腎臟衰老相關(guān)分子機(jī)制的研究進(jìn)展

梁婧 張宗敏 周滿紅

(遵義醫(yī)科大學(xué),貴州 遵義 563000)

腎臟衰老是一個(gè)定義衰老腎臟本身的結(jié)構(gòu)和功能表型的術(shù)語,人類腎臟衰老的特征是腎臟重量和體積的減少并伴隨腎功能的下降。腎臟衰老是各種腎臟疾病的重要危險(xiǎn)因素,盡管衰老本身不會(huì)導(dǎo)致腎臟疾病,但隨著年齡的增長,腎體積和功能腎單位數(shù)逐漸減少,腎小球?yàn)V過率(GFR)逐漸下降,使腎臟對(duì)各種損傷的修復(fù)能力降低,再加上年齡相關(guān)危險(xiǎn)因素的累積影響,最終會(huì)引發(fā)腎臟的諸多病理改變,從而使老年人更容易罹患急性腎損傷(AKI)、慢性腎臟病(CKD)及其他腎臟疾病〔1～3〕。

研究發(fā)現(xiàn),腎臟衰老的主要機(jī)制構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò),從腎臟保護(hù)因子Klotho、乙酰化酶(SIRT)水平降低,到轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β和Wnt4/β-catenin信號(hào)的增強(qiáng),再到氧化應(yīng)激及內(nèi)皮功能障礙等,其中Klotho、SIRT及TGF-β等在內(nèi)的分子變化是衰老表型變化的基本原因〔4,5〕。由于年齡相關(guān)性腎功能減退已成為目前臨床面臨的迫在眉睫的挑戰(zhàn),為了改善其導(dǎo)致的損害,全面了解腎臟衰老過程中的分子機(jī)制至關(guān)重要,也是了解衰老過程和制定治療干預(yù)措施的關(guān)鍵。本研究對(duì)腎臟衰老相關(guān)分子機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 衰老腎臟的結(jié)構(gòu)和功能變化

腎臟衰老是一個(gè)涉及結(jié)構(gòu)、功能、細(xì)胞和分子變化的復(fù)雜過程。隨著年齡的增長,衰老腎臟的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生相應(yīng)變化〔6〕。與年齡相關(guān)的腎臟結(jié)構(gòu)改變包括宏觀和微觀結(jié)構(gòu)改變,宏觀解剖結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)為腎臟重量減少,皮質(zhì)體積減小,表面凹凸不平,并出現(xiàn)越來越多、越來越大的腎囊腫。微觀結(jié)構(gòu)的變化主要表現(xiàn)是動(dòng)脈硬化、腎小球硬化、功能性腎單位數(shù)量的減少、腎小管萎縮及腎間質(zhì)纖維化〔7～9〕。早在1960年學(xué)者們就發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長腎臟基底膜增厚〔10〕。Goyal〔11〕研究發(fā)現(xiàn),衰老腎臟的腎小球和腎小管細(xì)胞數(shù)量減少。Rule等〔12〕發(fā)現(xiàn),隨著年齡增長,腎硬化從18～29歲的2.7%上升到70～77歲的73%,提示年齡是腎小球硬化的主要因素。足細(xì)胞在腎小球衰老中發(fā)揮著重要作用,研究〔13〕發(fā)現(xiàn),衰老小鼠腎臟的足細(xì)胞足突稀疏、融合,足細(xì)胞細(xì)胞器減少及細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)異常等。衰老腎臟結(jié)構(gòu)的變化往往伴隨著功能變化,如衰老腎臟的有效腎血漿流量下降、濾過分?jǐn)?shù)增加、腎小球 GFR 下降、腎小管功能障礙、鈉重吸收、鉀排泄和尿液濃縮能力下降等〔2,14〕。在腎臟衰老過程中,腎臟衰老與腎功能下降之間存在線性關(guān)系,腎小球?yàn)V過率在35歲以后每十年下降5%～10%,這種下降與功能腎單位的丟失有關(guān)〔15〕。研究發(fā)現(xiàn),70～75歲健康人腎臟的非硬化性腎小球數(shù)量比18～29歲者少48%;并且發(fā)現(xiàn),在30歲之后,每年有6 000～6 500個(gè)腎小球丟失。與這種丟失相比,腎小球?yàn)V過率的相應(yīng)降幅相對(duì)較小,因?yàn)槭Ｓ嗟哪I小球肥大可導(dǎo)致部分功能代償〔16〕。一項(xiàng)研究比較了一組(68±7)歲與一組(26±3)歲健康人的 GFR,發(fā)現(xiàn)老年組的GFR下降到年輕組的85%,但仍在生理范圍內(nèi),因此,隨著年齡的增長,GFR下降,但不會(huì)威脅到體內(nèi)平衡。該研究還對(duì)血清肌酐值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在各組之間沒有差異〔17〕。Epstein〔18〕發(fā)現(xiàn),超過30歲后,腎臟體積開始縮小,伴隨著腎總血流量、腎皮層血流量、GFR及腎臟濃縮和稀釋能力的下降。這些結(jié)構(gòu)及功能的特征性變化使腎臟抵御外界環(huán)境損傷的能力和損傷修復(fù)能力降低,使老年人更易發(fā)生AKI及CKD,因此延緩腎臟衰老對(duì)預(yù)防老年人的腎功能不全至關(guān)重要。但迄今為止,關(guān)于腎臟衰老的發(fā)生機(jī)制尚不完全清楚,但研究〔4,5〕發(fā)現(xiàn),Klotho、SIRT及TGF-β等在內(nèi)的相關(guān)分子機(jī)制參與了腎臟衰老過程。

