陳佑平 李法琦 (重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院老年科,重慶 400016)

α-Klotho、鈣磷穩(wěn)態(tài)與衰老

陳佑平 李法琦 (重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院老年科,重慶 400016)

衰老;鈣磷穩(wěn)態(tài);α-K lotho;維生素D

為什么會有衰老?它是如何發(fā)生發(fā)展的?有沒有方法可以控制衰老?人類研究衰老已有數(shù)千年,但這些問題仍未找到答案。1997年在一種突變小鼠中意外發(fā)現(xiàn)了α-K lotho基因,該基因的缺失導致血鈣、血磷濃度升高、一系列類似衰老的表現(xiàn)和壽命縮短〔1〕。之后發(fā)現(xiàn)敲除成纖維生長因子 (FGF)23基因的小鼠也有高血鈣、高血磷及各種衰老表現(xiàn)和短壽命〔2〕,而敲除維生素D受體(VDR)基因的小鼠則表現(xiàn)為血鈣和血磷濃度降低,但同樣亦出現(xiàn)提前衰老和短壽命〔3〕,糾正鈣磷紊亂可改善突變小鼠的這些異常表現(xiàn)〔4～7〕。上述研究表明鈣磷穩(wěn)態(tài)和衰老之間存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)。由于α-K lotho位于鈣磷穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的中心,與鈣、磷、FGF23、維生素 D等均有密切聯(lián)系,且可延長小鼠壽命〔8〕,故本文從α-K lotho出發(fā)對鈣磷穩(wěn)態(tài)與衰老的研究進展進行綜述。

1 α-K lo tho基因簡介

1.1 結(jié)構(gòu) 人類α-K lotho基因定位于染色體 13q12〔1〕,長約50 kb,根據(jù)結(jié)構(gòu)推測它編碼一種 Ⅰ型膜蛋白 (分子量為70 kD),且該蛋白的細胞外區(qū)域結(jié)構(gòu)類似于β-葡萄糖苷酶〔9〕。但實際在細胞中檢測到的α-K lotho蛋白 (α-K l)主要以兩種形式存在于細胞質(zhì)內(nèi),一種分子量為 120 kD,僅位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng),另一種分子量為 135 kD,位于初級內(nèi)體和高爾基體內(nèi),會被分泌到細胞外,可在血液、尿液、腦脊液中檢測到〔10〕。

1.2 功能 α-K lotho主要在腎臟、甲狀旁腺和脈絡(luò)叢等組織中表達〔11〕,敲除該基因會導致小鼠出現(xiàn)血鈣、血磷、甲狀旁腺激素(PTH)、FGF23和 1,25-(OH)2D濃度升高、降鈣素濃度降低、骨密度下降、各種軟組織(如皮膚、心臟、腎臟等)異位鈣化、活動減少、聽力障礙、動脈硬化、肺氣腫、皮膚萎縮以及短壽命(平均壽命為 60 d,最長不超過 100 d)等異常表現(xiàn)〔1,4〕。α-K lotho的主要功能為調(diào)節(jié)鈣磷穩(wěn)態(tài),位于鈣磷穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的中心。

1.2.1 α-K lotho與鈣 ①新型鈣離子通道 TRPV 5。TRPV 5是一種新發(fā)現(xiàn)的鈣通道,α-K l可水解其胞外的N-連接糖殘基,去除糖鏈末端的唾液酸,使其與胞外的半乳凝素結(jié)合,增加其在腎小管上皮細胞頂端膜的豐度,使 Ca2+進入細胞增多,從而促進 Ca2+的重吸收〔12〕。②Na+-K+-ATP酶。135 kD的α-K l可與其結(jié)合成一種復合物。正常情況下,當細胞外鈣濃度降低時,細胞膜的 Na+-K+-ATP酶會立即增多,隨之 PTH分泌、Ca2+內(nèi)流增多,而α-K lo tho突變純合子 (α-k l-/-)小鼠對細胞外Ca2+濃度降低的反應(yīng)極弱,說明當細胞外鈣濃度降低時,α-K l可能與Na+-K+-ATP酶結(jié)合并向細胞膜轉(zhuǎn)移,然后α-Kl解離、分泌,細胞膜的 Na+-K+-ATP酶增多使 PTH分泌增多、Na+梯度增加,繼而Na+-Ca2+交換增多使 Ca2+向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)移,游離的α-K l又能促進腎臟對鈣的重吸收,從而恢復鈣的穩(wěn)態(tài)〔10〕。1.2.2 α-Klotho與磷 血磷主要為無機磷 (Pi),其濃度主要取決于近曲小管由Ⅱ型鈉離子依賴性磷轉(zhuǎn)運載體 a(NaPi-Ⅱa)介導的重吸收。PTH和 FGF23是 NaPi-Ⅱa的主要調(diào)節(jié)因子。其中 FGF23可通過降低近端小管上皮細胞頂端膜上 NaPi-Ⅱa的豐度降低血磷〔13〕。2006年,有學者發(fā)現(xiàn)α-K l可與 FGF23結(jié)合并將 FGF受體 1(Ⅲc)轉(zhuǎn)變?yōu)橥?FGF23具有高親和力的受體〔14〕。隨后又有研究表明 FGF23僅能緩解 FGF23-/-小鼠的癥狀,而對 FGF23-/-/α-k l-/-(同時敲除 FGF23基因和α-K lotho基因)和α-k l-/-小鼠沒有作用,表明 FGF23的作用依賴于α-K l〔15〕。α-Kl還可與 FGF23一起抑制 1α-羥化酶基因的表達,減少 1,25-(OH)2D的合成〔2〕。

