Klotho基因功能研究进展

第31卷 第2期青 海 医 学 院 学 报V o.l31 N o.2 2010年JOURNAL OF Q I NGHA IM ED ICAL COLLEGE2010

K lotho基因功能研究进展

郜 茜

(青海大学附属医院消化科)

中图分类号 R78 文献标识码 B

K l o t h o(K l)基因是由Kur o-o等[1]在1997年研究自发性高血压时偶然发现的,后确认K l o tho基因缺失鼠(K l-/-)的表型类似人类的衰老表现,包括寿命缩短、动脉硬化、皮肤肌肉萎缩、认知障碍、运动神经元受损、软组织钙化、听力下降、骨质疏松[2~4]。反之,K lotho基因高表达可延长实验动物的寿命[2],说明它是一个衰老抑制基因。当K l表达异常时,出现一系列与衰老及与衰老密切相关的疾病[5],提示K lotho基因在衰老和衰老相关疾病的发生中起着重要作用。同时在一些病理状态下,K l表达变化也和疾病的发展、预后密切相关。近年研究发现,K l抗衰老的作用主要是通过抗氧化、抗凋亡功能实现的,本文就这方面研究作一综述。

1 K l的一般生物学特点

K l基因1997年由Kuro-o等[1]首先从表现为衰老的模型小鼠中克隆成功,随后发现人和大鼠中也存在K l基因,且它们之间具有较高的同源性(83%)。K l基因在人和小鼠中均定位于第13号染色体(13q12),基因全长50kb,包含5个外显子,可通过选择性拼接产生两种蛋白产物上,一种为膜型K l蛋白,人的膜型K l蛋白全长有1012个氨基酸残基(小鼠为1024个),为跨膜蛋白,该类型主要在肾脏、胎盘、小肠和前列腺中表达;另一种为分泌型K l 蛋白,人的分泌型K l蛋白全长有549个氨基酸残基(小鼠为550个),该类型缺乏跨膜结构和胞内结构,它以游离的形式发挥功能,在人的大脑、海马、胎盘、肾脏、前列腺和小肠等组织中均检测到其存在,在血清中也检测到K l蛋白的存在[6]。目前认为血循环中的K l蛋白作为一种激素参与对机体功能的调节,它可与细胞表面的受体结合,抑制细胞内胰岛素和胰岛素样生长因子-1(i n su li n/I G F)的信号转导通路,对多种靶器官发挥生理效应[7]。

2 K l基因的抗氧化作用及抗凋亡作用

活性氧簇(Reactive oxygen spec ies,ROS)在缺血、中毒、免疫等因素介导的组织损伤中的作用日益引起人们的重视,氧化应激是缺血再灌注引起急性肾损伤的一个重要原因[8]。动物实验和体外实验都证实了ROS在组织损伤中的作用,并把清除氧自由基作为治疗的重要方法之一。有研究表明动物在应激状态下体内K l mRNA和蛋白表达下降。M i tobe等[9]对小鼠肾脏内髓集合管3细胞(M ouse i n ner m edullary collecti n g duct3,m I M CD3)进行培养观察发现,在过氧化氢(H2O2)诱导的氧化应激状态下K l表达降低,凋亡细胞数目增加,并且这种改变和剂量、时间的变化呈正相关,可将其作为氧化应激状态下组织细胞凋亡的一个指标[10]。H aruna,Y[11]等发现肾小球肾炎的小鼠动物模型在40周时肾组织凋亡细胞数较转K l基因小鼠(I CGN/K l T G)增多明显,并伴有抗凋亡蛋白Bc l-2的下调及凋亡蛋白Bax的上调。Ya m a m oto等[12]观察了K l高表达转基因小鼠(EFmKL48)和野生型小鼠尿中8-OhdG(活体内DNA氧化损伤的生物标记)的分泌量发现, EFmKL48鼠尿中8-OhdG分泌量仅为野生型小鼠的一半,提示K l的高表达能降低体内DNA的氧化损伤;在服用致死剂量的百草枯(除草剂,可产生过氧化物)后EF mKL48鼠的寿命长于野生型小鼠;在培养H eLa细胞的培养基中加入百草枯,处理组中加入可溶性的K l蛋白,观察细胞脂质氧化。和对照组比较,处理组脂质过氧化情况较对照组明显减轻;在中国仓鼠卵巢细胞(C HO)细胞培养基中加入百

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*郜茜(1975~),女,汉族,青海籍,主治医师

草枯,处理组中加入可溶性K l蛋白,发现和对照组相比处理组中细胞凋亡数目明显降低,以上实验均提示K l具有抗氧化、抗应激、抗凋亡的作用,并认为其机理可能为K l蛋白和细胞表面的K l受体结合抑制特异性转录因子FOXO的磷酸化,加速了FOXO 的核转位,细胞核的FOXO直接和超氧化物歧化酶2(SOD2)启动子相结合使SOD2表达增加,有利于对过氧化物的清除。但I kushi m a等[13]发现K l也可抑制由依托泊苷诱导的凋亡反应,依托泊苷是一种拓扑异构酶 的抑制剂,其诱导的凋亡和氧化应激有一定的关系,说明K l抑制凋亡可能还可通过另一条通路进行,即i n su li n/I G F-M nSOD通路,通路激活二氧化锰超氧化物歧化酶(M nSOD)的活性减轻氧化应激诱导的凋亡反应[12]。I kush i m a等[13]用20 n M浓度的K l o tho蛋白处理人脐静脉上皮细胞(HU VEC)后,和对照组比较,caspase3和caspase9的活性明显降低,但细胞活性升高明显,提示K l还可能通过抑制caspase9-caspase3通路抑制凋亡反应。

