饒志堅 鄭莉芳 常蕓 于濤 史仍飛

1上海師范大學體育學院（上海 200234）

2上海體育學院運動科學學院（上海200438）

3國家體育總局體育科學研究所（北京100061）

1 前言

目前，人類對衰老的認知已經取得了巨大的進步，并據此發(fā)展出了各種策略以預防、延緩甚至逆轉衰老。據統(tǒng)計全球老年人群在2050年將急劇增加，隨著壽命的延長意味著老年期也越長，而在衰老期會出現各種慢性病，如心血管疾病、癌癥和神經退行性病變，在發(fā)展中國家這些疾病是致病和致死的主要因素，且為此花費巨大。因此，人們不僅關注壽命，更加關注健康壽命。

Klotho是由Kuro-o等在1997年發(fā)現的一種抗衰老基因并得以命名[1]。在Klotho-/-小鼠中發(fā)現多種與衰老相關的癥狀，如運動神經元變性、骨量減少、皮膚皺縮、軟組織鈣化、動脈粥樣硬化、聽力減退、認知功能障礙、不育等，而且這種小鼠與野生型小鼠相比壽命顯著下降，在2月齡左右會因衰老而死亡[1]。相反，若小鼠過量表達Klotho，則其壽命可延長20%～30%[2]。人體研究結果也發(fā)現，40歲之后人血清Klotho水平下降[3-5]，且在一些患有與衰老相關疾病的患者中（如癌癥、高血壓、腎病等）也發(fā)現血清Klotho濃度下降[6]。這些結果表明Klotho可能會影響衰老的進程，這一發(fā)現引起許多研究人員的興趣，從而展開對Klotho的研究。后來研究發(fā)現，Klotho除了具有抗衰老功能外，還參與調節(jié)礦物質[7]和能量代謝[8]，改善認知功能[9]等。

運動能延緩衰老，降低與衰老相關疾病的發(fā)病率和死亡率；運動還能提高骨密度，改善認知功能，降低心血管疾病、糖尿病及腎病的風險等[10]。但運動給人體帶來這些益處的具體機制仍不清楚。相似地，高水平的血清Klotho與上述的多種癥狀呈負相關[6]。運動和Klotho的效果有如此多的相同之處，那么運動與Klotho的表達水平有著怎樣的關聯(lián)？運動是不是通過調節(jié)Klotho的表達來實現其給人體帶來的部分益處？本文對此展開綜述。

2 Klotho一般概述

2.1 Klotho的分類

目前發(fā)現3種Klotho相關基因：α-Klotho，這種基因在多種組織中表達，主要是在腎臟和大腦，它可能參與礦物質平衡的調節(jié)[1]；β-Klotho，這種基因主要在肝臟、脾臟、脂肪組織及大腦中表達，它參與唾液酸、脂代謝和能量代謝[11，12]；γ-Klotho，這是一種半分子 Klotho相關蛋白，主要表達在棕色脂肪組織[13，14]。本文所提到的Klotho都是指α-Klotho。

Klotho蛋白存在5種不同的形式，包括一種單次跨膜蛋白和三種脫落蛋白以及一種分泌型蛋白，如圖1。單次跨膜和脫落形式的蛋白是由同一種mRNA轉錄而來的，最初會生成一種分子量約130的單次跨膜Klotho蛋白，稱為m-Klotho。m-Klotho的C端包括穿膜和細胞內片段，而細胞外的部分有兩個結構域，KL1和KL2。每一個KL結構域都擁有葡萄糖苷酶活性，它能從碳水化合物糖蛋白中剪切出唾液酸。脫落型Klotho是由ADAM10、ADAM17及BACE1剪切細胞表面m-Klotho所釋放的，目前發(fā)現兩個剪切點：第一個是直接緊鄰著細胞外膜剪切，稱為α剪切；第二個是在KL1和KL2之間剪切，稱為β剪切。近鄰細胞外膜剪切后得到的蛋白包括KL1和KL2（p-Klotho），而在KL1和KL2之間剪切得到的蛋白只含有KL1（p-KL1）[15]。如果同時剪切兩個位點的話則可得到脫落的 p-KL1和另一種含有KL2的蛋白（p-KL2）[16]。相比之下，分泌型Klotho（s-Klotho）是由另一段基因轉錄翻譯后形成的，這段基因存在于KL1基因之后是一種比較短且獨特的序列，這段序列可產生一種幾乎與p-KL1相同的蛋白，但是有一種與p-KL1截然不同的C端[17]（p-KL1:SQLTKPISSLTKPYH;s-KL1:DTTLSQFTDLNVYLW）。但這種小的C端是否會導致s-Klotho和p-Klotho具有不同的功能還不明確。