2 腎臟衰老相關(guān)的分子機(jī)制

2.1Klotho Klotho 是 1997 年日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)的一種具有抗衰老作用的基因,其定位在人類 13 號(hào)染色體上〔19,20〕,編碼的蛋白分為膜型和分泌型。其中膜型 Klotho 作為成纖維生長因子 (FGF)23的輔助受體參與機(jī)體鈣磷代謝。而分泌型 Klotho 被選擇性剪切后直接釋放到胞外,或由Klotho蛋白的胞外部分被膜錨定蛋白酶 ADAM10/17 剪切后釋放出來,以內(nèi)分泌激素的形式分布于血液、尿液及腦脊液中,具有抗衰老、抗炎癥、抗血管及軟組織鈣化等作用。Klotho 在體內(nèi)主要由腎小管上皮細(xì)胞分泌,也可由腦、甲狀旁腺等多個(gè)器官分泌,以腎臟中濃度最高〔21〕。研究發(fā)現(xiàn),Klotho 基因缺陷的小鼠衰老進(jìn)程加快,過早出現(xiàn)皮膚萎縮、性腺功能減退、動(dòng)脈粥樣硬化、骨質(zhì)疏松等征象,表現(xiàn)出與人類衰老相似的表型,而Klotho 高表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠壽命明顯延長〔19,22〕。有臨床研究表明,人血漿Klotho水平與年齡呈反比關(guān)系〔23〕,表明Klotho與衰老密切相關(guān)。還有研究發(fā)現(xiàn),Klotho信號(hào)通路主要通過抑制類胰島素樣生長因子(IGF)-1、過度炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激發(fā)揮抗衰老功能〔22〕。Oishi等〔24〕研究發(fā)現(xiàn),Klotho過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠24個(gè)月齡的存活率明顯增高,與其過表達(dá)抑制衰老小鼠腎臟的間質(zhì)纖維化、細(xì)胞周期阻滯細(xì)胞的積聚和氧化應(yīng)激水平的增加有關(guān),同時(shí)發(fā)現(xiàn)Klotho通過抑制TGF-β相關(guān)的信號(hào)通路保護(hù)腎臟免受年齡相關(guān)的損害。有研究還發(fā)現(xiàn),Klotho水平降低也能增加 p53、p21及p16INK4a的表達(dá),促進(jìn)腎臟細(xì)胞衰老。過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)是一種核受體,其活性隨著年齡的增長而降低,PPAR 激動(dòng)劑也可以增加 Klotho的表達(dá),減輕腎臟的氧化應(yīng)激及線粒體損傷,并調(diào)節(jié)與腎臟細(xì)胞衰老相關(guān)的通路〔25,26〕。Zhu等〔27〕發(fā)現(xiàn),腎小管上皮細(xì)胞分泌的Klotho可抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路誘導(dǎo)的腎纖維化。Yuan等〔28〕發(fā)現(xiàn),Klotho衍生肽KP1 阻斷了 TGF-β 誘導(dǎo)的Smad家族成員Smad2/3 和絲裂原活化蛋白激酶的活化發(fā)揮抑制腎臟纖維化的作用。盡管Klotho在衰老中的確切生理作用仍不完全清楚,但Klotho在調(diào)節(jié)衰老相關(guān)的不同途徑方面發(fā)揮了重要作用,其過表達(dá)可能成為抗腎臟衰老的候選療法。

