αKlotho、钙磷稳态与衰老

【关键词】 衰老;钙磷稳态;αKlotho;维生素D

　　为什么会有衰老？它是如何发生发展的？有没有方法可以控制衰老？人类研究衰老已有数千年，但这些问题仍未找到答案。1997年在一种突变小鼠中意外发现了αKlotho基因，该基因的缺失导致血钙、血磷浓度升高、一系列类似衰老的表现和寿命缩短〔1〕。之后发现敲除成纤维生长因子（FGF）23基因的小鼠也有高血钙、高血磷及各种衰老表现和短寿命〔2〕，而敲除维生素D受体（VDR）基因的小鼠则表现为血钙和血磷浓度降低，但同样亦出现提前衰老和短寿命〔3〕，纠正钙磷紊乱可改善突变小鼠的这些异常表现〔4～7〕。上述研究表明钙磷稳态和衰老之间存在内在关联。由于αKlotho位于钙磷稳态调节系统的中心，与钙、磷、FGF23、维生素D等均有密切联系，且可延长小鼠寿命〔8〕，故本文从αKlotho出发对钙磷稳态与衰老的研究进展进行综述。

　　1 αKlotho基因简介

　　1.1 结构

　　人类αKlotho基因定位于染色体13q12〔1〕，长约50 kb，根据结构推测它编码一种Ⅰ型膜蛋白（分子量为70 kD），且该蛋白的细胞外区域结构类似于β葡萄糖苷酶〔9〕。但实际在细胞中检测到的αKlotho蛋白（αKl）主要以两种形式存在于细胞质内，一种分子量为120 kD，仅位于内质网，另一种分子量为135 kD，位于初级内体和高尔基体内，会被分泌到细胞外，可在血液、尿液、脑脊液中检测到〔10〕。

　　1.2 功能

　　αKlotho主要在肾脏、甲状旁腺和脉络丛等组织中表达〔11〕，敲除该基因会导致小鼠出现血钙、血磷、甲状旁腺激素（PTH）、FGF23和1，25(OH)2D浓度升高、降钙素浓度降低、骨密度下降、各种软组织（如皮肤、心脏、肾脏等）异位钙化、活动减少、听力障碍、动脉硬化、肺气肿、皮肤萎缩以及短寿命(平均寿命为60 d，最长不超过100 d)等异常表现〔1，4〕。αKlotho的主要功能为调节钙磷稳态，位于钙磷稳态调节系统的中心。

　　1.2.1 αKlotho与钙

　　①新型钙离子通道TRPV5。TRPV5是一种新发现的钙通道，αKl可水解其胞外的N连接糖残基，去除糖链末端的唾液酸，使其与胞外的半乳凝素结合，增加其在肾小管上皮细胞顶端膜的丰度，使Ca2+进入细胞增多，从而促进Ca2+的重吸收〔12〕。②Na+K+ATP酶。135 kD的αKl可与其结合成一种复合物。正常情况下，当细胞外钙浓度降低时，细胞膜的Na+K+ATP酶会立即增多，随之PTH分泌、Ca2+内流增多，而αKlotho突变纯合子（αkl-/）小鼠对细胞外Ca2+浓度降低的反应极弱，说明当细胞外钙浓度降低时，αKl可能与Na+K+ATP酶结合并向细胞膜转移，然后αKl解离、分泌，细胞膜的Na+K+ATP酶增多使PTH分泌增多、Na+梯度增加，继而Na+Ca2+交换增多使Ca2+向细胞内转移，游离的αKl又能促进肾脏对钙的重吸收，从而恢复钙的稳态〔10〕。

　　1.2.2 αKlotho与磷

　　血磷主要为无机磷（Pi），其浓度主要取决于近曲小管由Ⅱ型钠离子依赖性磷转运载体a（NaPiⅡa）介导的重吸收。PTH和 FGF23是NaPiⅡa的主要调节因子。其中FGF23可通过降低近端小管上皮细胞顶端膜上NaPiⅡa的丰度降低血磷〔13〕。2006年，有学者发现αKl可与FGF23结合并将FGF受体1(Ⅲc)转变为同FGF23具有高亲和力的受体〔14〕。随后又有研究表明FGF23仅能缓解FGF23-/小鼠的症状，而对FGF23//αkl-/ （同时敲除FGF23基因和αKlotho基因）和αkl-/小鼠没有作用，表明FGF23的作用依赖于αKl〔15〕。αKl还可与FGF23一起抑制1α羟化酶基因的表达，减少1，25(OH)2D的合成〔2〕。

　　2 αKlotho、钙磷稳态与衰老

　　2003年，Tsujikawa等〔4〕发现限制维生素D的摄入可使αkl-/小鼠血钙、血磷、1，25(OH)2D浓度恢复正常、纠正各种衰老表现并延长其寿命（生存15周以上）。而限制磷的摄入可纠正FGF23-/小鼠的高磷血症、各种衰老表现并延长其寿命〔7〕，增加钙、磷的摄入可升高VDR-/小鼠血钙、血磷浓度并延长其寿命〔16〕，说明这些小鼠的衰老表现和短寿命继发于血钙、血磷和1，25(OH)2D的浓度异常。

