Klotho蛋白與Wnt信號(hào)通路在骨代謝中的研究進(jìn)展

［摘要］Klotho蛋白可通過調(diào)節(jié)磷酸鹽、骨礦化、維生素D及成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化成熟、生物活性與細(xì)胞凋亡等機(jī)制影響骨代謝過程。而Wnt信號(hào)通路在成骨細(xì)胞分化成熟、骨骼發(fā)育和骨量維持中起關(guān)鍵作用。Klotho蛋白可能通過Wnt信號(hào)通路參與骨代謝過程。本文對(duì)Klotho蛋白與Wnt信號(hào)通路在骨代謝中的相互作用及其機(jī)制作一綜述，為骨質(zhì)疏松癥的早期干預(yù)與治療提供新的思路。

［關(guān)鍵詞］Klotho蛋白；Wnt信號(hào)通路；骨代謝；骨質(zhì)疏松癥

doi：10.3969/j.issn.1674-7593.2023.03.021

Research Advances in Klotho Protein and Wnt Signaling Pathway in Bone Metabolism

Wang Sen1，Ma Houxun1**，Li Baoshan2

1Department of Geriatrics，The First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University，Chongqing40016;2Department of Geriatrics，Chongqing University Central Hospital/Chongqing Emergency Medical Center，Chongqing40016

**Corresponding author：Ma Houxun，email：mahouxun1966@163.com

［Abstract］Klotho protein can affect the process of bone metabolism by regulating the homeostasis of the hormones such as phosphate，bone mineralization and vitamin D，and acting on osteoblasts，osteoclast differentiation and maturation，biological activity and apoptosis.Wnt signaling pathway plays a key role in osteoblast maturation and differentiation，bone development and bone mass maintenance.Klotho protein may participate in bone metabolism through the Wnt signaling pathway.This paper reviews the interaction between Klotho protein and Wnt signaling pathway in bone metabolism and its mechanism，so as to provide new clues for the early prevention and intervention of osteoporosis.

［Key words］Klotho protein;Wnt signaling pathway;Bone metabolism;Osteoporosis

1Klotho蛋白與骨代謝

1.1Klotho蛋白的生理學(xué)特征

Klotho蛋白由Klotho基因（簡稱KL基因）編碼，于1997年首次在小鼠中被發(fā)現(xiàn)，參與哺乳動(dòng)物衰老過程并且調(diào)節(jié)磷酸鹽穩(wěn)態(tài)和成纖維生長因子（Fibroblast growth factor，F(xiàn)GF） 家族成員的活性［1］。Klotho蛋白是單跨膜蛋白，包括 α-Klotho、β-Klotho和γ-Klotho 3種亞型。其中，α-Klotho主要在腎臟表達(dá)［2］。其同源蛋白的胞外結(jié)構(gòu)域包含兩個(gè)稱為KL1和KL2的重復(fù)序列，可以被蛋白酶ADMA水解而被釋放成為可溶性Klotho蛋白［3］。可溶性Klotho蛋白分布在血液、尿液和腦脊液等體液中，可能通過內(nèi)分泌或旁分泌等機(jī)制作用于包括離子通道、類胰島素生長因子受體在內(nèi)的多種糖蛋白［4］。此外，Klotho蛋白還是FGF23與其受體FGFR1 高親和力結(jié)合所必需的，其與FGFR1生成的二元復(fù)合物構(gòu)成了FGF23的生理受體，共同參與調(diào)節(jié)維生素D、磷酸鹽和鈣的水平［5］。β-Klotho主要分布在肝臟組織，通過調(diào)節(jié)包括 FGF19和FGF21在內(nèi)的FGF家族成員的活性參與多種代謝過程，如葡萄糖和脂質(zhì)代謝以及膽汁酸生物合成等［2］。γ-Klotho主要作用于FGF19及其受體FGFR4，而α-Klotho或β-Klotho可與FGF19/FGFR4信號(hào)共同作為前列腺癌中的輔助因子一起促進(jìn)癌癥進(jìn)展［6］。

