1950年，Gloor發(fā)現(xiàn)了一種能導(dǎo)致果蠅身體嚴(yán)重畸形的突變，命名為Krüppel，意為“跛子”。隨后，Nüsslein-Volhard和Wieschaus發(fā)現(xiàn)Krüppel突變在胚胎發(fā)育早期阻礙果蠅體細(xì)胞分裂，具胚胎致死性[1]。哺乳動物基因組中與Krüppel同源的基因被稱為Krüppel樣因子(KLF)，其羧基末端高度保守，具有三個串聯(lián)的Cys2His2鋅指結(jié)構(gòu)，通過與富含GC的DNA序列相互作用介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄活性。

人類基因組包含17個KLF編碼基因，根據(jù)功能差異可分為三組：第1組為轉(zhuǎn)錄抑制因子，KLF3、-8和-12；第2組為轉(zhuǎn)錄激活因子，KLF1、-2、-4、-5、-6和-7；第3組的KLF能結(jié)合并增強(qiáng)共抑制蛋白SIN3A活性，KLF9、-10、-11、-13、-14和-16；而KLF15和KLF17因功能尚未完全闡明，未被進(jìn)行歸類[2]。除KLF1僅特異性表達(dá)于造血細(xì)胞，其他家族成員廣泛表達(dá)。KLFs的生物功能具有高度多樣性，包括調(diào)節(jié)細(xì)胞生長，分化和死亡; 內(nèi)皮和上皮功能; 脂肪和糖代謝和線粒體功能等[2]。近來，KLFs在腎臟中的表達(dá)和功能被廣泛研究，顯微切割腎單位的不同節(jié)段并進(jìn)行基因表達(dá)譜深度測序，揭示了KLFs在腎單位不同節(jié)段的表達(dá)模式，越來越多的研究關(guān)注KLFs在腎臟中的功能。

KLFs在腎單位發(fā)育中作用

KLFs作為轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、發(fā)育和程序性死亡，最初發(fā)現(xiàn)果蠅KLF純合突變導(dǎo)致胚胎胸部和前腹部發(fā)育異常，隨后在哺乳動物小鼠中發(fā)現(xiàn)，紅系Krüppel樣因子(EKLF)對胚胎肝臟紅細(xì)胞生成的最后步驟至關(guān)重要，EKLF-/-純合小鼠將發(fā)生致命的β地中海貧血[3]。此外，KLF4表達(dá)與生長停滯有關(guān)，最早發(fā)現(xiàn)在生長停滯的小腸上皮細(xì)胞中差異表達(dá)[4]，隨后證實(shí)其在多種上皮細(xì)胞中通過誘導(dǎo)細(xì)胞周期G1/S停滯起負(fù)性調(diào)控細(xì)胞增殖的作用[5]。

在腎臟發(fā)育過程中，轉(zhuǎn)錄因子環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)、p53和KLF4及共激活因子CREB結(jié)合蛋白(CBP)之間協(xié)同相互作用，調(diào)控緩激肽B2受體(B2R)基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控腎單位的終末分化和正常功能[6]。小鼠胚胎發(fā)育早期，Klf6在Wolffian導(dǎo)管、輸尿管芽、集合管和系膜中選擇性表達(dá)，這種表達(dá)模式表明Klf6可能在腎臟，特別是腎臟集合管系統(tǒng)的發(fā)育中起作用[7]。此外，KLF12表達(dá)于遠(yuǎn)端小管中，特別是內(nèi)髓集合管，參與了出生后集合管的成熟，研究發(fā)現(xiàn)KLF12在出生后15d開始上調(diào)并通過增強(qiáng)尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A1(UT-A1)而非上皮鈉通道(ENaC)的啟動子活性來調(diào)控其表達(dá)[8]。

KLFs與腎小球損傷

腎小球?yàn)V過功能障礙是慢性腎臟病的主要特征之一，足細(xì)胞是具有有限復(fù)制能力的高度分化和生長停滯的細(xì)胞，維持腎小球?yàn)V過屏障的完整性，其損傷參與多種腎臟疾病進(jìn)程，如局灶節(jié)段性腎小球硬化(FSGS)、HIV相關(guān)性腎病(HIVAN)和糖尿病腎病等。足細(xì)胞特異基因和裂孔膜相關(guān)基因的啟動子保守性分析顯示存在共同的KLF結(jié)合位點(diǎn)，提示KLF家族蛋白在特異性調(diào)控足細(xì)胞功能中的潛在作用[9]。

