Журнал «Почки» Том 6, №3, 2017
Вернуться к номеру
Белок Klotho и фактор роста фибробластов FGF23 как маркеры хронической болезни почек
Авторы: Мельник А.А.
Специализированный медицинский центр «Оптима-фарм», г. Киев, Украина
Рубрики: Нефрология
Разделы: Справочник специалиста
Версия для печати
Резюме
Хронічна хвороба нирок (ХХН) є глобальною проблемою громадської охорони здоров’я у світі. Дослідження вчених спрямовані на пошуки нових біомаркерів ХХН. Такими біомаркерами є розчинний білок α-Klotho і фактор росту фібробластів FGF23. Показано, що експресія білка Klotho зменшується паралельно з прогресуванням ХХН і досягає низьких або невизначених значень у термінальній стадії захворювання нирок. На відміну від Klotho фактор росту фібробластів FGF23 підвищується на ранніх стадіях ХХН і служить предиктором несприятливого клінічного результату. Рівні білка Klotho і FGF23 є ранніми, чутливими і специфічними біомаркерами при ХХН і мають діагностичну цінність для прогнозування ускладнень при захворюванні нирок.
Хроническая болезнь почек (ХБП) является глобальной проблемой общественного здравоохранения в мире. Исследования ученых направлены на поиски новых биомаркеров ХБП. Такими биомаркерами являются растворимый белок α-Klotho и фактор роста фибробластов FGF23. Показано, что экспрессия белка Klotho уменьшается параллельно с прогрессированием ХБП и достигает низких или неопределяемых значений в терминальной стадии заболевания почек. В отличие от Klotho фактор роста фибробластов FGF23 повышается на ранних стадиях ХБП и служит предиктором неблагоприятного клинического исхода. Уровни белка Klotho и FGF23 являются ранними, чувствительными и специфичными биомаркерами при ХБП и имеют диагностичеcкую ценность для прогнозирования осложнений при заболевании почек.
Chronic kidney disease (CKD) is a global public health problem in the world. Research scientists are aimed at finding new biomarkers for CKD. Such biomarkers are α-Klotho soluble protein and fibroblast growth factor (FGF23). It was shown that the expression of Klotho protein decreases progressively as the progression of CKD and reaches low or undetectable values at the terminal stage of kidney disease. Unlike Klotho, FGF23 fibroblast growth factor increases in the early stages of CKD and serves as a predictor of an unfavorable clinical outcome. Klotho and FGF23 protein levels are early, sensitive and specific diagnostic biomarkers in CKD and are of diagnostic value for predicting complications of kidney disease.
Ключевые слова
хронічна хвороба нирок; білок α-Klotho; фактор росту фібробластів FGF23; метод ELISA
хроническая болезнь почек; белок α-Klotho; фактор роста фибробластов FGF23; метод ELISA
chronic kidney disease; α-Klotho protein; FGF23 fibroblast growth factor; ELISA
Неинфекционные заболевания, к которым относится хроническая болезнь почек (ХБП), являются наиболее распространенными причинами заболеваемости и преждевременной смерти. ХБП считается глобальной проблемой общественного здравоохранения в мире. Широкая распространенность ХБП среди населения (более 10 %) приводит к утрате трудоспособности, сердечно-сосудистым осложнениям и смертности из-за развития терминальной почечной недостаточности [1, 2]. В последние годы внимание исследователей привлечено к новым биомаркерам ХБП. Этими маркерами являются белок Klotho и фактор роста фибробластов (Fibroblast Growth Factor — FGF23), которые принимают участие в метаболизме фосфата, кальция и витамина D при ХБП.
Белок Klotho
Ген белка Klotho был идентифицирован Kuro-o и др. [3] в 1997 г. при изучении трансгенных мышей, экспрессирующих натрий-протонный обменник. Японскими исследователями случайно был поврежден локус соседнего гена, и мыши (Klotho –/–) показали поразительный феномен, напоминающий старение человека, что проявлялось замедлением роста, гипогонадизмом, атрофией кожи, тимуса, кальцификацией сосудов и мягких тканей, остеопорозом, легочной эмфиземой и короткой продолжительностью жизни. Наоборот, избыточная экспрессия Klotho у мышей приводила к увеличению продолжительности жизни. Поэтому Klotho считается антивозрастным геном [4] (рис. 1).