圖1 Klotho的分類

2.2 可溶性 Klotho的生物學功能

目前m-Klotho的作用相對比較清楚，它可作為纖維細胞生長因子受體（FGFR）的共受體與纖維細胞生長因子23（FGF23）結合發(fā)揮一些關鍵作用，包括調節(jié)維生素D、鈣以及磷的代謝[11，18]。相比之下，可溶性Klotho的作用目前還不是很明確。Klotho主要表達于腎臟和大腦[1]，然而Klotho-/-小鼠中的一些不表達Klotho的細胞也被發(fā)現出現功能障礙，表明Klotho能作為一種激素遠程作用于其它細胞。近些年的相關研究揭示了可溶性Klotho作為一種循環(huán)激素的生物學效應及其可能機制（如圖2），綜述如下。

研究發(fā)現可溶性Klotho具有抗衰老的作用，主要原因在于它能抑制胰島素樣生長因子信號通路[2，19]?？扇苄訩lotho抑制胰島素樣生長因子信號通路導致叉頭轉錄因子（FOXO）的激活，并上調抗氧化酶的基因的表達，如錳超氧化物歧化酶（MnSOD），這對清除活性氧及降低氧化應激十分重要[20]。除了胰島素/胰島素樣生長因子-1（IGF-1）通路外，可溶性Klotho還能通過其他抗氧化通路來發(fā)揮其細胞保護作用，如環(huán)磷酸腺苷/激酶A（cAMP/PKA）[21，22]。此外，可溶性 Klotho可通過增強細胞的氧化能力保護細胞免受于高氧和磷的毒性損傷，這可能是通過增加核呼吸因子1/2（Nrf1/2）轉錄活性實現的[23]?？梢娍扇苄訩lotho可通過多條信號通路抑制氧化應激，從而發(fā)揮其抗衰老的作用。

心血管疾病發(fā)病率的降低與血清中可溶性Klotho水平升高有關[24]。研究證實內皮細胞功能障礙與Klotho的表達負相關，表明可溶性Klotho的降低可能是心血管疾病的風險因素[1]。內皮細胞功能障礙在動脈粥樣硬化發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用[25]，可溶性Klotho對血管的保護作用可能是通過調節(jié)一氧化氮（NO）利用度來減輕內皮細胞功能障礙而實現的[21，26，27]。

可溶性Klotho也可能是一種腫瘤抑制因子，可以對包括乳腺癌、宮頸癌、胰腺癌、黑色素瘤、胃癌、大腸癌、肺癌、肝癌、腎細胞癌和卵巢癌等疾病的發(fā)生有抑制作用[28]。體外實驗發(fā)現，可溶性Klotho可通過調節(jié)多條通路來抑制腫瘤，包括胰島素/IGF-1通路、FGF通路、Wnt信號通路以及轉化生長因子-β（TGF-β）通路[29，30]。

可溶性Klotho還能調節(jié)瞬時受體電位陽離子通道（TRPC）6、TRPC1、TRVP5及ATP調節(jié)鉀離子通道ROM（ROMK）1離子通道，從而維持內皮細胞的完整性、保護內皮細胞的通透性，防止內皮細胞功能障礙[31，32]。此外，可溶性Klotho可能還具有抗炎作用，在Klotho-/-小鼠中腫瘤壞死因子α（TNF-α），Wnt和γ-干擾素（IFNγ）的表達水平升高，這些炎癥因子的上調促進了小鼠的衰老[33]。

圖2 可溶性Klotho的功能

2.3 可溶性 Klotho的來源

如上所述，可溶性Klotho蛋白主要包括兩種類型：脫落型和分泌型?？扇苄訩lotho能在人體多種體液中檢測出來，如血液、尿液和腦脊液[34，35]。Klotho在腎臟中表達最多，因此可溶性Klotho可能是來源于腎臟。Lindberg等[36]發(fā)現小鼠全腎敲除Klotho基因后，在這些小鼠的腎臟中檢測不到可溶性Klotho，此外，這些小鼠血清可溶性Klotho水平與野生型小鼠相比下降80%左右。因此，這項實驗表明腎臟是血清中可溶性Klotho的主要來源。然而，特異性敲除近曲小管的Klotho基因對血清可溶性Klotho水平的影響不大[37]，這可能是由于可溶性Klotho在近曲小管的表達水平遠低于遠曲小管，因此僅僅敲除近曲小管的Klotho基因不足以降低血清可溶性Klotho濃度。另一個可能的解釋是近曲小管的Klotho從頂端流入尿液，并不會影響血液可溶性Klotho的水平。