KLF15也稱腎臟富集的KLF，是一種足細(xì)胞分化調(diào)節(jié)因子，KLF15基因缺陷將導(dǎo)致足細(xì)胞損傷易感性增加[10]。ChIP結(jié)果顯示KLF15能夠通過結(jié)合足細(xì)胞表面標(biāo)志物(nephrin、synaptopodin和podocin)的啟動子區(qū)，誘導(dǎo)足細(xì)胞分化，作為關(guān)鍵調(diào)控因子參與維甲酸的腎臟足細(xì)胞保護(hù)過程[10]。糖皮質(zhì)激素(GC)是治療原發(fā)性腎小球病變的主要治療手段，可誘導(dǎo)KLF15表達(dá)并增加糖皮質(zhì)激素受體與KLF15啟動子的親和性，參與激素介導(dǎo)的足細(xì)胞損傷修復(fù)過程。此外，腎小球中KLF15的低表達(dá)與原發(fā)性FSGS和微小病變患者的激素抵抗相關(guān)，提示其可作為預(yù)測GC治療反應(yīng)性的潛在標(biāo)志物[11]。

線粒體穩(wěn)態(tài)對維持高能量代謝需求的足細(xì)胞正常功能至關(guān)重要，對HIV感染的足細(xì)胞和HIV轉(zhuǎn)基因小鼠腎小球轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)KLF家族成員中僅KLF6表達(dá)發(fā)生顯著改變且呈明顯低表達(dá)。特異性足細(xì)胞Klf6敲除的C57BL/6小鼠品系具有FSGS易感性[12]，KLF6調(diào)控線粒體細(xì)胞色素C裝配基因SCO2，是一種早期損傷應(yīng)答基因，對應(yīng)激時維持線粒體功能、防止細(xì)胞色素C釋放和內(nèi)源性凋亡途徑激活至關(guān)重要[12]。

KLF4與其他3種多能重編程因子(OCT4，SOX2和c-MYC)的異位表達(dá)能誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(iPS)。腎臟中，KLF4表達(dá)于足細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，研究發(fā)現(xiàn)蛋白尿小鼠模型和腎病綜合征患者腎活檢組織中KLF4表達(dá)降低[13]。通過Klf4質(zhì)粒轉(zhuǎn)染和足細(xì)胞特異性四環(huán)素誘導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)阿霉素腎病(ADR)小鼠的Klf4表達(dá)，或使用血管緊張素Ⅱ受體拮抗劑(ARB)治療后，能抑制nephrin啟動子的甲基化并減少小鼠尿蛋白，提示KLF4對足細(xì)胞特異基因的表觀調(diào)控作用[13]。

KLF6和KLF15在系膜細(xì)胞中也發(fā)揮重要功能。在后腎發(fā)育過程中，Klf6表達(dá)于Wolffian導(dǎo)管和輸尿管芽及其分支，分化早期階段小球中并不表達(dá)，但隨著不斷發(fā)育在毛細(xì)血管階段可表達(dá)于小球系膜細(xì)胞[7]。在C5b-9復(fù)合物介導(dǎo)的腎小球系膜細(xì)胞損傷中，ATF3可通過上調(diào)KLF6和Gadd45α的表達(dá)參與系膜細(xì)胞凋亡[14]。此外，在Thy-1大鼠模型中，KLF15可能通過E2F1調(diào)節(jié)細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白(CDK2和cyclin D1)的表達(dá)抑制系膜細(xì)胞增殖，提示其可成為系膜增生性腎小球腎炎治療干預(yù)的潛在靶點(diǎn)[15]。

KLFs與腎小管間質(zhì)病變及纖維化

CLC-K1和CLC-K2是在大鼠腎臟特異表達(dá)的CLC型氯離子通道，稱為CLC-K，主要分布于髓袢，KLF15通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控myc相關(guān)鋅指蛋白(MAZ)抑制CLC-K1和CLC-K2氯離子通道的表達(dá),故KLF15蛋白定位于在不表達(dá)CLC-K的腎臟細(xì)胞中[16]。KLF12也表達(dá)于遠(yuǎn)端小管中，特別是內(nèi)髓集合管，參與了出生后集合管的成熟[8]。然而，目前尚不明確KLF12或KLF15是否參與氯化物或尿素轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，Lee等[17]的基因表達(dá)譜分析結(jié)果顯示，與其他KLFs相比，KLF9和KLF10在腎單位的部分節(jié)段中顯著高水平表達(dá)。在體外培養(yǎng)的小鼠遠(yuǎn)端小管上皮細(xì)胞中KLF9為鹽皮質(zhì)激素受體的潛在下游靶點(diǎn)，但仍需進(jìn)一步的研究來評估這些鋅指蛋白是否參與腎臟離子通道病變。