2 α-Klo tho、鈣磷穩(wěn)態(tài)與衰老

2003年,Tsu jikawa等〔4〕發(fā)現(xiàn)限制維生素 D的攝入可使αk l-/-小鼠血鈣、血磷、1,25-(OH)2D濃度恢復正常、糾正各種衰老表現(xiàn)并延長其壽命(生存 15周以上)。而限制磷的攝入可糾正 FGF23-/-小鼠的高磷血癥、各種衰老表現(xiàn)并延長其壽命〔7〕,增加鈣、磷的攝入可升高VDR-/-小鼠血鈣、血磷濃度并延長其壽命〔16〕,說明這些小鼠的衰老表現(xiàn)和短壽命繼發(fā)于血鈣、血磷和 1,25-(OH)2D的濃度異常。

2.1 鈣與衰老 鈣與骨質(zhì)疏松的關(guān)系最引人注目,但骨質(zhì)疏松并非衰老的原因,也不是上述突變小鼠的主要死因。機體衰老時不僅骨鈣會減少,細胞內(nèi)鈣也會發(fā)生異常,如衰老時神經(jīng)元細胞內(nèi) Ca2+濃度增加〔17〕,心肌細胞的鈣瞬變幅度降低、時間縮短,鈣火花發(fā)生頻率增加〔18〕,這些電生理改變與結(jié)構(gòu)和功能的異常密切相關(guān)。鈣在機體內(nèi)作用廣泛,尤其是細胞內(nèi) Ca2+,作為一種第二信使參與各種重要的生命活動,它的異常無疑會打亂整個信號通路網(wǎng)絡(luò),導致各種問題。α-k l-/-小鼠就存在這些問題。它的紅細胞由于細胞內(nèi)鈣濃度增高導致細胞體積縮小,對氧化應(yīng)激和葡萄糖缺乏的耐受力下降,而網(wǎng)織紅細胞增多,表明紅細胞的功能衰退、壽命縮短〔19〕。另外,20 h的束縛應(yīng)激可使 2/3的α-k l-/-小鼠發(fā)生猝死,同時伴有竇房結(jié)功能障礙(竇房傳導阻滯或竇性停搏)。在體外,與正常同齡野生型小鼠相比,乙酰膽堿對其竇房結(jié)有較強的負性頻率作用,而異丙腎上腺素對其的正性頻率作用較弱。在心臟中α-K lotho基因僅在竇房結(jié)表達,但尸檢未發(fā)現(xiàn)竇房結(jié)結(jié)構(gòu)異常,說明其竇房結(jié)功能障礙可能由電生理異常所致〔11〕。

2.2 磷與衰老 磷與衰老的具體關(guān)系還不清楚,但根據(jù)它在生命活動中的重要作用 (參與能量代謝、核酸和脂質(zhì)雙分子層的合成、信號傳導等),限制磷的攝入 (僅糾正高磷血癥,血鈣、1,25-(OH)2D的濃度仍異常)即可糾正 FGF23-/-小鼠的各種衰老表現(xiàn)并延長其壽命〔7〕,可以推測它也是衰老過程中的一個重要角色。

