足细胞相关分子与蛋白尿的关系

1、足细胞相关分子与蛋白尿的关系        【摘要】  多个特异由肾小球足细胞表达的蛋白分子不但由足细胞特异表达，而且对维系正常的足细胞形态和功能起着至关重要的作用。本文就这些足细胞相关分子与足突融合的研究作一介绍，足细胞分子的研究将为早日明确足突融合的发生机制奠定基础。 【关键词】  蛋白尿； 肾病综合征； 膜性肾小球肾炎； 动物实验； 综述蛋白尿是肾病综合征最常见的表现。人们早已认识到蛋白尿的发生与肾小球滤过屏障的异常有密切关系。肾小球滤过屏障结构由内向外依次为毛细血管内皮细胞、肾小球基底膜

2、(Glomerular basement memberane，GBM)以及位于外侧足细胞(Podocyte)与足突之间的裂孔隔膜(Slit diaphragm)。由于内皮细胞窗孔直径较大，几乎不能限制蛋白质的滤过，但其表面覆盖的阴性蛋白多糖可能起到一定的电荷屏障效应。GBM通过表面丰富阴离子电荷和纤维索带样的小孔径筛网结构发挥电荷屏障和孔径屏障的功能。脏层上皮细胞即足细胞是位于GBM外侧的一种终末期分化细胞，其构成了避免机体蛋白丢失的最后一道屏障，足细胞损伤必然伴随大量蛋白尿。    在伴有大量蛋白尿的人类肾病和肾病动物模型中，足突融合是最主要和最常见的形态改变，

3、同时也是一些疾病（如微小病变肾病）的特征性形态改变。足细胞的异常在各种类型的肾病综合征蛋白尿产生及过程中起重要作用1。显微镜扫描提示被称为融合的足细胞形状改变由指突交错状足突逐渐均一化，导致细胞看起来扁平拉长。这不是相临细胞的融合，更准确说，是每个足细胞回缩、变短、增宽。与正常细胞相比，足突长度减少70%，宽度增加60%，结果不正常细胞形状包括变平和扩展细胞，这就是足突融合2。足突融合不是一个简单被动现象，而是一个需要消耗能量以及起始于足细胞骨架改变后发生的积极的过程。    近年来，随着分子生物学技术的飞跃发展，已经相继发现多个特异的由肾小球足细胞表达的蛋白分子

4、，将其称为足细胞相关分子（Podocyte associated molecules）。这些分子不但由足细胞特异表达，而且对维系正常的足细胞形态和功能起着至关重要的作用。依据这些分子在足细胞足突的分布而将其分为三类：主要分布于足突顶部（Apical area）的分子，即足突面向尿囊腔部分所分布的分子；足突裂孔隔膜部的分子，即主要分布在足细胞足突的裂孔隔膜上的分子；足突基底部分子，即分布在足突与肾小球基膜相附着部位的分子。此外，也有研究者将足细胞内大量的骨架蛋白，尤其是导致蛋白尿或肾病发生的一些足细胞表达的细胞骨架蛋白分子也归属为足细胞分子。这些分子直接或间接导致或参与足细胞足突融合及相关的病理

5、生理过程，导致蛋白尿。Mundel教授认为引起足突融合的可能机制可归纳为如下几点：首先是病变直接干扰了足细胞的细胞骨架及其与actinin4的联系破坏；其次是干扰了足突与基膜之间的相互作用；第三是足细胞顶区受损，负电荷屏障破坏；第四是损伤了裂孔隔膜复合体及其相关的脂阀（Lipid rafts）3。本文将就这些足细胞相关分子与足突融合的研究作一些介绍。    1  足突基底部分子与足突融合    足突基底部分子在维持细胞形状上起重要作用，它能维持足突与基膜的相互作用和足突的正确定位，其中最主要的分子是31整合素（31integ