2.2沉默信息調(diào)節(jié)因子(SIRT) SIRT2相關(guān)酶類SIRT最初是在研究酵母菌轉(zhuǎn)錄沉默時(shí)被發(fā)現(xiàn),其廣泛存在于各種物種中,是一系列煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性去乙?；?具有高度保守性。目前在哺乳動(dòng)物體內(nèi)已經(jīng)探索出SIRT共有7種同源物(SIRT1～7),具有不同的亞細(xì)胞定位和生物學(xué)效應(yīng),它們通過利用輔酶NAD+,參與細(xì)胞代謝及調(diào)節(jié)細(xì)胞功能,如DNA 修復(fù)、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞周期或細(xì)胞凋亡等,起到降低氧化應(yīng)激反應(yīng)和延緩衰老的作用。隨著年齡增長,SIRT在體內(nèi)的表達(dá)減少〔29,30〕。近年來學(xué)者們發(fā)現(xiàn),腎臟SIRT對(duì)腎臟衰老具有保護(hù)作用。其中,SIRT1、SIRT3 和 SIRT6 被認(rèn)為是與延緩衰老關(guān)系最為密切的3個(gè)成員。SIRT1 是公認(rèn)的長壽基因,能夠作用于組蛋白使其去乙?；?進(jìn)而修復(fù) DNA 損傷,提高細(xì)胞存活率〔5〕。Kume等〔31〕認(rèn)為SIRT1是一種與熱量限制有關(guān)的抗衰老分子,認(rèn)為熱量限制能通過SIRT1-叉頭框蛋白(FOX)O3信號(hào)通路活化自噬途徑中的關(guān)鍵信號(hào)分子提高腎臟細(xì)胞自噬水平來延緩腎臟衰老。此外,腎臟中足細(xì)胞 SIRT1 表達(dá)的降低加劇了衰老小鼠腎臟中年齡引起的腎小球硬化和白蛋白尿的增加,并加劇足細(xì)胞損傷及丟失,同時(shí)發(fā)現(xiàn)足細(xì)胞特異性SIRT1基因敲除小鼠腎小球中細(xì)胞衰老標(biāo)記物p19ARF 及 p16INK4a表達(dá)明顯增高,表明SIRT1與延緩腎臟衰老密切相關(guān)〔32〕。Guan等〔33〕發(fā)現(xiàn),SIRT1 是腎臟衰老過程中的關(guān)鍵介質(zhì),補(bǔ)充煙酰胺單核苷酸(NMN) 增加 SIRT1 的活性是一種治療與年齡相關(guān)的 AKI 的潛在干預(yù)措施。SIRT3是另一種線粒體去乙?；?是調(diào)節(jié)線粒體功能和脂肪酸β氧化過程的關(guān)鍵分子,具有抗氧化活性。其介導(dǎo)的抗氧化酶的去乙酰化激活能減少活性氧(ROS)的含量,從而保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激介導(dǎo)的損傷〔34〕。而SIRT3缺失可誘導(dǎo)TGF-β1的高表達(dá)和糖原合成酶激酶(GSK)3β的高乙酰化,促進(jìn)腎組織纖維化,而腎臟纖維化是衰老過程中腎臟功能障礙的主要原因之一〔35〕。Benigni等〔36〕發(fā)現(xiàn),血管緊張素受體缺乏可能是減輕氧化應(yīng)激和上調(diào) SIRT3 存活基因增加小鼠壽命的另一原因。此外,SIRT6缺乏會(huì)導(dǎo)致進(jìn)行性腎臟炎癥和腎纖維化,在腎臟衰老中發(fā)揮著重要作用〔13〕;其還可靶向作用于多種關(guān)鍵的長壽通路和代謝相關(guān)蛋白從而影響細(xì)胞衰老〔30〕。有研究發(fā)現(xiàn),SIRT6缺陷的衰老小鼠表現(xiàn)出腎臟肥大和腎小球增大并導(dǎo)致足細(xì)胞損傷,包括裂孔隔膜相關(guān)蛋白減少、足突消失和細(xì)胞丟失,導(dǎo)致蛋白尿〔13〕?？傊?SIRT家族蛋白可能是腎臟衰老的一個(gè)潛在治療靶點(diǎn)。