3 K l的抗衰老作用

K l是哺乳动物体内第一个过表达延长生命、低表达加速衰老的衰老抑制基因。K l的单核苷酸多态性和机体寿命、骨质疏松、脑血管事件、冠状动脉疾病有关,而且随着年龄的增长,血清K l浓度呈下降趋势[6],说明K l基因参与到与机体寿命及衰老相关疾病的调节中。有资料表明其抗衰老作用与抗氧化作用紧密相关。Kurosu等[14]用两组无关的高表达K l基因的转基因小鼠EF mKL46和EFmKL48,并和具有相同基因背景的野生型小鼠相比较发现EFmKL46和EFmKL48两组的寿命均明显长于野生型组。I kush i m a等[13]用K lotho蛋白处理由H2O2诱导衰老的HUVEC后发现,和衰老相关的 半乳糖酐酶明显降低,同时处理组p53和p21的降低明显,提示K l抗细胞衰老途径是通过抑制p53/p21途径完成的。Kurosu等[14]将K l基因转入K l完全缺失(K l-/-)的衰老小鼠模型中干扰i n su li n/I G F-1信号通路,发现小鼠的衰老症状明显改善。目前认为K l缺失引起衰老的原因主要有两点:1)K l缺失时引起1,25(OH)2D3产生过多,引起体内钙、磷代谢紊乱[15];2)K l缺失时氧化应激对i n sulin/I GF-1信号通路抑制作用增加[14],抑制i n su li n/I G F-1信号转导通路是抑制衰老的高度进化保守机制,其机理可能为K l抑制insuli n/I G F-1受体络氨酸磷酸化,使胰岛素受体底物(insuli n receptor substrate,

I R S)1、2和磷脂酰肌醇激3(PI3-kinase)活性降低,从而抑制i n su li n/I G F-1信号转导。

4 K l的脏器保护作用

4.1 肾脏

Kuro-o等[1]等发现K l在肾脏中高表达,但其确切的表达部位目前尚不明确。Koh等[16]发现K l 在远端小管周围表达。M itobe等[9]通过组织学检查发现K l在整个髓质集合管都有表达,同时在小鼠皮质集合管的M1细胞上也发现有K l表达。M itan i 等[17]通过原位杂交技术发现K lmRNA主要在肾小管上皮细胞表达,以上结果可以肯定说明K l主要在肾小管,并以集合管为主的部位表达。Sug i u ra 等[18]发现双侧肾脏缺血再灌注的大鼠模型中,肾脏K l基因和蛋白水平明显降低,在第10天后仍然低于假手术组,但逐渐可恢复到对照组水平;而之前用K l转基因处理组血浆肌酐水平、组织损伤程度、凋亡细胞总数均较对照组程度为好,说明K l表达的变化在肾脏缺血再灌注的病理生理过程中起着关键作用。H ar una等[11]研究发现给患有肾小球肾炎(I CGN)的小鼠动物模型转入K l基因(I CGN/K l T G)后,和对照组比较其尿蛋白量、血肌酐水平改善明显;细胞增生、毛细血管袢增厚、系膜增厚、小管萎缩、间质硬化等形态学方面也改善明显,病死率明显降低,并认为K l是通过减轻氧化应激对线粒体的损伤来实现肾脏保护功能的。既往研究表明,给大鼠持续微量泵入具有加压效应剂量的Ag 7天后可出现蛋白尿,肾小球滤过率下降[19],但转入K l基因后可使Ag 引起的尿蛋白分泌减少,虽然不能使肾小球滤过率改善,但可以防止它进一步恶化;同时还可以改善由Ag 引起的诸如小管上皮细胞塌陷、小管扩张、血管壁增厚和炎症细胞浸润等形态学损伤,但同时发现转入K l后肾组织中K l表达并无增多,而在肝脏、心脏和主动脉明显增多[17,18]。提示K l 蛋白通过膜形式溶蛋白性裂解分泌,其代谢产物或下游的信号分子为一种激素因子。在慢性肾脏病患者中也发现肾脏K l基因及蛋白表达均较对照组明显下降,可能与慢性肾脏病时肾单位减少和肾小管上皮细胞功能破坏有关[16]。以上实验说明在肾脏损害过程中伴有K l表达的下降,而其表达下降不利于对肾脏功能的保护。

4.2 动脉

人类衰老过程与内皮细胞功能障碍密切相关,衰老是动脉粥样硬化危险因素之一,血管内皮细胞

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