6、rins）以及Dystroglycan复合体。已有的研究显示足细胞在基膜上的附着破坏能引起足突融合以及足突自基膜脱离或足细胞的胞体收缩，从而导致滤过屏障破坏引起蛋白尿。黏附分子31整合素是足细胞贴附于GBM的主要受体，通过31整合素足细胞贴附于GBM的细胞外基质蛋白上4。报道，培养的大鼠足细胞以1整合素依赖方式与GBM的主要成分型胶原和层黏连蛋白相黏附5，而在胞浆区的异二聚体则与细胞骨架或细胞骨架相关蛋白如Talin，Vinculin，actinin等相互作用3。    3整合素基因敲除小鼠出现了GBM结构紊乱及正常足突形成缺失6，抗整合素抗体可引起蛋白尿的发生7

7、，提示整合素在维持正常足细胞功能中起着重要作用。整合素连接激酶(Integrinlinked kinase，ILK)是一种与整合素相互作用的丝氨酸及苏氨酸蛋白激酶。肾小球中ILK主要在足细胞上表达，它通过调控由整合素介导的细胞内信号转导而影响细胞之间、细胞与细胞外基质之间的相互作用，从而调节足细胞生存810。在芬兰型遗传型肾病综合征患者、血清肾毒性模型和生长激素转基因动物模型足细胞中，ILK表达明显上调11。ILK过表达可使足细胞发生去分化、高度增生及细胞骨架重排，并与基质脱离。提示ILK表达增多促进并参与了足细胞损害，可能是导致蛋白尿产生的原因。Dstroglycans(DG)是另一类连接细

8、胞骨架的细胞外基质受体，介导足细胞与GBM的黏附12，它是肌细胞增强蛋白(Dystrophin)糖蛋白复合物的重要成员之一。DG作为一类大的前体蛋白而被合成，已证实它在包括肾脏的许多组织中与基底膜相连2，DG与31整合素具有同样的定位。DG与GBM上的层黏连蛋白、基底膜蛋白多糖相连。在足细胞融合关联疾病中，微小病变肾病DG水平下降，在局灶节段肾小球硬化中DG以结成束的方式重新分布13。Kojima等14用活性氧损伤足细胞以及采用鱼精蛋白直接分离DG的黏附，最后导致了足突融合的发生。    2  足细胞顶区表面分子与足突融合  

9、0; 足细胞除了作为静态分子筛阻止蛋白尿外，也可以以电荷屏障的方式阻止带阴电荷的蛋白通过。而这主要归功于足细胞顶区表面分子Podocalyxin和Podoplanin。足细胞阴电荷水平下降或丢失会导致足突融合与蛋白尿15。Podocalyxin可与足突Factin相互作用以维持足细胞构象稳定，这种作用可能是通过Ezrin蛋白介导的16。以足突融合为主要表现的嘌呤霉素肾炎模型肾脏Podoplanin的表达明显下降17。同时也有研究证实给大鼠注射抗Podoplanin抗体会导致足细胞足突融合和蛋白尿18。    3  足细胞骨架蛋白与足突融合 &#

10、160;  足细胞有丰富的肌动蛋白(Actin)细胞骨架。肌动蛋白细胞骨架能使足细胞不断动态地改变形状，同时行使静态的功能19。足细胞的细胞骨架由3种主要成分组成，即微管（Microtubules，直径24 nm），中间丝（Intermediate filaments，直径10 nm）和微丝（Microfilaments，直径79 nm）19。足细胞细胞骨架对维持足细胞正常的形态有重要的作用，同时也对维持跨膜蛋白和裂孔隔膜的正常位置有重要作用。在结构破坏的足突内，Actin网架结构(Meshwork)发生显著改变，而足细胞Actin网架结构的变化是足突融合、消失和蛋白尿发生的先决条件

11、20。    微管是由球形的和微管蛋白亚单位组成的异二聚体，它们对维持主突起的正常结构有重要作用，同时它们对足突形成也有重要的作用21。成熟的足细胞在细胞体和主突起中均表达中间丝蛋白Vimentin和Desmin22。其中，Desmin只在大鼠肾小球表达，在嘌呤霉素肾病足突融合中表达明显增高22；Vimentin可能在足突形成中起必不可少的作用23。与细胞体和主突起的细胞骨架不同，微丝是细胞足突主要骨架组成部分，最主要的分子组成是纤维状肌动蛋白（Factin），其相关蛋白actinin4，Synaptopodin将Factin交联在一起24。Factin，acti

