王 钰 王梦婧 综述  陈 靖 审校

摘 要

肾脏作为人体重要的代谢器官,在水盐代谢、酸碱平衡及稳态维持中发挥着重要作用,这些作用高度依赖肾脏小球及小管上皮细胞对于离子的转运功能。claudin家族是细胞间连接结构中功能最重要的蛋白,广泛分布于肾小球、肾小管,参与一系列离子的细胞旁转运,因此claudin蛋白表达异常与多种肾脏疾病相关。了解claudin蛋白在肾脏的表达与分布可为蛋白尿、离子代谢紊乱等诊疗提供思路并利于疾病防治。

ABSTRACT

As an important metabolic organ, the kidney plays an important role in water and salt metabolism, acid-base homeostasis and homeostasis maintenance, which are highly dependent on the ion transport function of renal glomeruli and tubular epithelial cells. Claudin protein expression abnormalities have been associated with a variety of renal diseases. Understanding the expression and distribution of Claudin proteins in the kidney can provide ideas for the treatment of proteinuria and ion metabolism disorders and facilitate disease prevention and treatment.

Key words renal disease   claudin family   calcium and phosphorus disorders   water and salt metabolism

claudin是紧密连接膜蛋白大家族的成员,1998年由Furuse等[1]首次鉴定发现,其分子量为21～28 kD,由四个跨膜区域、两个细胞外环(ECL)、氨基末端和羧基末端细胞质结构域及一个短的细胞转角组成(图1)。人类 claudin家族有27个成员,广泛分布于上皮细胞中并根据上皮细胞类型而特异性表达。根据其功能claudin可划分为两类:一类构成防止分子通过上皮细胞层的细胞旁屏障;另一类则充当特定分子(离子或非离子溶质)的选择性渗透性细胞旁通道。根据其序列同源性和功能相似性,则分为经典型(1～10、14、15、17、19)和非经典型(11～13、16、18、20～24)[2]。在claudin两个细胞外环中,ECL1长约50个氨基酸,负责紧密连接的选择通透性。ECL2结构域比较小(约16个氨基酸),形成螺旋-转角-螺旋结构。由于相邻细胞间紧密连接的形成需要表面claudin的相互作用,因此两个ECL结构域对于紧密连接的形成都至关重要。

claudin的屏障作用与孔道作用  多项研究表明,claudin蛋白决定细胞旁通路的大小和电荷选择电导特性,根据claudin表达是增加还是减少跨上皮电阻(TEER,评估细胞间通透性的指标,与通透性成负相关),claudin被分为屏障claudin和成孔claudin。研究发现claudin1、claudin4、claudin5、claudin6、claudin8、claudin9、claudin11、claudin15和claudin19为屏障作用[3-8],而claudin2、claudin10和claudin16被认为主要发挥孔道作用。Claudin的功能分类一方面与自身构象有关,另一方面也与其表达部位自身对离子通透特性有关。在肾单位中,已观察到不同类型claudin的表达与不同通透特性的小管段相关,如claudin2主要定位于对多种物质具有强重吸收能力的近端小管,而claudin8在对尿液成分微调远端肾单位中表达。

表1 claudin分类(根据阴阳离子选择性)[10]

claudin的大小选择性  关于紧密连接通道孔径,既往研究表明紧密连接通道的半径为 3～8 Å,如:人结直肠癌细胞系CaCO2中紧密连接通道的半径为 4.6 Å[11],另一项使用聚乙二醇(PEG)分析的研究表明半径约为4 Å[12]。目前尚缺乏针对不同物种不同claudin蛋白通道大小的系统研究。

claudin蛋白在所有已知的上皮组织中都有表达,因此肾脏也是claudin蛋白的主要表达部位。

肾小球  肾小球是一种过滤装置,允许水和溶质进入肾小球囊腔,同时绝大多数血浆蛋白无法被滤过。肾小球屏障由两部分构成:(1)由孔毛细血管内皮细胞、肾小球基膜(GBM)和足细胞足突之间的裂隙隔膜(肾小球囊的脏层上皮)组成的肾小球三层滤过装置。(2)肾小球囊壁层上皮细胞。claudin则主要在肾小球囊的壁层上皮及足细胞中表达,充当大分子屏障。肾小球肾炎时,这一屏障被破坏,进入肾小球囊间隙的大分子甚至白蛋白便能够渗入壁上皮与基膜间[13],体外实验也证明claudin1也可作为440 kD葡聚糖分子的屏障[14]。在成人肾小球三层滤过屏障中,相邻两足突间的裂隙由一层薄膜连接,即裂孔隔膜,在疾病状态下,裂孔隔膜可向紧密连接转变,导致肾小球滤过膜通透性缺陷[15],对大分子的屏障拦截功能丧失,引起蛋白尿表型。生理状态下胎儿未成熟的足细胞足突间会形成紧密连接,在发育过程中消失,在肾病状态下重新出现,与足突和狭缝孔的消失一致[16]。研究表明多种肾病与该异常转换相关:(1)糖尿病肾病,微量白蛋白尿是早期糖尿病肾病的典型特征,研究显示与健康对照组相比,糖尿病肾病组E-钙黏蛋白水平显著下降,血清E-钙黏蛋白已成为参与糖尿病肾病发病机制并与其阶段协调的可靠标志物[17-18]。Claudin1主要表达于健康小鼠肾脏肾小球壁层上皮,在糖尿病肾病小鼠足细胞中严重上调[19]。claudin5是足细胞功能的关键调节因子,足细胞claudin5特异性缺失也会加剧糖尿病肾病小鼠模型中的足细胞损伤和蛋白尿[20]。这种结构和功能变化可能是因为claudin通过顺式或反式结合直接与裂孔隔膜成分(如nephrin和podocin)相互作用,正常的裂孔隔膜结构遭到破坏导致肾小球屏障功能缺陷[15]。(2)肾病综合征 生理状态下claudin5分布于整个足细胞质膜中,claudin6则分布于基膜和裂孔隔膜底部。在嘌呤霉素诱导的实验性肾病中,足细胞间出现新的紧密连接表现为claudin5及claudin6上调。claudin功能的增强可能破坏正常的裂孔隔膜结构,裂孔隔膜向紧密连接转换导致肾小球滤过膜通透性缺陷[15,19]。近年通过超分辨率结构照明显微镜,微小病变疾病患者足细胞裂孔隔膜中出现claudin5上调,其上调优先于足突的变化,claudin5可作为预测早期足突消失的生物标志物[21]。

