鄧小琴，楊秋晨，唐 蕓綜述，馬厚勛審校

（重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院老年病科，重慶400016）

K lotho基因與骨質疏松關系研究進展

鄧小琴，楊秋晨，唐 蕓綜述，馬厚勛審校

（重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院老年病科，重慶400016）

基因； 骨質疏松； 多態(tài)性，遺傳； 磷/代謝； 綜述

骨質疏松癥是隨年齡增長出現(xiàn)的一種病理生理現(xiàn)象。目前，全世界約有2億人患骨質疏松癥。WHO定義骨質疏松是一種以骨量降低和骨微結構破壞為特征，導致骨脆性增加，易發(fā)生骨折為特征的全身性骨病。遺傳基因對骨代謝平衡調控方面起重要作用[1]，克老素（KL）是與壽命和各種衰老表型相關的基因，有研究表明在小鼠體內過表達可以抗衰老、延長壽命，而對KL鼠研究發(fā)現(xiàn)KL蛋白低表達加速皮膚、肌肉萎縮、動脈硬化、骨質疏松等衰老過程[2-3]。但KL與骨質疏松的關系及其與骨代謝的調節(jié)作用正在進一步研究中，近幾年有學者從基因多態(tài)性、信號通路等研究骨質疏松和KL，這些前期研究可指導易感基因人群預防骨質疏松，且可針對基因水平研究骨質疏松治療。

1 KL生物學特征

KL編碼一條單鏈的跨膜蛋白（主要由腎小管分泌），以2種存在形式，即膜蛋白和分泌型蛋白；膜蛋白參與成纖維細胞生長因子23（FGF23）相關的鈣、磷骨代謝過程，其分泌型分布在血液、尿液中，作為一種體液因子作用于細胞表面多種糖蛋白，如離子通道、胰島素及類胰島素生長因子受體等[3]。

KL基因缺陷小鼠其骨組織出現(xiàn)類似于原發(fā)性骨質疏松癥改變，而在不同人群其KL基因單核苷酸多態(tài)性與骨密度也有明確相關性，提示原發(fā)性骨質疏松癥的發(fā)生、發(fā)展可能與KL基因表達異常有關。

2 KL基因多態(tài)性與骨質疏松

人的骨密度是機體基因和環(huán)境共同相互作用的結果，實際上Ralston等[4]認為基因在骨密度（BMD）方面扮演著重要的作用，并且不同基因在不同年齡階段、不同生理階段及不同性別間起著不同作用。多中心研究表明在KL-/-小鼠中可出現(xiàn)類似人類衰老的各種表型，包括骨質疏松，由此推測KL基因多態(tài)可能與骨質疏松有關[4-5]。Kawano等[5]早期研究報道在55例大于65歲絕經(jīng)期婦女的小樣本中提示KL基因可能與骨質疏松有關。隨后Mullin等[6]報道了1 190例白種人絕經(jīng)后婦女KL基因多態(tài)性與骨形成、骨吸收的生物指標、骨結構（包括髖骨、股骨頸的BMD）、骨折發(fā)生率，結果顯示KLC1775G＞ A、IVS1+8262C＞T、C387T的基因多態(tài)性與骨結構、骨折及骨吸收標志物無相關性，但C1775G攜帶者的骨鈣素水平低于A等位基因攜帶者，提示KL基因產物可能影響了成骨細胞活性，而未影響破骨細胞活性，其結果表現(xiàn)為BMD及微結構未受影響，即未出現(xiàn)骨質疏松樣改變，但也不排除其他基因及環(huán)境等綜合因素對BMD的維持。為此，KL基因上述位點是否與人體BMD有關，還有待進一步研究加以證實。