2.3 維生素D與衰老 維生素D缺乏時骨質(zhì)疏松、高血壓、腫瘤發(fā)生的風險增加,VDR-/-小鼠也有這些表現(xiàn)〔20〕,但它們既不是突變小鼠的主要死因,也不是衰老的原因。對于各種生物而言,抑制胰島素和胰島素樣生長因子 (IGF)1的信號傳導均可抑制衰老。α-k l-/-小鼠與同齡正常野生型小鼠相比,血糖和胰島素水平降低,胰島素敏感性升高,打亂胰島素和 IGF1的信號傳導可改善α-k l-/-小鼠的癥狀,限制維生素D的攝入可使血糖和胰島素水平恢復正常,糾正各種衰老表現(xiàn)并延長其壽命,說明胰島素和 IGF1信號通路的異常繼發(fā)于維生素 D濃度升高,提示胰島素和 IGF1信號通路可能是維生素 D調(diào)節(jié)衰老的一個重要途徑〔4,8〕。

2.4 α-K lotho與衰老 α-K lotho基因可能還有獨立于鈣、磷、維生素D以外的作用。轉(zhuǎn)基因技術(shù)高表達α-K lotho基因可使小鼠對 IGF1產(chǎn)生抵抗,壽命延長 18.8%～30.8%〔8〕,在體外α-Kl可抑制胰島素和 IGF1的信號通路的活化以及乳腺癌細胞的增殖〔21〕,說明也許α-K lo tho本身即可通過胰島素和 IGF1信號通路抑制衰老。此外,α-K lo tho還有心血管和腎臟保護作用。在體外α-K l可抑制腫瘤壞死因子(TNF)-α誘導的內(nèi)皮細胞黏附分子的表達和核因子 (NF)-κB的活化〔22〕,在體內(nèi)它可改善自發(fā)性 2型糖尿病大鼠(OLETF)大鼠的內(nèi)皮功能、增加一氧化氮的生成、降低血壓〔23〕。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)使腎小球腎炎小鼠(ICGN)小鼠過度表達α-K lotho基因可明顯改善其腎臟的功能和形態(tài)學損害,將其 40 w生存率由 30%升至 70%〔24〕。這些研究表明α-K lo tho的心血管和腎臟保護功能也可能是其抗衰老的機制。

3 結(jié) 語

鈣磷穩(wěn)態(tài)不僅僅是指血鈣、血磷的濃度正常,而是指包括骨鈣、骨磷、血鈣、血磷、細胞內(nèi)鈣、磷、α-K lotho、維生素 D、各種信號通路等在內(nèi)的一個完整系統(tǒng)的整體的平衡。衰老不是一個獨立的奇怪現(xiàn)象,它和生長發(fā)育一樣是連續(xù)的生命中的一個階段,是受基因調(diào)控的一個精確的過程。維持鈣磷穩(wěn)態(tài)的平衡對控制衰老至關(guān)重要。盡管現(xiàn)在我們對鈣磷穩(wěn)態(tài)和衰老有了一些認識,但仍欠全面、詳細,隨著研究的不斷進展,調(diào)節(jié)鈣磷穩(wěn)態(tài)的完整網(wǎng)絡(luò)和衰老的具體機制終將被探明,繼而應(yīng)用于臨床,幫助我們除人類之病痛,助健康之完美。

1 Kuroo M,M atsumura Y,A izawa H,et a l.M utation of themouse k lotho gene leads to a syndrome resembling ageing〔J〕.Nature,1997;390 (6655):45-51.

2 Shimada T,KakitaniM,Yamazaki Y,et a l.Targeted ablation of FGF23 demonstrates an essential physiological role of FGF23 in phosphate and vitam in D m etabo lism〔J〕.JC lin Invest,2004;113(4):561-8.

3 Yoshizawa T,Handa Y,Uematsu Y,et a l.M ice lacking the vitam in D recep tor exhibit impaired bone formation,uterine hypop lasia and grow th retardation afterweaning〔J〕.NatGenet,1997;16(4):391-6.

4 Tsu jikaw a H,Kurotak i Y,Fu jimori T,et a l.K lo tho,a gene related to a synd rom e resem b ling hum an p rem ature aging,functions in a negative regulatory circuitof vitam in D endocrine system〔J〕.Mol Endocrino l,2003; 17(12):2393-403.

5 L iYC,Am lingM,Pirro AE,et a l.Normalization ofm ineral ion homeostasisby dietarym eans p revents hyperparathyroidism,rickets,and osteomalacia,butnotalopecia in vitam in D recep tor-ablatedm ice〔J〕.Endocrinology,1998;139(10):4391-6.

6 HesseM,Frohlich LF,ZeitzU,et a l.Ab lation of vitam in D signaling rescues bone,m ineral,and glucose hom eostasis in FGF-23 deficientm ice〔J〕.M atrix B iol,2007;26(2):75-84.