Hu等[38]從大鼠和人類腎臟的下腔靜脈和上腔靜脈取血并檢測兩種血液中可溶性Klotho的水平，結果發(fā)現下腔靜脈與上腔靜脈血中可溶性Klotho濃度比值大于1，表明可溶性Klotho是由腎臟釋放到循環(huán)中的。在雙側腎切除的大鼠中，其血清可溶性Klotho濃度在一天之內降低到原來的一半，進一步表明腎臟是可溶性Klotho來源的主要器官。此外，可溶性Klotho的清除可能也是在腎臟中完成的，將合成的Klotho注射入無腎大鼠后發(fā)現其清除速度顯著降低，表明腎臟對可溶性Klotho的清除具有重要作用[38]。除了上述幾個研究，其它關于血清可溶性Klotho的來源的報道很少。慢性腎病的病人其血清可溶性Klotho濃度顯著低于健康人群[39，40]。然而，慢性腎病與全身性Klotho表達下降有關[41]，因此并不能證明可溶性Klotho僅來源于腎臟。

3 運動對可溶性Klotho的影響

人體和動物實驗研究都已經證明運動后血清可溶性Klotho會發(fā)生相應的變化，如Sven-Jean等[42]發(fā)現，無論男女，受試者在大強度運動后即刻其血清可溶性Klotho濃度升高，而在半小時后回復到運動前水平。Amaro-Gahete等[43]也發(fā)現12周的運動干預可提高受試者血清Klotho的水平。而其它研究表明依據受試者年齡、性別、健康狀況以及身體素質的不同，運動對血清可溶性Klotho的影響也有所不同，此外運動的強度及類型也能影響血清可溶性Klotho的變化，具體分述如下。

3.1 年齡

隨著年齡的增長，血清可溶性Klotho的濃度也隨之下降，這一點已經在人體中被證實[3]。而運動則能上調年齡引起的血清可溶性Klotho下降，且改善衰老相關癥狀。Behrouz等[44]發(fā)現中年大鼠（13～15月齡）血清可溶性Klotho濃度顯著低于青年大鼠（4月齡），而經過中強度有氧運動后中年大鼠血清可溶性Klotho濃度升高，在第8周時出現明顯升高（文中未給出具體數值，因此無法得知增加幅度）。此外，他們還發(fā)現與青年大鼠相比，中年大鼠心肌細胞氧化應激水平顯著升高，且心肌出現纖維化，而經過8周有氧運動后上述情況得到改善；他們還觀察到有氧運動后心肌ERK及P38 MAPK表達水平上調，因此他們認為有氧運動可增加可溶性Klotho的水平，進而激活ERK和P38通路，從而降低心肌細胞氧化應激水平，緩解年齡相關的心肌纖維化。在人體實驗中，Tomoko等[45]也發(fā)現12周有氧運動后絕經期女性血清可溶性Klotho濃度增加，并且伴隨著血管僵硬度下降，他們認為可溶性Klotho在其中發(fā)揮重要作用。雖然這兩項研究都發(fā)現運動能改善年齡引起的血清可溶性Klotho濃度下降，但是運動能否增加青年時期血清可溶性Klotho的濃度？若是能增加，那么隨著年齡的增加運動后血清可溶性Klotho的變化程度是否有差異？