表2 肾小管中claudin的分布及功能表型

FHHNC  FHHNC为家族性低镁血症伴高钙尿症和肾钙质沉着症,一种以肾脏Ca2+和Mg2+消耗为特征的常染色体隐性遗传疾病,与claudin16和claudin19基因的突变有关[23]。尿液中尿镁增多并伴高钙尿症,由于尿液浓缩能力受损,患者通常出现反复尿路感染、血尿和非细菌性白细胞尿、肾结石、多尿/烦渴伴夜尿。

肾结石  claudin14内含子rs199565725中两个碱基缺失导致了高钙尿症和肾结石[24-25]。claudin14的rs219779和rs219780与肾结石发生有较强相关性[26]。claudin3基因14’区的24个单核苷酸多态性与尿钙排泄显著相关[27]。Gong等[28]研究发现,claudin14可能与髓袢中的claudin16相互作用并降低claudin16-claudin19异聚复合体的阳离子选择性。claudin2在钙代谢中也有病理生理意义,claudin2敲除小鼠由于近端肾小管钙重吸收减少表现出高钙尿症,这也导致肾钙质沉积和肾结石。基于人群的大型研究表明,claudin2错义突变男性有明显的高钙尿症和肾结石病[29]。

HELIX综合征  2017年有研究首次对claudin10双等位基因突变进行报道,患者均表现出低钾代谢性碱中毒和高镁血症[30-31],并将这种症状称为HELIX综合征,临床表现为汗腺、唾液腺和泪腺的功能缺陷,多伴有血电解质异常、高镁血症和(或)低钾血症。在claudin10b条件敲除小鼠进行灌注分离的髓袢表现出与正常同窝小鼠髓袢更高的跨上皮阻力和更低的细胞旁Na+及Cl-通透性比率,基因敲除实验显示claudin10b特异性增加细胞旁路对Na+的通透性,唾液及汗液形成受阻与该基因突变有关。claudin10a与claudin2之间存在相互影响,claudin10a缺陷小鼠其近端小管段claudin10a被claudin2取代,电生理学显示从细胞旁阴离子偏好转变为阳离子偏好,从而导致肾小管钙镁潴留,尿pH值升高,轻度高镁血症[32]。

常染色体显性遗传性多囊肾(ADPKD)  ADPKD是心血管疾病及终末期肾病的重要原因,其特征是沿肾单位形成的充满液体的囊。主要机制为跨上皮液体及溶质分泌失衡,目前较为推崇的是活性跨细胞Cl-分泌模型,即细胞旁通路对Cl-不可渗透,囊腔内NaCl的主动积累驱动渗透水的分泌。研究者通过对ADPKD患者肾脏染色发现,claudin19表达的降低及定位的改变[33]。此外,Yu等[34]通过对小鼠及ADPKD患者肾囊肿实验发现claudin3、claudin4在囊肿早期高表达,两者可能在囊肿生长中发挥重要作用,claudin7通过维持细胞旁Cl-屏障从而为Na+和水输送到囊腔内提供驱动力并有望成为抑制囊肿生长药物的良好靶标。

急性肾损伤(AKI)  AKI发生率和病死率高,是临床上最为常见的疾病之一,缺血再灌注损伤、脓毒症、缺血是造成急性肾损伤的主要原因。随着研究的深入,肾小管上皮细胞紧密连接破坏导致细胞凋亡、坏死、脱落堵塞管腔及肾小管回漏促进AKI发生发展。Eadon等[35]给小鼠注射脂多糖诱导肾损伤,肾小管中发挥屏障作用的claudin4、claudin8表达降低,肾小管通透性增加使得肌酐、尿素在肾小管中排泄异常加重肾脏损伤,Trujillo等[36]发现顺铂诱导肾损伤与肾脏近端小管高表达的claudin2表达降低有关,并进而出现Na+、Cl-和水的跨上皮重吸收减少以及细胞旁电阻增加,管球反馈失衡最终导致AKI。

来源：肾脏病与透析肾移植杂志订阅号