有關在KL F352V與BMD的關系方面研究中，Zarrabeitia等[7]通過檢測362例西班牙男性的F352V基因型和各部位（包括腰椎、股骨頸、髖骨和跟骨）的BMD，其研究發(fā)現(xiàn)攜帶FV+VV基因型的BMD與FF攜帶者的無明顯區(qū)別，但在年齡小于或等于53歲的中、青年人群中，F(xiàn)V+VV基因型攜帶者的BMD明顯高于FF基因型，提示KL基因多態(tài)性是影響B(tài)MD的遺傳因素之一。Riancho等[8]研究表明在女性群體中F352V基因型和BMD的關系與絕經(jīng)狀態(tài)有關，即在絕經(jīng)前婦女的F352V基因型和BMD無關，絕經(jīng)后攜帶FV+VV基因型的婦女BMD較FF基因型攜帶者高。由此推測F352V多態(tài)性與絕經(jīng)后婦女BMD有一定的關系，而FF基因型可能是其骨質疏松的遺傳危險因素。日本學者Yamada等[9]研究發(fā)現(xiàn)KLG-395A基因型同樣與絕經(jīng)狀態(tài)有關，絕經(jīng)后日本婦女GG基因型BMD明顯低于AA基因型，但在絕經(jīng)前卻無明確關聯(lián)，提示在該群體婦女中KL基因G-395A基因型是導致骨量減少的敏感基因。田小春等[10]研究KLG-395A SNP與原發(fā)性骨質疏松癥的相關性時，還發(fā)現(xiàn)KLG-395A SNPAA等位基因型與男性老年人骨質疏松癥有關。

3 KL基因表達產物與骨質疏松

有關于腺病毒介導的KL基因表達對去勢大鼠Runx2及基質金屬蛋白酶-13（MMP-13）表達的影響的研究，其中Runx2是一種骨特異性轉錄因子，在骨組織的形成和重建方面起重要作用[11-12]，Runx2啟動子的活性與BMD有關，研究表明其P2啟動子活性越高，BMD越高[13-14]；而MMP為骨分解代謝的指標，在破骨細胞移行和骨基質吸收發(fā)面發(fā)揮重要作用。王艷嬌等[15]通過對腺病毒介導的KL基因表達對去勢大鼠Runx2及MMP-13研究時，發(fā)現(xiàn)腺病毒介導的KL基因表達組（KO組）與對照組比較，其骨組織Runx2表達上升，而MMP-13表達下降，但與假手術組比較無明顯差異；骨微結構方面，KO組相比于對照組其骨小梁數(shù)目增多，骨質排列等形態(tài)結構較對照組明顯改善，且其骨髓腔內造血細胞數(shù)較前增多，脂肪細胞減少。上述研究結果表明KL基因表達上調可明顯改善去勢大鼠骨代謝及骨微結構改變，具體原因尚不明確，可能與其分泌型KL蛋白經(jīng)血液循環(huán)到達骨組織影響成骨、破骨相關信號通路而發(fā)揮骨代謝調控作用有關。

4 KL對骨代謝的影響

4.1 KL分泌蛋白、FGF23對鈣磷代謝的調節(jié)

4.1.1 血清磷調節(jié) FGF23是一種具有激素作用的利磷因子，一種參與血磷代謝調節(jié)的細胞因子，同時可抑制骨化三醇的生物合成，主要由骨細胞產生，其通過遠距離調節(jié)腎臟對磷的重吸收而有效維持機體血磷穩(wěn)態(tài)。當機體的血磷濃度降低時，機體通過以下途徑來維持磷內環(huán)境穩(wěn)定[16]：（1）首先通過甲狀旁腺激素（PTH）分泌減少從而減少尿磷的排泄，其次通過減低FGF23活性（FGF23的生物學效應是其分泌增多促進尿磷排泄，分泌降低減少尿磷排泄），即FGF23刺激鈉/磷共同轉運體（NPT2a和NPT2c）促進尿磷重吸收。（2）另外FGF23合成減少反向導致1，25-二羥維生素D3[1，25（OH）2D3]增多，從而促進鈣、磷吸收。已有研究表明腎臟分泌的Klotko蛋白也參與磷穩(wěn)態(tài)調節(jié)過程，其通過與成纖維細胞生長因子受體1（FGFR1）結合促進FGF23分泌并抑制1，25（OH）2D3的合成來降低血磷，從而參與磷代謝調節(jié)；另一方面KL在骨代謝方面，通過作用于腎小管上皮細胞的鈣通道（TRPV5）刺激骨吸收及骨磷釋放而維持血磷穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)高濃度的1，25（OH）2D3不僅可以刺激破骨細胞分化導致骨吸收和骨磷釋放，也可以刺激骨FGF23合成來控制骨吸收過程，從而來維持磷代謝穩(wěn)定。