1.2Klotho蛋白在骨代謝中的作用

Klotho蛋白在骨細(xì)胞中的功能作用較為復(fù)雜，缺乏KL基因的小鼠模型表現(xiàn)出衰老加速表型和異常的磷酸鹽和礦物質(zhì)調(diào)節(jié)狀態(tài)［7］。以低骨量和低骨轉(zhuǎn)換為特征的老年性骨質(zhì)疏松癥是KL純合子小鼠（KL-/-）的明確特征［8］。KL基因缺乏小鼠的骨質(zhì)和基質(zhì)礦化形成明顯減少，同時(shí)堿性磷酸酶的活性減低，其中骨吸收減少的程度低于骨形成減少的程度，但成骨細(xì)胞增殖功能正常［9］。此外，KL基因缺乏小鼠的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的分化過程受到明顯抑制，這可能與Klotho蛋白上調(diào)核因子kappa-B受體活化因子（Receptor activator of nuclear factor kappa-B，RANK）和腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子 6（Tumor necrosis factor receptor associated factor 6，TRAF-6）之間相互作用進(jìn)而促進(jìn)核因子kappa-B受體活化因子配體（Receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand， RANKL）誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞發(fā)生有關(guān)［8］。以上結(jié)論提示KL基因缺乏小鼠因表達(dá)產(chǎn)物Klotho蛋白缺乏可導(dǎo)致成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞獨(dú)立分化障礙，這可能是骨質(zhì)疏松低轉(zhuǎn)換率的原因所在。KL基因的缺乏不僅影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能，還可以改變成骨細(xì)胞中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子如骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（Bone morphogenetic protein 2，BMP2）和Runt相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子2（Runt-related transcription factor 2，RUNX2）的表達(dá)［10］。

體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，通過外源性KL基因轉(zhuǎn)染從而上調(diào)其表達(dá)可明顯減緩大鼠骨質(zhì)疏松癥的進(jìn)展，并能改善骨質(zhì)疏松模型大鼠的骨微細(xì)結(jié)構(gòu)的受損程度［11］。上調(diào)KL基因表達(dá)后其成骨細(xì)胞的生物學(xué)活力明顯增強(qiáng)，其機(jī)制與骨鈣蛋白表達(dá)增加，骨橋蛋白表達(dá)減少有關(guān)［11］。通過抑制NF-κB通路及上調(diào)抗凋亡蛋白 Bcl-2表達(dá)等機(jī)制，KL基因表達(dá)的上調(diào)也可以發(fā)揮其對(duì)抗地塞米松誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡的效應(yīng)［12］。此外，成骨細(xì)胞分化和骨基質(zhì)礦化過程與FGF23表達(dá)密切相關(guān)［13］。α-Klotho通過FGFR1通路使FGF23刺激成骨細(xì)胞MC3T3.E1增殖， 抑制骨基質(zhì)礦化作用［14］。KL-/-小鼠所呈現(xiàn)的骨骼表型是由骨細(xì)胞Klotho蛋白的功能缺陷所導(dǎo)致的，還是由Klotho蛋白缺乏引起的FGF23信號(hào)傳導(dǎo)被中斷所導(dǎo)致的礦物質(zhì)代謝系統(tǒng)性紊亂而造成的，目前尚不清楚。最可能的解釋是，由于Klotho蛋白缺乏引起的腎臟FGF23信號(hào)傳導(dǎo)受損，導(dǎo)致血鈣和維生素D升高，進(jìn)而抑制甲狀旁腺素的分泌，從而影響骨重塑。值得注意的是，近年來有研究發(fā)現(xiàn)與表現(xiàn)出低骨轉(zhuǎn)換的骨質(zhì)疏松癥的KL-/-小鼠相反，骨細(xì)胞特異性Klotho基因缺失的牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1-Klotho-/-（Dentin matrix protein 1-Klotho-/-，Dmp1-Klotho-/-）小鼠中骨形成和骨量顯著增加［15］。這種骨表型的不一致可能歸因于骨細(xì)胞中Klotho蛋白功能缺失的相對(duì)影響的差異，即KL-/-小鼠的低骨轉(zhuǎn)換骨質(zhì)疏松癥不是骨細(xì)胞中Klotho蛋白缺失的直接結(jié)果，而是礦物代謝系統(tǒng)性紊亂的主要結(jié)果。