Название гена Klotho происходит от греческой богини Клото (дочери Зевса). В греческой мифологии богини Клото, Лахесис и Атропос, контролируя нить жизни, определяли, какой будет длительность жизни каждого смертного. При этом они соответственно пряли, измеряли и обрезали нити жизни. Белок Klotho имеет молекулярный вес ~ 130 кДа и состоит из 1014 аминокислот, имеет сигнальную последовательность на N-конце и трансмембранный домен с коротким цитоплазматическим доменом на С-конце. Внеклеточный домен Klotho состоит их 2 внутренних повторов (KL1 and KL2) гомологичных последовательностей β-глюкозидазы [5] (рис. 2).
В геноме млекопитающих идентифицировали 3 члена семейства Klotho, являющихся трансмембранными белками различной длины (рис. 3). Растворимые формы α-Klotho могут быть получены протеолитическим расщеплением трансмембранной формы β-секретазами.
/133-1.jpg)
Белок Klotho экспрессируется во многих тканях, но особенно в больших количествах в почках. Выраженная экспрессия Klotho обнаружена в дистальных и проксимальных канальцах почек, а также в эпителиальных клетках паращитовидных желез [6]. Мембранная форма является корецептором для FGF23, индуцирует отрицательный фосфатный баланс путем стимулирования экскреции почечного фосфата и снижения уровня сывороточного дигидроксивитамина D3 (1,25(ОН)2VD3). Кроме мембранной формы, существует экстрацеллюлярная форма белка Klotho, которая образуется посредством секретазы, а также сплайсинга и высвобождается во внеклеточное пространство, где функционирует как эндокринный фактор. Растворимая форма белка Klotho играет важную роль в различных процессах организма, включая транспорт ионов, трансдукции сигнала, участвует в регуляции метаболизма кальция, паратиреоидного гормона (РТН) и др. Растворимая форма белка Klotho находится в крови, моче и спинномозговой жидкости [7] (рис. 4).
/133-2.jpg)
Функции, физиологические процессы и заболевания, связанные с белком Klotho в организме человека, представлены в табл. 1.
/134-3.jpg)
На снижение экспрессии белка Klotho при ХБП/терминальной стадии почечной недостаточности влияют многие потенциальные факторы, в том числе снижение массы почек, сверхпродуцирование провоспалительных цитокинов, таких как фактор некроза опухолей (TNF) и интерферона (INF), дислипидемия и гипергликемия, повышение уремического токсина (индоксил сульфата), окислительный стресс. Дефицит Klotho стимулирует синтез FGF23, уровень которого повышается с увеличением фосфата крови. Высокий уровень FGF23 в крови подав–ляет синтез 1,25(ОН)2VD3, что еще больше способствует ингибированию Klotho. Снижение уровня 1,25(ОН)2VD3 не только уменьшает экспрессию Klotho, но и стимулирует ренин-ангиотензиновую систему, которая подавляет продуцирование Klotho, что приводит к уменьшению экскреции фосфата с мочой (рис. 5).
/134-1.jpg)
Факторы роста фибробластов
Факторы роста фибробластов представляют собой большое суперсемейство пептидов, которые оказывают плейотропное воздействие на широкий диапазон биологических процессов, включая эмбриональное развитие, органогенез и метаболизм веществ через связывание и активацию FGF-рецептора (FGFR) [9, 10]. Факторы роста фибробластов продуцируются фибробластами, хондроцитами, кератиноцитами, эндотелиальными, гладкомышечными, тучными, глиальными клетками и стимулируют их пролиферацию. У человека идентифицировано 22 члена фактора роста фибробластов, состоящие из 7 субсемейств (рис. 6).