4.1.2 血鈣調節(jié) PTH通過3條途徑即PTH促進尿鈣重吸收，1，25（OH）2D3合成，骨重建等維持血清鈣的平衡[16]。KL產物KL蛋白在腎臟高表達后作用于TRPV5促進鈣內流，KL不僅刺激腎臟遠曲小管重吸收鈣，維持TRPV5的穩(wěn)定性；也通過促進小腸TRPV6的表達及作用，進而促進小腸對鈣的重吸收。在骨代謝方面，KL通過破骨細胞途徑促進骨重吸收，并通過TRPV5通道使骨鈣釋放；另外1，25（OH）2D3升高刺激破骨細胞分化、骨重吸收、骨鈣釋放。

4.2 KL對骨、礦物質及維生素D代謝的調節(jié) 有研究表明KL通過如下機制參與骨、礦物質及維生素D代謝的調節(jié)：（1）KL作為一種FGFR1的輔助因子參與FGF23信號轉導過程及調節(jié)甲狀旁腺激素的分泌[17-19]。（2）干擾胰島素及胰島素生長因子-1的細胞內信號轉導。（3）類似于β葡萄糖苷酸酶與TRPV5的糖基結合而激活離子通道TRPV5，從而調節(jié)腎對鈣、磷吸收。因此KL、FGF23調控著機體骨-腎分泌軸。

KL蛋白能與各種FGFRs結合[17]，KL是作為一種輔助因子誘導FGF23受體激活，從而發(fā)揮其生物學效應[20]，有研究表明KL蛋白細胞外區(qū)域間接增強FGF23與其受體復合物（Klotho-FGFRs）結合的親和力[18-19]。另有臨床研究表明，F(xiàn)GF23過多可導致多種低磷血癥疾病，如FGF23活性缺乏導致高磷血癥性瘤樣鈣化[21]。通過在體基因操縱研究顯示缺乏FGF23的小鼠和缺乏KL小鼠均出現(xiàn)血清維生素D增加及礦物離子穩(wěn)態(tài)改變；但通過飲食限制或基因人工操作途徑，消除或減少血清FGF23水平和KL突變小鼠的維生素D活性，便可延緩早衰相似特征和異位鈣化，并且延長其生存期[22-23]，上述結果表明過度的維生素D活性和礦物離子穩(wěn)態(tài)改變能夠加速衰老進程。

Shalhoub等[24]研究發(fā)現(xiàn)FGF23和Alpha-KL刺激成骨MC3T3.E1細胞增殖，抑制骨基質礦化作用。FGF23在成骨細胞的過表達抑制骨質礦化，研究者運用外源性的FGF23/KL作用于MC3T3.E1細胞，分為四組：MC3T3.E1+ FGF23（0.1～1 000.0 ng/mL）、MC3T3.E1+KL（50 ng/mL）、MC3T3.E1+KL（50 ng/mL）+FGF23（0.1～1 000.0 ng/mL）及對照組MC3T3.E1+FGF23（100 ng/mL），空白組在培養(yǎng)4 d時細胞增殖受影響，培養(yǎng)14 d時礦化受影響，KL+FGF23在14 d時骨礦化和成骨細胞活性均受影響，但細胞增殖是可恢復的，堿性磷酸酶活性完全恢復可能在7 d左右，堿性磷酸酶（ALP）活性部分恢復通過MAPK抑制劑U0126，因此可溶性KL可能通過FGFR1通路使FGF23作用于MC3T3.E1細胞；另外FGF23通過間接磷丟失影響骨代謝，F(xiàn)GF23+可溶性KL在那些導致血清高FGF23水平的疾病中，可直接損害骨質。有體外實驗還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF23過度表達不僅抑制成骨細胞分化還抑制骨基質礦化，提示FGF23過表達抑制骨形成[25]。