　　2.1 钙与衰老

　　钙与骨质疏松的关系最引人注目，但骨质疏松并非衰老的原因，也不是上述突变小鼠的主要死因。机体衰老时不仅骨钙会减少，细胞内钙也会发生异常，如衰老时神经元细胞内Ca2+浓度增加〔17〕，心肌细胞的钙瞬变幅度降低、时间缩短，钙火花发生频率增加〔18〕，这些电生理改变与结构和功能的异常密切相关。钙在机体内作用广泛，尤其是细胞内Ca2+，作为一种第二信使参与各种重要的生命活动，它的异常无疑会打乱整个信号通路网络，导致各种问题。αkl-/小鼠就存在这些问题。它的红细胞由于细胞内钙浓度增高导致细胞体积缩小，对氧化应激和葡萄糖缺乏的耐受力下降，而网织红细胞增多，表明红细胞的功能衰退、寿命缩短〔19〕。另外，20 h的束缚应激可使2/3的αkl-/小鼠发生猝死，同时伴有窦房结功能障碍（窦房传导阻滞或窦性停搏）。在体外，与正常同龄野生型小鼠相比，乙酰胆碱对其窦房结有较强的负性频率作用，而异丙肾上腺素对其的正性频率作用较弱。在心脏中αKlotho基因仅在窦房结表达，但尸检未发现窦房结结构异常，说明其窦房结功能障碍可能由电生理异常所致〔11〕。

　　2.2 磷与衰老

　　磷与衰老的具体关系还不清楚，但根据它在生命活动中的重要作用（参与能量代谢、核酸和脂质双分子层的合成、信号传导等），限制磷的摄入（仅纠正高磷血症，血钙、1，25(OH)2D的浓度仍异常）即可纠正FGF23-/小鼠的各种衰老表现并延长其寿命〔7〕，可以推测它也是衰老过程中的一个重要角色。

　　2.3 维生素D与衰老

　　维生素D缺乏时骨质疏松、高血压、肿瘤发生的风险增加，VDR-/小鼠也有这些表现〔20〕，但它们既不是突变小鼠的主要死因，也不是衰老的原因。对于各种生物而言，抑制胰岛素和胰岛素样生长因子（IGF）1的信号传导均可抑制衰老。αkl-/小鼠与同龄正常野生型小鼠相比，血糖和胰岛素水平降低，胰岛素敏感性升高，打乱胰岛素和IGF1的信号传导可改善αkl-/小鼠的症状，限制维生素D的摄入可使血糖和胰岛素水平恢复正常，纠正各种衰老表现并延长其寿命，说明胰岛素和IGF1信号通路的异常继发于维生素D浓度升高，提示胰岛素和IGF1信号通路可能是维生素D调节衰老的一个重要途径〔4，8〕。

　　2.4 αKlotho与衰老

　　αKlotho基因可能还有独立于钙、磷、维生素D以外的作用。转基因技术高表达αKlotho基因可使小鼠对IGF1产生抵抗，寿命延长18.8％～ 30.8％〔8〕，在体外αKl可抑制胰岛素和IGF1的信号通路的活化以及乳腺癌细胞的增殖〔21〕，说明也许αKlotho本身即可通过胰岛素和IGF1信号通路抑制衰老。此外，αKlotho还有心血管和肾脏保护作用。在体外αKl可抑制肿瘤坏死因子（TNF）α诱导的内皮细胞黏附分子的表达和核因子（NF）κB的活化〔22〕，在体内它可改善自发性2型糖尿病大鼠(OLETF)大鼠的内皮功能、增加一氧化氮的生成、降低血压〔23〕。通过转基因技术使肾小球肾炎小鼠(ICGN)小鼠过度表达αKlotho基因可明显改善其肾脏的功能和形态学损害，将其40 w生存率由30%升至70%〔24〕。这些研究表明αKlotho的心血管和肾脏保护功能也可能是其抗衰老的机制。
　　
　　3 结 语

　　钙磷稳态不仅仅是指血钙、血磷的浓度正常，而是指包括骨钙、骨磷、血钙、血磷、细胞内钙、磷、αKlotho、维生素D、各种信号通路等在内的一个完整系统的整体的平衡。衰老不是一个独立的奇怪现象，它和生长发育一样是连续的生命中的一个阶段，是受基因调控的一个精确的过程。维持钙磷稳态的平衡对控制衰老至关重要。尽管现在我们对钙磷稳态和衰老有了一些认识，但仍欠全面、详细，随着研究的不断进展，调节钙磷稳态的完整网络和衰老的具体机制终将被探明，继而应用于临床，帮助我们除人类之病痛，助健康之完美。

参考文献

　　1 Kuroo M，Matsumura Y，Aizawa H，et al.Mutation of the mouse klotho gene leads to a syndrome resembling ageing〔J〕.Nature，1997；390(6655)：4551.