7 Stubbs JR,L iu S,TangW,eta l.Ro le of hyperphosphatem ia and 1,25-dihydroxyvitam in D in vascular calcification and mortality in fibroblastic grow th factor23 nullm ice〔J〕.JAm Soc Nephrol,2007;18(7):2116-24.

8 Kurosu H,YamamotoM,C lark JD,et a l.Supp ression of aging inm ice by the hormone K lotho〔J〕.Science,2005;309(5742):1829-33.

9 M atsum ura Y,A izaw a H,Shiraki-Iida T,eta l.Identification of the hum an k lotho gene and its two transcrip ts encoding membrane and secreted k lotho p rotein〔J〕.B iochem B iophys Res Comm un,1998;242(3):626-30.

10 ImuraA,TsujiY,M urataM,eta l.alpha-K lotho asa regulatorof calcium homeostasis〔J〕.Science,2007;316(5831):1615-8.

11 Takeshita K,Fujimori T,Kurotaki Y,et a l.Sinoatrial node dysfunction and early unexpected death ofm icew ith a defectof k lotho gene exp ression〔J〕.Circulation,2004;109(14):1776-82.

12 Cha SK,O rtega B,Kurosu H,et a l.Removal of sialic acid involving Klotho causes cell-surface retention of TRPV 5 channel via binding to galectin-1〔J〕.Proc NatlA cad SciUSA,2008;105(28):9805-10.

13 Hernando N,B iber J,Forster I,et a l.Recent advances in renal phosphate transport〔J〕.TherApherD ial,2005;9(4):323-7.

14 U rakawa I,Yamazaki Y,Shimada T,et a l.K lotho converts canonical FGF recep tor into a specific recep tor for FGF23〔J〕.Nature,2006;444 (7120):770-4.

15 Nakatani T,Sarraj B,OhnishiM,et a l.In vivo genetic evidence for k lotho-dependent,fibroblastgrow th factor 23(FGF23)-mediated regulation of system ic phosphate hom eostasis〔J〕.FASEB J,2009;23(2): 433-41.

16 Simpson RU,Hershey SH,N ibbelink KA.Characterization of heart size and blood p ressure in the vitam in D recep tor knockoutmouse〔J〕.J Steroid B iochem M o lB io l,2007;103(3-5):521-4.

17 KawaharaM,Negishi-KatoM,Sadakane Y.Calcium dyshom eostasis and neurotoxicity of A lzheimer′s beta-am yloid p rotein〔J〕.ExpertRev Neurother,2009;9(5):681-93.

18 How lettSE,Grandy SA,FerrierGR.Calcium spark p roperties in ventric-ularm yocytes are altered in aged m ice〔J〕.Am J Physiol Heart Circ Physiol,2006;290(4):H1566-74.

19 KempeDS,A ckermann TF,Fischer SS,eta l.A ccelerated suicidalerythrocyte death in Klotho-deficientm ice〔J〕.Pflugers A rch,2009;458 (3):503-12.

20 Tuohimaa P.V itam in D and aging〔J〕.J Steroid B iochem Mol B iol, 2009;114(1-2):78-84.

21 W olf I,Levanon-Cohen S,Bose S,eta l.Klotho:a tumor supp ressorand a modulatorof the IGF-1 and FGF pathways in human breastcancer〔J〕. Oncogene,2008;27(56):7094-105.

22 M aekawa Y,Ishikawa K,YasudaO,et a l.Klotho supp resses TNF-alphainduced exp ression of adhesionmolecules in the endothelium and attenuatesNF-kappaB activation〔J〕.Endocrine,2009;35(3):341-6.

23 Saito Y,Nakamura T,Ohyama Y,et a l.In vivo k lotho gene delivery p rotects against endothelial dysfunction in multip le risk factor syndrome〔J〕.B iochem B iophysResCommun,2000;276(2):767-72.

24 Haruna Y,KashiharaN,SatohM,eta l.Amelioration ofp rogressive renal injury by geneticmanipulation of Klotho gene〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2007;104(7):2331-6.

〔2009-08-05收稿 2009-11-26修回〕

(編輯 李相軍/張 慧)

book=1306,ebook=64

R339.3+8

A

1005-9202(2010)09-1306-03

國家自然科學基金資助項目(30672212)

李法琦(1956-),男,博士,教授,主任醫(yī)師,碩士生導師,主要從事老年醫(yī)學和心血管疾病的研究。

陳佑平(1985-),男,在讀碩士,主要從事老年醫(yī)學的研究。