TGF-β信號是上皮細(xì)胞周期阻滯和上皮細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)換(EMT)的共同調(diào)節(jié)因子，KLF4與 TGF-β呈現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)的特性。一方面，在高糖刺激的人近端腎小管細(xì)胞中過表達(dá)KLF4，能抑制TGF-β介導(dǎo)的炎癥相關(guān)蛋白巨噬細(xì)胞移動抑制因子(MIF)和單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)表達(dá)的增加[18]。在巨噬細(xì)胞中，KLF4能與Smad3競爭共激活因子p300/cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白，從而抑制TGF-β轉(zhuǎn)錄。另一方面，KLF4的功能受轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，TGF-β1通過經(jīng)典和非經(jīng)典途徑誘導(dǎo)血管平滑肌中KLF4磷酸化，形成KLF4-Smad2 復(fù)合物，共激活TGF-β1受體[19]。TGF-β還能通過Cdh1/APC信號通路介導(dǎo)KLF4的泛素化和蛋白酶體的降解[20]。此外，體內(nèi)體外研究發(fā)現(xiàn)Dnmt1參與TGF-β1介導(dǎo)的KLF4啟動子甲基化過程，促進(jìn)腎臟上皮細(xì)胞的EMT，而過表達(dá)KLF4能誘導(dǎo)E-cadherin和ZO-1的表達(dá)，下調(diào)α-SMA和成纖維細(xì)胞特異蛋白-l(FSP-1)表達(dá)，從而抑制EMT過程[21]。

KLF5主要在集合管上皮細(xì)胞中表達(dá)，與CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBPα)協(xié)同作用參與炎癥和纖維化過程。Klf5+/-單倍劑量不足的小鼠在單側(cè)輸尿管結(jié)扎術(shù)后表現(xiàn)為腎臟保護(hù)作用，伴隨巨噬細(xì)胞M1型向M2型的明顯轉(zhuǎn)變，腎臟纖維化較輕[22]。Chen等[23]研究發(fā)現(xiàn)，單側(cè)輸尿管梗阻模型中基質(zhì)硬度調(diào)節(jié)Klf5/Klf4表達(dá)，增加小鼠近端腎小管細(xì)胞的基質(zhì)硬度導(dǎo)致Klf5的顯著上調(diào)伴隨Klf4的下調(diào)，參與腎纖維化進(jìn)程。基質(zhì)剛度增加時，可激活ERK信號，誘導(dǎo)Yes相關(guān)蛋白1(YAP1)核移位并阻礙KLF5降解，而降低基質(zhì)剛度則直接抑制ERK/YAP1/Klf5/cyclin D1軸。

除調(diào)控足細(xì)胞中線粒體功能外，KLF6還表達(dá)于腎近端小管細(xì)胞。KLF6可轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)肝纖維化中的TGF-β表達(dá)。在糖尿病Ren-2大鼠模型和高糖刺激的近端小管細(xì)胞中Klf6表達(dá)增加，在體外培養(yǎng)的近端小管細(xì)胞中過表達(dá)Klf6，能促進(jìn)TGF-β1表達(dá)并且促進(jìn)EMT[24]。

KLF15在高蛋白飲食喂養(yǎng)的5/6腎切除大鼠的腎間質(zhì)中低表達(dá)，限制蛋白飲食能增加KLF15的表達(dá)，減輕5/6腎切除大鼠腎纖維化[25]。體外研究已證實(shí)KLF15能通過ERK/MAPK和JNK/MAPK信號通路抑制TGF-β1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而發(fā)揮抗纖維化作用[26]。這些研究均表明KLFs在腎纖維化中發(fā)揮重要作用。

KLFs與腎血管損傷

KLF家族在內(nèi)皮生物學(xué)功能中存在一些重疊，但它們在調(diào)節(jié)關(guān)鍵下游靶標(biāo)的機(jī)制不盡相同。KLF2和KLF4轉(zhuǎn)錄因子是內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，由于存在結(jié)構(gòu)和功能上的相似性，二者在維持內(nèi)皮穩(wěn)態(tài)方面功能相似[27]。KLF2和KLF4均為小鼠胚胎血管生成的關(guān)鍵因子，在胚胎發(fā)生過程中Klf2和Klf4單敲和雙敲動物模型都存在不同程度的血管損傷。此外，炎性細(xì)胞因子和非層流血流誘導(dǎo)內(nèi)皮功能障礙并促粘連和促血栓形成，而KLF4和KLF2在上皮細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞中高度表達(dá)，參與抗炎和抗血栓[27]。