/134-2.jpg)
Субсемейство FGF19 состоит из FGF19, FGF21 и FGF23 [10]. Эти факторы роста фибробластов оказывают свою специфическую физиологическую активность в регуляции энергии и минерального обмена как эндокринные факторы или гормоны [11]. FGF15/19, FGF21 и FGF23 экспрессируются в основном в тонком кишечнике, печени и костях (рис. 7).
/135-2.jpg)
Уникальной структурной особенностью данных эндокринных FGF является отсутствие гепарин–связывающего домена, который присутствует во всех паракринных/аутокринных FGF. Этот гепарин-связывающий домен является важным для функционирования FGF по двум причинам. Во-первых, при связывании гепарин-сульфата (HS) во внеклеточном матриксе он уменьшает секрецию FGF и увеличивает их локальную концентрацию. Во-вторых, HS активирует рецептор GFG для образования комплекса HS : GFG : GFGR (2 : 2 : 2). В эндокринных GFG вместо гепарин-сульфата функционирует белок Klotho.
FGF23
Ген FGF23 расположен на 12-й хромосоме и состоит из 3 экзонов, кодирующих белок, состоящий из 251 аминокислоты (рис. 8). FGF23 имеет молекулярный вес 32 кДа и продуцируется остеоцитами и остеобластами кости.
/135-1.jpg)
Белок FGF23 содержит сигнальный пептид, состоящий из 24 аминокислот, 154-аминокислотный N-терминальный пептид и С-терминальный рецептор, состоящий из 73 аминокислот. После отщеп–ления 24-аминокислотной сигнальной последовательности белок 25FGF23251 секретируется в кровь. В кровотоке белок GFG23 циркулирует в двух разных формах: полноразмерной зрелой форме — 25FGF23251 и более короткой — 25FGF23179, не обладающей уникальной 73-аминокислотной последовательностью. Активной является только полная форма FGF23, так как С-терминальный домен необходим для взаимодействия с кофактором α-Klotho и последующей активацией рецептора FGF [12] (рис. 9).
/136-1.jpg)
Рецепторы GFGR (синий цвет) имеют три иммуноглобулиноподобных домена (D1, D2, D3), которые стабилизированы внутренними дисульфидными мостиками. Гепаринсвязывающая область показана фиолетовым цветом. Для эндокринных FGF-лигандов корецептор гепарин-сульфата заменен на Klotho. α-Klotho формирует комплексы с FGFR1c, FGFR3c, FGFR4 и служит в качестве высокоаффинного рецептора для FGF23. Лигандсвязывающая область (зеленый цвет) взаимодействует с С-терминальным концом FGF23. Белок Klotho имеет небольшую внутриклеточную область, тогда как FGFR обладает двумя киназными доменами, которые поддерживают передачу сигнала.
Физиологическая роль FGF23
Основная физиологическая функция FGF23 заключается в регуляции метаболизма фосфата, витамина D и паратиреоидного гормона (PTH). Последствиями избыточного содержания FGF23 являются гипофосфатемия, изменение метаболизма витамина D, нарушение роста и остеомаляция [13]. И наоборот, снижение уровня FGF23 приводит к гиперфосфатемии, избытку 1,25(OH)2D и кальцификации мягких тканей [14]. В физиологических условиях FGF23 контролирует экскрецию фосфатов почками в соответствии с потребностями организма. Кроме того, FGF23 влияет на витамин D путем ингибирования 1-α-гидроксилазы, которая превращает 25(ОН)D в активную форму 1,25(ОН)2D. Увеличение 1,25(ОН)2D способствует поглощению кальция и фосфата в желудочно-кишечном тракте. Прирост концентрации кальция вместе с 1,25(ОН)2D влияет на паращитовидную железу. При этом подавляется действие РТН и увеличивается экскреция кальция с мочой.