2Wnt信號(hào)通路與骨代謝

Wnt 蛋白是長度為350～400個(gè)氨基酸的分泌蛋白。其信號(hào)通路是由與之結(jié)合的膜蛋白受體與輔助受體復(fù)合物所介導(dǎo)。Wnt分泌蛋白家族在人類有19個(gè)成員，依據(jù)Wnt配體觸發(fā)的細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)可分為經(jīng)典（β-連環(huán)蛋白依賴性）和非經(jīng)典（β-連環(huán)蛋白非依賴性）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)［16］。

經(jīng)典Wnt信號(hào)通路在調(diào)節(jié)骨代謝的過程中發(fā)揮了重要的作用［16］。通過β-連環(huán)蛋白（β-catenin）易位至細(xì)胞核內(nèi)，與T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子（T cell factor/Lymphoid enhancer factor， TCF/LEF）結(jié)合，激活下游成骨基因轉(zhuǎn)錄。體外研究表明，經(jīng)典Wnt通路還可以作用于間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的過程，同時(shí)參與調(diào)控成骨細(xì)胞的增殖與成熟，以及影響骨礦化過程［17］。在非經(jīng)典的Wnt配體中，對(duì)Wnt5a的研究最為廣泛，可調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化，Wnt5a基因敲除小鼠則出現(xiàn)脂肪增多和骨形成受損［18］。非經(jīng)典Wnt配體Wnt16可負(fù)向調(diào)控破骨細(xì)胞的分化和發(fā)育，且在改善骨再生方面具有潛在用途［19］。以上說明，非經(jīng)典Wnt信號(hào)在骨代謝的過程中同樣扮演了重要的角色。

3Klotho蛋白與Wnt信號(hào)通路

Klotho蛋白可協(xié)同F(xiàn)GFR1作用于FGF23/FGFR1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程從而調(diào)節(jié)正常骨代謝。而FGF23的增加與Wnt/β-catenin信號(hào)通路抑制劑骨硬化蛋白（Sclerostin，SOST）和Dickkopf相關(guān)蛋白1（Dickkopf-related protein 1，DKK1）循環(huán)水平的升高有關(guān)，這對(duì)骨骼發(fā)育和骨量維持至關(guān)重要［20］。說明通過FGFR1這一共同作用點(diǎn)，Klotho蛋白可能借助對(duì)Wnt信號(hào)通路的作用參與了骨代謝過程。在Klotho蛋白存在的情況下，F(xiàn)GF23對(duì)骨細(xì)胞分化和礦化有直接作用，其機(jī)制是通過誘導(dǎo)DKK1及抑制 Wnt/β-catenin途徑介導(dǎo)的［21］。若骨細(xì)胞中 Klotho蛋白的功能缺失，可削弱FGF23誘導(dǎo)DKK1的生物學(xué)作用，從而激活成骨細(xì)胞Wnt途徑，進(jìn)一步促進(jìn)成骨過程［22］。提示FGF23誘導(dǎo)DKK1表達(dá)的作用可被Klotho蛋白強(qiáng)化，即Klotho蛋白間接作用于Wnt 信號(hào)傳導(dǎo)和影響成骨。此外，在骨細(xì)胞系UMR-106中，添加β-甘油磷酸鹽可增加Wnt靶基因的表達(dá)，而β-甘油磷酸酯和Klotho蛋白的共同給藥可減少Wnt活化和FGF23水平的降低［23］。表明Klotho蛋白還可以調(diào)節(jié)Wnt活化的過程和FGF23的產(chǎn)生。

綜上所述，Klotho蛋白可能通過與多種Wnt配體結(jié)合或介導(dǎo)FGF23進(jìn)而參與調(diào)控Wnt通路，作用于機(jī)體鈣、磷代謝的平衡以及骨骼生長、發(fā)育過程，并隨時(shí)間變化在生物個(gè)體衰老過程中產(chǎn)生了不同的影響。

4小結(jié)

機(jī)體內(nèi)骨代謝的機(jī)制是多樣而復(fù)雜的，Klotho蛋白與Wnt信號(hào)通路在其中發(fā)揮了重要的作用。Klotho蛋白可能通過直接或間接的方式參與調(diào)控Wnt信號(hào)通路從而影響骨代謝的過程，其作用彼此重疊并相互聯(lián)系，也可能互為因果。Klotho蛋白與Wnt信號(hào)通路可能成為臨床干預(yù)骨質(zhì)疏松癥的又一突破點(diǎn)， 但仍需更多的研究予以證明。

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（2022-11-30收稿）