12、nin4和Synaptopodin之间在结构和功能上是相互支撑、相互影响的。Factin是一种有极性的机能结构，这种结构使它可以迅速的分支，延伸和解体。Drenckhahn和Franke提出的足突细胞骨架结构模式是由Factin，actinin4以及肌动蛋白Myosin形成的环状微丝束25。actinin4分子是一种Actin微丝交联蛋白，可以将松散的肌动蛋白交联成具有收缩能力的纤维束，对于锚定纤维束至胞浆膜具有辅助作用。其编码基因ACTN4的突变引起常染色体显性遗传性局灶节段性肾小球硬化(Focal segmental glomerulosclerosis，FSGS)26。在实验性肾病模型中

13、，它的增加可促使足突融合27；对转基因小鼠的研究中进一步发现，表达突变actinin4的小鼠有足突融合以及FSGS的表现28。Synaptopodin是一种肌动蛋白结合蛋白，它与足突的actin微丝相连，并且可能有调节足突形状和其运动的能力29；一项在儿童患者中的研究也发现，在微小病变肾病、先天性肾病及FSGS患者中Synaptopodin表达减少30。这些研究均直接或间接的说明了骨架蛋白在维持足细胞形态中发挥重要作用，并且以不同的作用方式参与了足突融合。    裂孔隔膜是连接足细胞相邻足突的蛋白复合体。在肾小球疾病伴有足突融合，往往伴有裂孔隔膜的消失。近年来研究

14、发现，裂孔隔膜是由多个分子组成的复合体样结构，目前已认识的分子有Nephrin，Podocin，CD2AP，FAT，Pcadherin，Neph13及ZO1等。裂孔隔膜构成分子的表达异常能不同程度的影响裂孔隔膜的完整性，且部分分子的改变与足突融合关系密切。Benzing和Walz的研究提示裂孔隔膜蛋白不是静止的，而是经常参与了信号传导的过程。裂孔隔膜蛋白发送信号控制足细胞的表形、生存、Actin骨架31。    4  裂孔隔膜蛋白与足突融合    裂孔隔膜蛋白控制足细胞形状可能最终归于Actin骨架的改变。Nephrin，P

15、odocin与Actin存在着相互作用，注射Nephrin和NEPH1的抗血清可引起补体非依赖性蛋白尿和细胞骨架的异常，表明SD复合体的破坏可严重影响Actin细胞骨架的完整并导致蛋白尿的发生32，33。尽管这些结果表明SD的信号传导对于细胞骨架的重塑(Remodeling)和足细胞形态的完整起重要作用，但是涉及到向Actin网状结构传递信号的SD分子的效应蛋白(Effectors)及信号传导通路目前并不清楚。已有研究表明参与SD与细胞骨架间联系的接头蛋白有CD2AP34，FAT35，CASK36和ZO137。CD2AP不但能与Nephrin的胞内功能域相互作用，而且可和Actin相互结合，可

16、能起到将Nephrin锚定在Actin细胞骨架上的作用38，39。近来发现的并被定位在足细胞SD的Densin180可能是SD分子与细胞骨架之间的重要连接蛋白，因为有研究表明在神经元细胞actinin可和Densin180相互结合和作用40。此外，新的SD分子钙调素依赖丝氨酸蛋白激酶可与Nephrin相互作用并能稳定Nephrincadherin复合体进而将其连接到Actin细胞骨架36。FAT1同样是聚合Actin的组织者，FAT可和ENA/VASP蛋白结合，而ENA/VASP蛋白直接控制Actin的解聚和聚合41。ZO1位于SD插人足突处的胞质侧。最近的功能研究表明ZO1除信号传导功能外，