　　2 Shimada T，Kakitani M，Yamazaki Y，et al.Targeted ablation of FGF23 demonstrates an essential physiological role of FGF23 in phosphate and vitamin D metabolism〔J〕.J Clin Invest，2004；113(4)：5618.

　　3 Yoshizawa T，Handa Y，Uematsu Y，et al.Mice lacking the vitamin D receptor exhibit impaired bone formation，uterine hypoplasia and growth retardation after weaning〔J〕.Nat Genet，1997；16(4)：3916.

　　4 Tsujikawa H，Kurotaki Y，Fujimori T，et al.Klotho，a gene related to a syndrome resembling human premature aging，functions in a negative regulatory circuit of vitamin D endocrine system〔J〕.Mol Endocrinol，2003；17(12)：2393403.

　　5 Li YC，Amling M，Pirro AE，et al.Normalization of mineral ion homeostasis by dietary means prevents hyperparathyroidism，rickets，and osteomalacia，but not alopecia in vitamin D receptorablated mice〔J〕. Endocrinology，1998；139(10)：43916.

　　6 Hesse M，Frohlich LF，Zeitz U，et al.Ablation of vitamin D signaling rescues bone，mineral，and glucose homeostasis in FGF23 deficient mice〔J〕. Matrix Biol，2007；26(2)：7584.

　　7 Stubbs JR，Liu S，Tang W，et al.Role of hyperphosphatemia and 1，25dihydroxyvitamin D in vascular calcification and mortality in fibroblastic growth factor 23 null mice〔J〕.J Am Soc Nephrol，2007；18(7)：211624.

　　8 Kurosu H，Yamamoto M，Clark JD，et al.Suppression of aging in mice by the hormone Klotho〔J〕.Science，2005；309(5742)：182933.

　　9 Matsumura Y，Aizawa H，ShirakiIida T，et al.Identification of the human klotho gene and its two transcripts encoding membrane and secreted klotho protein〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，1998；242(3)：62630.

　　10 Imura A，Tsuji Y，Murata M，et al.alphaKlotho as a regulator of calcium homeostasis〔J〕.Science，2007；316(5831)：16158.

　　11 Takeshita K，Fujimori T，Kurotaki Y，et al.Sinoatrial node dysfunction and early unexpected death of mice with a defect of klotho gene expression〔J〕.Circulation，2004；109(14)：177682.

　　12 Cha SK，Ortega B，Kurosu H，et al.Removal of sialic acid involving Klotho causes cellsurface retention of TRPV5 channel via binding to galectin1〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA，2008；105(28)：980510.

　　13 Hernando N，Biber J，Forster I，et al.Recent advances in renal phosphate transport〔J〕.Ther Apher Dial，2005；9(4)：3237.

　　14 Urakawa I，Yamazaki Y，Shimada T，et al.Klotho converts canonical FGF receptor into a specific receptor for FGF23〔J〕.Nature，2006；444(7120)：7704.

　　15 Nakatani T，Sarraj B，Ohnishi M，et al.In vivo genetic evidence for klothodependent，fibroblast growth factor 23 (FGF23)mediated regulation of systemic phosphate homeostasis〔J〕.FASEB J，2009；23(2)：43341.

　　16 Simpson RU，Hershey SH，Nibbelink KA.Characterization of heart size and blood pressure in the vitamin D receptor knockout mouse〔J〕.J Steroid Biochem Mol Biol，2007；103(35)：5214.

　　17 Kawahara M，NegishiKato M，Sadakane Y.Calcium dyshomeostasis and neurotoxicity of Alzheimer′s betaamyloid protein〔J〕.Expert Rev Neurother，2009；9(5)：68193.

　　18 Howlett SE，Grandy SA，Ferrier GR.Calcium spark properties in ventricular myocytes are altered in aged mice〔J〕.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2006；290(4)：H156674.

　　19 Kempe DS，Ackermann TF，Fischer SS，et al.Accelerated suicidal erythrocyte death in Klothodeficient mice〔J〕.Pflugers Arch，2009；458(3)：50312.

　　20 Tuohimaa P.Vitamin D and aging〔J〕.J Steroid Biochem Mol Biol，2009；114(12)：7884.

　　21 Wolf I，LevanonCohen S，Bose S，et al.Klotho：a tumor suppressor and a modulator of the IGF1 and FGF pathways in human breast cancer〔J〕. Oncogene，2008；27(56)：7094105.

　　22 Maekawa Y，Ishikawa K，Yasuda O，et al.Klotho suppresses TNFalphainduced expression of adhesion molecules in the endothelium and attenuates NFkappaB activation〔J〕.Endocrine，2009；35(3)：3416.

　　23 Saito Y，Nakamura T，Ohyama Y，et al.In vivo klotho gene delivery protects against endothelial dysfunction in multiple risk factor syndrome〔J〕. Biochem Biophys Res Commun，2000；276(2)：76772.

　　24 Haruna Y，Kashihara N，Satoh M，et al.Amelioration of progressive renal injury by genetic manipulation of Klotho gene〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA，2007；104(7)：23316.