Белок Klotho как корецептор FGF23
В отличие от большинства факторов роста фиб–робластов у FGF23 отсутствует гепарин-сульфатсвязывающий центр, поэтому FGF23 имеет низкую аффинность к рецепторам FGF. В 2006 г. группа ученых из Японии идентифицировала mKL как особый кофактор для сигнализации FGF23, позволяющий высокоаффинно связываться с рецепторами FGF1c, -3c, -4с с последующим активированием пути MAПK (митогенактивированные протеинкиназы) [18] (рис. 10).
Белок Klotho и FGF23 при ХБП
Изменения концентрации белка Klotho (снижение) и FGF23 (повышение) начинаются уже со II–III стадии ХБП и являются более ранними маркерами прогрессирования данного заболевания в отличие от уровней PTH и фосфата [20] (рис. 11).
/136-2.jpg)
Определение растворимого белка Klotho и FGF23 применяют для диагностики ХБП. Y. Shima–mura и др. показали, что Klotho постепенно снижается на ранних стадиях ХБП с уменьшением скорости клубочковой фильтрации [21]. При этом одновременно происходит увеличение FGF23 [22], а при достижении конечной стадии почечной недостаточности концентрация FGF23 в несколько десятков раз превышает норму [23] (рис. 12).
Методы определения белка Klotho и FGF23
1. Белок Klotho
Коммерчески доступным набором для определения концентрации растворимого белка Klotho является Human soluble α-Klotho Assay Kit от компании IBL International GmbH (Германия). В наборе применяется твердофазный сэндвич-метод ELISA (Enzyme-linked immunosorbent assay) с использованием двух видов высокоспецифических антител. Определение растворимого α-Klotho осуществляется в сыворотке или плазме, область определения — 93,75–6000 пг/мл, чувствительность — 6,15 пг/мл.
Пример стандартной кривой показан на рис. 13.
2. FGF23
Для определения концентрации FGF23 используется набор Human FGF23 ELISA Kit от компании LifeSpan BioSciences (США). В качестве образцов могут использоваться сыворотка, моча, супернатант культуры клеток, гомогенат клеток. Область определения — 3,12–200 пг/мл, чувствительность — 0,78 пг/мл. Типичный график кривой представлен на рис. 14.
/137-1.jpg)
Выводы
1. При хронической болезни почек происходят снижение белка Klotho и повышение GFG23.
2. Уровни белка Klotho и FGF23 являются ранними, чувствительными и специфичными диагностическими биомаркерами при хронической болезни почек.
3. Белок Klotho и FGF23 имеют диагностическую ценность для прогнозирования прогрессирования осложнений при заболевании почек.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.
Список литературы
1. Levey A.S., Atkins R., Coresh J. et al. Chronic kidney dise–ase as a global public health problem: approaches and initiatives — a position statement from Kidney Disease Improving Global Outcomes // Kidney Int. — 2007. — 72. — 247-59. doi: 10.1038/sj.ki.5002343.
2. Couser W.G., Remuzzi G., Mendis S., Tonelli M. The contribution of chronic kidney disease to the global burden of major noncommunicable diseases // Kidney Int. — 2011 Dec. — 80(12). — 1258-70. doi: 10.1038/ki.2011.368.
3. Kuro-o M., Matsumura Y., Aizawa H. et al. Mutation of the mouse klotho gene leads to a synd-rome resembling ageing // Nature. — 1997. — 390(6555). — 45-51. doi: 10.1038/36285.
4. Kurosu H., Yamamoto M., Clark J.D. et al. Suppression of aging in mice by the hormone Klotho // Science. — 2005. — 309. — 1829-33. doi: 10.1126/science.1112766.
5. Nabeshima Y. The discovery of α-Klotho and FGF23 unveiled new insight into calcium and phosphate homeostasis // Cell. Mol. Life Sci. — 2008 Oct. — 65(20). — 3218-30. doi: 10.1007/s00018-008-8177-0.
6. Forster R.E., Jurutka P.W., Hsieh J.C. et al. Vitamin D receptor controls expression of the anti-aging klotho gene in mouse and human renal cells // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2011 Oct 28. — 414(3). — 557-62. doi: 10.1016/j.bbrc.2011.09.117.