17、ZO1还能和Actin细胞骨架相互作用42。尽管ZO1和Actin相互作用的功能意义在体内还没有得到证实，但是ZO1能把NEPH1及其相关结合蛋白连接到Actin细胞骨架，而这对于足突结构的完整是尤其重要的。因此，SD作为静态分子筛及高度动态的功能复合体，其信号传导及对细胞骨架的作用、与细胞骨架的联系，对于维持足细胞的正常结构及肾小球滤过屏障的完整功能起关键作用。当裂孔隔膜蛋白受损或变异后，除丢失静态分子筛外，还有Actin排列的损伤（比如：Actin结构破坏），最终足突融合和蛋白尿。1          

18、;   因此，足突融合是一个由复杂机制构成的病理过程，足细胞分子作为其中一个重要环节参与了足突融合。从上述研究也可以看出，足细胞许多区域的分子均与细胞骨架有直接或间接的相互作用，无论引起足突形态变化的因素是什么或损伤的部位在何处，大部分情况下均可先影响足细胞骨架而后引起足突融合的形态改变，同时足细胞分子的改变也能以不同的方式与细胞骨架发生作用从而引起足突融合。因此，可以说以肌动蛋白为中心的细胞骨架是各种损伤因素作用于足细胞引起足突融合的“共同的最后道路”（Common finalpathway）。这些足细胞分子的研究将为早日明确足突融合的发生机制奠定了基础。【】 

19、 1 Asanuma K，YanagidaAsanuma E，Faul C，et al.Synaptopodin orchestrates actin organization and cell motility via regulation of RhoA signallingJ.Nat Cell Biol，2006，8(5)：485491.2 Shankland SJ.The podocyte's response to injury：role in proteinuria and glomerulosclerosisJ.Kidney Int，2006，69(12)：2131214

20、7.3 Mundel P，Shankland SJ.Podocyte biology and response to injuryJ.J Am Soc Nephrol，2002，13(12)：30053015.4 Kojima K，Kerjaschki D.Is podocyte shape controlled by the dystroglycan complexJ.Nephrol Dial Transplant，2002，17 Suppl 9：2324.5 Cybulsky AV，Carbonetto S，Huang Q，et al.Adhesion of rat glomerular

21、epithelial cells to extracellular matrices：role of beta 1 integrinsJ.Kidney Int，1992，42(5)：10991106.6 Kreidberg JA，Donovan MJ，Goldstein SL，et al.Alpha 3 beta 1 integrin has a crucial role in kidney and lung organogenesisJ.Development，1996，122(11)：35373547.7 Adler S，Eng B.Integrin receptors and funct

22、ion on cultured glomerular endothelial cellsJ.Kidney Int，1993，44(2)：278284.8 Blattner SM，Kretzler M.Integrinlinked kinase in renal disease：connecting cellmatrix interaction to the cytoskeletonJ.Curr Opin Nephrol Hypertens，2005，14(4)：404410.9 Kretzler M，Teixeira VP，Berger T，et al.Altering glomerular

23、epithelial function in vitro using transient and stable transfectionJ.J Nephrol，2001，14(3)：211219.10 Tu Y，Huang Y，Zhang Y，et al.A new focal adhesion protein that interacts with integrinlinked kinase and regulates cell adhesion and spreadingJ.J Cell Biol，2001，153(3)：585598.11 Kretzler M，Teixeira VP，U

24、nschuld PG，et al.Integrinlinked kinase as a candidate downstream effector in proteinuriaJ.FASEB J，2001，15(10)：18431845.12 Ruscher K，Freyer D，Karsch M，et al.Erythropoietin is a paracrine mediator of ischemic tolerance in the brain：evidence from an in vitro modelJ.J Neurosci，2002，22(23)：1029110301.13

25、Regele HM，Fillipovic E，Langer B，et al.Glomerular expression of dystroglycans is reduced in minimal change nephrosis but not in focal segmental glomerulosclerosisJ.J Am Soc Nephrol，2000，11(3)：403412.14 Kojima K，Davidovits A，Poczewski H，et al.Podocyte flattening and disorder of glomerular basement membrane are associated with splitting of dystroglycanmatrix interactionJ.J Am Soc Nephrol，2004，15(8)：20792089.15 Kurihara H，Anderson JM，Kerjaschki D，et al.The altered glomerular filtration slits seen in puromycin aminonucleoside nephrosis