針對上述問題，Elmira等[46]發(fā)現年輕橄欖球運動員（18～22歲）血清可溶性Klotho濃度（3.38 ng/ml）顯著性高于對照年輕人群（18～27歲，1.39 ng/ml），表明運動確實能提高年輕人群的血清可溶性Klotho濃度。隨后，Keith等[47]對年輕小鼠和老年小鼠進行一次急性的45分鐘中強度有氧運動，兩組小鼠之前都沒有訓練過，然后對比運動前和運動后血清可溶性Klotho濃度的變化。結果顯示，與運動前相比，兩組小鼠運動后血清可溶性Klotho濃度都顯著性增加，且都增加到運動前的兩倍左右。同時，他們還觀察了經過16周訓練的年輕女性（平均36歲）和12周訓練的老年女性（平均68.3歲）在一次急性運動后血清可溶性Klotho的變化情況，結果顯示急性運動后年輕女性血清可溶性Klotho增加了30.1%，而老年女性增加了15.3%。相似地，Moran等[48]對比男性年輕運動員（平均23.9歲）和非運動員（平均24.5歲）血清可溶性Klotho的水平，結果發(fā)現年輕運動員比非運動員高19.4%；同時他們還對比了男性老年運動員（平均58.1歲）和非運動員（平均58.6歲）血清可溶性Klotho的水平，發(fā)現老年運動員比非運動員高35.5%。

這些研究表明運動可引起血清可溶性Klotho濃度增加，且并不依賴于年齡。但現有的研究還無法確定年齡對運動后血清可溶性Klotho增加幅度的影響，這其中可能還與受試者性別、身體素質等有關。

3.2 性別

性別可能影響到運動后血清可溶性Klotho濃度的增加幅度。Alana等[49]分別檢測了男性（平均32.7歲）和女性（平均36.3歲）一次急性20分鐘大強度跑臺運動后血清可溶性Klotho的變化，結果發(fā)現女性受試者運動后血清可溶性Klotho水平顯著高于運動前，而男性運動前后血清可溶性Klotho濃度變化不大。因此，他們認為運動可引起血清可溶性Klotho濃度升高，特別是在女性人群中。然而，正如該作者在文章中交待的一樣，這些受試者之前至少進行了一年的力量運動或耐力運動（每周3～4次），但作者并未區(qū)分男性和女性受試者中分別有哪些人參加了耐力運動、哪些人參加了力量運動，那么這些不同的訓練類型是否會影響急性大強度運動后血清可溶性Klotho的變化？另一項試驗中，Sven-Jean等[42]研究發(fā)現，男性（平均47歲）和女性（平均50歲）受試者在一次急性大強度運動（經典Bruce方案）后即刻血清可溶性Klotho濃度分別上升23.4%和14.3%。這項研究中，作者排除了吸煙以及藥物的可能影響，但是他們并未交待這些受試者之前是否進行過運動鍛煉、進行過什么類型的鍛煉。因此，這兩項實驗在急性大強度運動后，男女受試者的血清可溶性Klotho上升幅度的趨勢不一致。這種不一致可能是由于受試者身體素質不一樣，或者之前所進行的運動項目不一樣。因此，今后的研究應減少混淆因素，控制單一變量，才能更清楚地反映出性別對運動后血清可溶性Klotho變化的影響。

3.3 身體素質

年輕女性未經訓練時，一次急性運動后血清可溶性Klotho濃度與運動前相比變化不大，而經過16周有氧運動訓練后，再次進行一次急性運動，結果發(fā)現與運動前相比血清可溶性Klotho濃度升高30.1%，顯著高于16周訓練前的變化。該研究在老年女性身上得到了相似的結果，未經訓練時老年女性急性運動后血清可溶性Klotho濃度變化不大，在經過12周的有氧訓練后，急性運動可顯著增加血清可溶性Klotho的濃度[47]。此外，還有研究表明同等年齡和性別的情況下，運動員血清可溶性Klotho濃度高于非運動員[46，48]。

這些結果表明，運動引起的血清可溶性Klotho濃度的變化可能與身體素質有關，身體素質越好，運動后血清可溶性Klotho的升高幅度越大。

3.4 健康狀況

大鼠經16周高脂飲食后，血清可溶性Klotho濃度明顯低于普通飼料組大鼠，而另外兩組大鼠經24周高脂飲食，其中一組不做任何處理，另一組大鼠在16周時開始進行為期8周的游泳運動，在24周時檢測兩組大鼠血清可溶性Klotho濃度時發(fā)現運動組顯著高于高脂對照組，而且運動組大鼠胰島素抵抗得到一定的改善[50]。因此，該研究認為運動改善長期高脂飲食引起的胰島素抵抗可能是通過提高可溶性Klotho濃度實現的。

Moran等[51]比較經一年有氧訓練和未經訓練的冠心病患者及年齡匹配的健康人群血清可溶性Klotho的濃度，結果發(fā)現，未訓練的冠心病患者血清可溶性Klotho濃度略微低于健康人群，但沒有顯著性差異，而經過訓練的冠心病患者其血清可溶性Klotho濃度顯著高于未訓練的冠心病患者，據此推測運動改善冠心病的效果可能是通過提高血清可溶性Klotho濃度實現的。