4.3 KL對骨細胞及骨轉換的影響 Kawaguchi等[26]早在2002年就KL基因缺陷老鼠低轉換型骨量減少的分子和細胞水平的機制進行了研究，其在試驗中觀察到KL-/-小鼠骨量減少同時伴隨有低骨轉換率存在，其骨吸收大于骨形成進而導致骨小梁變稀疏；在病理生理學上類似于因衰老導致的骨質疏松表現(xiàn)。在進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，來自KL-/-鼠的成骨細胞在體外培養(yǎng)時能夠正常增殖，但其ALP活性和基質礦化與對照組比較卻明顯降低；對于來自KL-/-鼠的破骨細胞體外培養(yǎng)有正常的骨吸收活性和存活率，但是從骨母細胞分化成破骨細胞過程明顯發(fā)生紊亂：在來自KL-/-鼠成骨細胞和破骨母細胞的共培養(yǎng)過程中，有破骨細胞活性的抗酒石酸酸性磷酸酶陽性的多核破骨細胞極少。提示KL-/-小鼠KL表達產物缺乏導致成骨細胞和破骨細胞單獨分化障礙，這也可能是骨質疏松低轉換率的原因所在。

國外學者Suzuki等[27]研究發(fā)現(xiàn)KL基因缺陷小鼠其骨組織出現(xiàn)類似于原發(fā)性骨質疏松癥改變，通過透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在KL基因缺陷小鼠，其平扁的成骨細胞呈散在分布于干骺端骨小梁區(qū)；與野生型小鼠相比，其成骨細胞中已發(fā)育良好的細胞器則更少，干骺端骨小梁區(qū)未礦化基質增多、鈣磷沉積呈散在而不均勻分布，說明KL缺乏不僅使其成骨細胞數(shù)量減少，而且影響了成骨細胞功能，干擾了骨礦化，進而影響骨代謝過程，即提示原發(fā)性骨質疏松癥的發(fā)生、發(fā)展可能與KL基因表達異常有關。

綜上，KL、α-KL和FGF23主要是調節(jié)血磷、血鈣、維生素D3穩(wěn)態(tài)以及骨的礦化等，其中機體各激素的穩(wěn)態(tài)是維持骨代謝的基礎，說明以上因子與原發(fā)性骨質疏松癥的發(fā)生有一定關聯(lián)。但其在骨代謝調節(jié)中的具體發(fā)生、發(fā)展機制目前尚未完全清楚，有待進一步研究。

5 小 結

目前關于KL基因與骨質疏松癥的研究主要集中在：（1）基因多態(tài)性，其中可能與骨質疏松有關的基因型有F352V、G-395A，但仍受種族、性別、激素水平影響，以上因素相互作用從而導致研究結果多樣化，但相關研究仍提示KL基因多態(tài)性在骨質疏松的發(fā)生發(fā)展起著主要作用；（2）KL、FGF23對骨、礦物質及維生素D代謝的調節(jié)起重要作用。機體內KL、FGF23、α-KL水平穩(wěn)定是預防骨質疏松癥的關鍵，骨質疏松癥的發(fā)生發(fā)展正是以上激素水平紊亂所致。其具體機制仍在進一步研究中，以上結論對于臨床骨質疏松癥的防治具有指導作用。

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2014-12-10）

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鄧小琴（1987-），女，重慶渝北人，碩士研究生，主要從事基因與衰老相關研究；E-mail：28703100@qq.com。