過表達(dá)Klf4的內(nèi)皮細(xì)胞基因組轉(zhuǎn)錄譜分析顯示，多個差異基因參與內(nèi)皮功能炎癥、血栓形成、血管舒縮、血管發(fā)育和氧化應(yīng)激。在缺血再灌注腎損傷模型中KLF4對急性腎損傷(AKI)具有內(nèi)皮保護(hù)作用，內(nèi)皮細(xì)胞Klf4敲除增加炎癥和黏附分子(ICAM-1、VCAM-1)表達(dá)，加重AKI[28]。此外KLF4還參與他汀類藥物抗缺血性AKI的保護(hù)作用，內(nèi)皮細(xì)胞中KLF4能直接抑制p65調(diào)節(jié)NF-κβ通路，下調(diào)細(xì)胞黏附分子的表達(dá)和改善炎癥細(xì)胞浸潤[28]。

Klf2于哺乳動物胚胎8.5d開始表達(dá)，內(nèi)皮特異性Klf2基因敲除小鼠由于喪失血管完整性，死于出血和高輸出性心力衰竭[29]。在體外暴露于層流切變應(yīng)力的腎小球內(nèi)皮細(xì)胞，能激活ERK5信號通路，上調(diào)KLF2和其下游分子內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮(eNOS)、血栓調(diào)節(jié)素(THBD)和內(nèi)皮素1(ET-1)表達(dá)，提示KLF2的內(nèi)皮保護(hù)作用[30]。在人類糖尿病腎活檢樣本和鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)糖尿病大鼠模型中，腎小球KLF2表達(dá)明顯降低。特異性內(nèi)皮細(xì)胞Klf2敲除的雜合小鼠在STZ誘導(dǎo)糖尿病腎病模型中表型更重，表現(xiàn)為蛋白尿、小球肥大和內(nèi)皮損傷均更重，有趣的是足細(xì)胞損傷也更為突出[31]。他汀類藥物治療小鼠缺血再灌注損傷也能誘導(dǎo)KLF2表達(dá)[32]。

腎移植后，由于抗體介導(dǎo)的慢性排斥反應(yīng)或鈣調(diào)磷酸酶抑制劑毒性，可能繼發(fā)血栓性微血管病，腎移植后介導(dǎo)內(nèi)皮損傷的機(jī)制仍然知之甚少。在非典型溶血性尿毒癥的小球轉(zhuǎn)錄本分析中，KLF2的表達(dá)輕度升高，然而腎移植相關(guān)血栓性微血管病的小球轉(zhuǎn)錄本分析發(fā)現(xiàn)KLF2和KLF4均降低[33]，提示KLF介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)控更為復(fù)雜。

KLFs與免疫調(diào)節(jié)

小鼠的基因靶向敲除研究揭示了KLFs在髓系和淋巴系細(xì)胞成熟中的生理作用，多個KLF家族成員是T細(xì)胞運(yùn)輸、T調(diào)節(jié)細(xì)胞分化或抑制功能、單核/巨噬細(xì)胞以及B記憶細(xì)胞成熟、激活和更新等重要信號通路的下游靶標(biāo)。

KLF2和KLF4均在T細(xì)胞中表達(dá)，參與免疫調(diào)控。KLF2可促進(jìn)小鼠誘導(dǎo)性調(diào)節(jié)T細(xì)胞(iTregs)的產(chǎn)生，可作為治療腎移植后細(xì)胞排斥的潛在靶標(biāo)[34]。KLF4是小鼠巨噬細(xì)胞極化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，研究發(fā)現(xiàn)KLF4與Stat6協(xié)同作用誘導(dǎo)M2型巨噬細(xì)胞的產(chǎn)生，并通過螯合NF-κB活化所需的共激活因子來抑制M1型巨噬細(xì)胞的活化，且KLF4缺陷的巨噬細(xì)胞表現(xiàn)為促炎癥基因上調(diào)[35]。

表1 KLFs表達(dá)模式和功能

小結(jié):KLFs在維持腎臟穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮多方面的作用，且相互作用。既往研究關(guān)注KLFs在發(fā)育和再生中的重要作用，近年來研究提示KLFs同時也參與腎小球疾病、炎癥、腎纖維化和血管損傷，而這些鋅指轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)、調(diào)控和功能在腎臟生理病理中發(fā)揮的重要作用還有待研究者們進(jìn)一步探索。