7. Hu M.C., Shi M., Zhang J. et al. Klotho: a novel phosphaturic substance acting as an autocrine enzyme in the renal proximal tubule // FASEB J. — 2010 Sep. — 24(9). — 3438-50. doi: 10.1096/fj.10-154765.
8. Eswarakumar V.P., Lax I., Schlessinger J. Cellular signaling by fibroblast growth factor receptors // Cytokine Growth Factor Rev. — 2005. — 16. — 139-49. doi: 10.1016/j.cytogfr.2005.01.001.
9. Mohammadi M., Olsen S.K., Ibrahimi O.A. Structural basis for fibroblast growth factor receptor activation // Cytokine Growth Factor Rev. — 2005. — 16(2). — 107-37. doi: 10.1016/j.cytogfr.2005.01.008.
10. Beenken A., Mohammadi M. The structural biology of the FGF19 subfamily // Adv. Exp. Med. Biol. — 2012. — 728. — 1-24. doi: 10.1007/978-1-4614-0887-1_1.
11. Kuro-o M. Endocrine FGFs and Klothos. — Austin, TX/New York: Landes Biosci./Springer, 2012. — 233 p.
12. Goetz R., Beenken A., Ibrahimi O.A. et al. Molecular insights into the klotho depen-dent, endocrine mode of action of fibroblast growth factor 19 subfamily members // Mol. Cell. Biol. — 2007. — 27. — 3417-28. doi: 10.1128/MCB.02249-06.
13. Fukumoto S., Yamashita T. Fibroblast growth factor-23 is the phosphaturic factor in tumor-induced osteomalacia and may be phosphatonin // Curr. Opin. Nephrol. Hypertens. — 2002. — 11(4). — 385-9. — PMID: 12105387.
14. 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. Clin. Invest. — 2004. — 113(4). — 561-8. doi: 10.1172/JCI19081.
15. Komaba H., Fukagawa M. FGF23: a key player in mine–ral and bone disorder in CKD // Nefrologia. — 2009. — 29(5). — 392-396. doi:10.3265/Nefrologia.2009.29.5.5400.en.full.
16. Martin A., David V., Quarles L.D. Regulation and function of the FGF23/Klotho endocrine pathways // Physiol. Rev. — 2012. — 92. — 131-55. — doi: 10.1152/physrev.00002.2011.
17. Memon F., El-Abbadi M., Nakatani T. Does Fgf23- klotho activity influence vascular and soft tissue calcification through regulating mineral ion metabolism? // Kidney Int. — 2008 Sep. — 74(5). — 566-70. doi: 10.1038/ki.2008.218.
18. Urakawa I., Yamazaki Y., Shimada T. et al. Klotho converts canonical FGF receptor into a specific receptor for FGF23 // Nature. — 2006. — 444. — 770-4. doi: 10.1038/nature05315.
19. Ichikawa S., Imel E.A., Kreiter M.L. et al. A homozygous missense mutation in human KLOTHO causes severe tumoral calcinosis // J. Clin. Invest. — 2007. — 117. — 2684-91. doi: 10.1172/JCI31330.
20. Hu M.C., Kuro-o M., Moe O.W. Klotho and Chronic Kidney Disease // Contrib. Nephrol. — 2013. — 180. — 47-63. doi: 10.1159/000346778.
21. Shimamura Y., Hamada K., Inoue K. et al. Serum levels of soluble secreted α-Klotho are decreased in the early stages of chronic kidney disease, making it a probable novel biomarker for early diagnosis // Clin. Exp. Nephrol. — 2012 Oct. — 16(5). — 722-9. doi: 10.1007/s10157-012-0621-7.
22. Kuro-o M. Klotho in chronic kidney disease — What’s new? // Nephrol. Dial. Transplant. — 2009 Jun. — 24(6). — 1705-8. doi: 10.1093/ndt/gfp069.
23. Wolf M. Update on fibroblast growth factor 23 in chronic kidney disease // Kidney Int. — 2012. — 82(7). — 737-47. doi: 10.1038/ki.2012.176.