2.3TGF-β TGF-β是一個(gè)進(jìn)化上保守的細(xì)胞因子超家族。在哺乳動(dòng)物發(fā)現(xiàn)TGF-β主要有3種亞型:TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3。研究發(fā)現(xiàn),TGF-β是重要的纖維化轉(zhuǎn)化因子,可促進(jìn)腎臟纖維化〔1,37〕。研究發(fā)現(xiàn),TGF-β信號(hào)與多種衰老相關(guān)疾病之間存在關(guān)聯(lián)。TGF-β信號(hào)參與衰老過程的多個(gè)方面的調(diào)節(jié),如細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、ROS的產(chǎn)生、DNA損傷修復(fù)、端粒調(diào)節(jié)及自噬等,從而影響細(xì)胞衰老相關(guān)進(jìn)程〔4,24〕。TGF-β通過抑制細(xì)胞周期從G1期進(jìn)展到S期,使 DNA合成受阻,參與細(xì)胞凋亡〔38〕。Tasanarong等〔39〕研究發(fā)現(xiàn),TGF-β可通過Smad3 和 p16INK4a誘導(dǎo)腎小管細(xì)胞衰老。還有研究表明,p16INK4a的敲減很大程度上可改善 Bmi-1 缺陷導(dǎo)致的腎臟衰老,可抑制Bmi-1 缺陷型小鼠腎臟中 TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),包括活化的 TGF-β1,TGF-Ⅱ型受體(βRⅡ)和Smad2 /3 的下調(diào),延緩了Bmi-1缺陷引起的腎臟衰老表型,包括腎臟結(jié)構(gòu)和功能受損、細(xì)胞增殖減少、細(xì)胞DNA損傷、炎癥細(xì)胞浸潤、腎間質(zhì)纖維化和腎小管萎縮等。P16INK4a缺失的人腎小管上皮細(xì)胞可減少衰老細(xì)胞分泌衰老相關(guān)分泌表型(SASP),從而減少鄰近細(xì)胞衰老〔40〕。此外,衰老的纖維細(xì)胞也會(huì)分泌 TGF-β,通過旁分泌方式,使鄰近纖維細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞衰老,這種細(xì)胞旁介導(dǎo)的細(xì)胞衰老是通過活性氧自由基產(chǎn)生的,導(dǎo)致鄰近組織發(fā)生DNA損傷〔41,42〕。Ning等〔43〕發(fā)現(xiàn),層黏連蛋白1也可通過TGF-β/Smad信號(hào)調(diào)節(jié)系膜細(xì)胞數(shù)量和系膜基質(zhì)沉積,在腎功能和腎臟衰老過程中發(fā)揮重要作用?？傊?TGF-β信號(hào)途徑與腎臟衰老密切相關(guān)。

綜上,腎臟是典型的衰老靶器官,年老的腎臟功能雖正常,但很脆弱。通過研究衰老相關(guān)分子機(jī)制與腎臟結(jié)構(gòu)及生理功能改變之間的關(guān)系,有利于尋找延緩腎臟衰老的突破點(diǎn),進(jìn)而對(duì)腎臟衰老進(jìn)行有效的干預(yù)。