3.5 運動負荷

盡管之前的研究發(fā)現運動可提高血清可溶性Klotho的濃度，而且無論中強度還是大強度有氧運動都有效果，但是沒有研究對比不同運動負荷對可溶性Klotho的增加效果是否一樣。Stefania等[52]采用三種不同負荷（小、中和大負荷）有氧運動對大鼠進行為期四周的干預，結果發(fā)現三種負荷都能使大鼠血清可溶性Klotho濃度升高，但是運動負荷對可溶性Klotho的提高似乎沒有劑量依賴性，三種負荷下各組大鼠血清可溶性Klotho濃度相差不大。然而，我們并不知道更長時間的運動干預后，不同負荷運動對血清可溶性Klotho變化幅度是否有影響。

3.6 運動類型

運動類型可能對血清可溶性Klotho的濃度有一定的影響。一項研究[53]觀察了有氧運動和無氧運動對血清可溶性Klotho濃度的影響，這項研究的對象是15名國家級短跑運動員（平均24.2歲）和15名優(yōu)秀耐力運動員（平均24.7歲）。75%最大攝氧量跑臺運動后，有氧運動員（645 pg/ml）血清可溶性Klotho顯著高于無氧運動員（427 pg/ml）。因此，該研究認為有氧運動可刺激可溶性Klotho水平升高，而無氧運動可能沒有升高血清可溶性Klotho的效果，因而推薦人們進行有氧運動。然而，這項研究存在兩個問題，首先兩組實驗對象都是運動員，與非運動員相比，這兩種運動員急性運動后血清可溶性Klotho的變化處于什么水平？其次，兩組實驗對象都是在進行有氧運動后檢測的血清可溶性Klotho濃度，若是都進行無氧運動后再檢測會出現怎樣的變化尚不得而知。Ji等[54]發(fā)現中強度有氧運動和間歇有氧運動都可以提高大鼠大腦和腎臟Klotho的水平，且兩者對Klotho的提高效果相似，但是他們并未檢測血清中可溶性Klotho的變化。Ramez等[55]發(fā)現高強度間歇運動和中強度運動都能使大鼠血清Klotho濃度升高，其中高強度間歇運動后大鼠血清Klotho水平也顯著高于中強度運動組，表明高強度間歇運動可能對Klotho的影響更大。

目前沒有文獻報道力量訓練是否會影響血清可溶性Klotho的濃度，也沒有研究對比耐力運動與力量訓練對血清可溶性Klotho的影響效果。未來需進行這方面的研究。

4 總結與展望

運動和Klotho給人類帶來許多相似的益處，而多項研究表明運動可上調血清可溶性Klotho的水平，并且可改善年齡相關的癥狀和一些疾病。因此，Klotho可能是運動給人類帶來益處的關鍵性執(zhí)行因子。但是，目前沒有直接的證據表明運動后血清可溶性Klotho的升高與一些疾病的改善直接相關，只是分析了兩者的相關性。因此，今后應加強這方面的研究，印證兩者是否直接相關。此外，目前關于運動和血清可溶性Klotho之間關系的研究仍然不夠系統(tǒng)和嚴謹，許多問題仍未解決，如它的來源，骨骼肌是最大的運動器官，而骨骼肌中也表達Klotho，運動是否會導致骨骼肌表達的m-Klotho被剪切形成脫落型Klotho，隨后進入血液，從而升高血清可溶性Klotho水平？除了腎臟外，骨骼肌是不是血清可溶性Klotho來源之一？還有運動類型、運動強度、一次運動持續(xù)時間、長期或短期訓練等因素對血清可溶性Klotho的影響都有待進一步研究。此外，運動后Klotho是通過哪些途徑發(fā)揮其生物學作用的，涉及到的分子信號通路有哪些？作用的靶器官有哪些？在不同靶器官中Klotho的作用是否相同？

隨著老齡化的加劇，健康壽命無疑更應受到關注，運動能使生命更健康，但其機制還不明確。Klotho可能在運動促進健康壽命過程中發(fā)揮重要作用。揭示運動對Klotho的調控作用，闡明運動后血清可溶性Klotho的變化規(guī)律及機制，將進一步豐富運動促進健康壽命的理論依據。