。此外,肾脏中足细胞 SIRT1 表达的降低加剧了衰老小鼠肾脏中年龄引起的肾小球硬化和白蛋白尿的增加,并加剧足细胞损伤及丢失,同时发现足细胞特异性SIRT1基因敲除小鼠肾小球中细胞衰老标记物p19ARF 及 p16INK4a表达明显增高,表明SIRT1与延缓肾脏衰老密切相关〔32〕。Guan等〔33〕发现,SIRT1 是肾脏衰老过程中的关键介质,补充烟酰胺单核苷酸(NMN) 增加 SIRT1 的活性是一种治疗与年龄相关的 AKI 的潜在干预措施。SIRT3是另一种线粒体去乙酰化酶,是调节线粒体功能和脂肪酸β氧化过程的关键分子,具有抗氧化活性。其介导的抗氧化酶的去乙酰化激活能减少活性氧(ROS)的含量,从而保护细胞免受氧化应激介导的损伤〔34〕。而SIRT3缺失可诱导TGF-β1的高表达和糖原合成酶激酶(GSK)3β的高乙酰化,促进肾组织纤维化,而肾脏纤维化是衰老过程中肾脏功能障碍的主要原因之一〔35〕。Benigni等〔36〕发现,血管紧张素受体缺乏可能是减轻氧化应激和上调 SIRT3 存活基因增加小鼠寿命的另一原因。此外,SIRT6缺乏会导致进行性肾脏炎症和肾纤维化,在肾脏衰老中发挥着重要作用〔13〕;其还可靶向作用于多种关键的长寿通路和代谢相关蛋白从而影响细胞衰老〔30〕。有研究发现,SIRT6缺陷的衰老小鼠表现出肾脏肥大和肾小球增大并导致足细胞损伤,包括裂孔隔膜相关蛋白减少、足突消失和细胞丢失,导致蛋白尿〔13〕。总之,SIRT家族蛋白可能是肾脏衰老的一个潜在治疗靶点。

2.3TGF-β TGF-β是一个进化上保守的细胞因子超家族。在哺乳动物发现TGF-β主要有3种亚型:TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3。研究发现,TGF-β是重要的纤维化转化因子,可促进肾脏纤维化〔1,37〕。研究发现,TGF-β信号与多种衰老相关疾病之间存在关联。TGF-β信号参与衰老过程的多个方面的调节,如细胞增殖、细胞周期调节、ROS的产生、DNA损伤修复、端粒调节及自噬等,从而影响细胞衰老相关进程〔4,24〕。TGF-β通过抑制细胞周期从G1期进展到S期,使 DNA合成受阻,参与细胞凋亡〔38〕。Tasanarong等〔39〕研究发现,TGF-β可通过Smad3 和 p16INK4a诱导肾小管细胞衰老。还有研究表明,p16INK4a的敲减很大程度上可改善 Bmi-1 缺陷导致的肾脏衰老,可抑制Bmi-1 缺陷型小鼠肾脏中 TGF-β/Smad信号转导,包括活化的 TGF-β1,TGF-Ⅱ型受体(βRⅡ)和Smad2 /3 的下调,延缓了Bmi-1缺陷引起的肾脏衰老表型,包括肾脏结构和功能受损、细胞增殖减少、细胞DNA损伤、炎症细胞浸润、肾间质纤维化和肾小管萎缩等。P16INK4a缺失的人肾小管上皮细胞可减少衰老细胞分泌衰老相关分泌表型(SASP),从而减少邻近细胞衰老〔40〕。此外,衰老的纤维细胞也会分泌 TGF-β,通过旁分泌方式,使邻近纤维细胞发生细胞衰老,这种细胞旁介导的细胞衰老是通过活性氧自由基产生的,导致邻近组织发生DNA损伤〔41,42〕。Ning等〔43〕发现,层黏连蛋白1也可通过TGF-β/Smad信号调节系膜细胞数量和系膜基质沉积,在肾功能和肾脏衰老过程中发挥重要作用。总之,TGF-β信号途径与肾脏衰老密切相关。

综上,肾脏是典型的衰老靶器官,年老的肾脏功能虽正常,但很脆弱。通过研究衰老相关分子机制与肾脏结构及生理功能改变之间的关系,有利于寻找延缓肾脏衰老的突破点,进而对肾脏衰老进行有效的干预。