Klotho通过Sirt1-CHK2通路调控多组织干细胞衰老与增殖的机制研究

《npj Aging》：Regulation of stem cell aging and cellular proliferation by Klotho-Sirt1 pathways in heart, kidney and small intestine

本研究针对衰老过程中组织再生能力下降的关键问题，探讨了抗衰老激素α-Klotho通过Sirt1-CHK2信号通路调控心脏、肾脏和小肠干细胞增殖的新机制。研究人员通过给年轻和年老野生型小鼠及Klotho缺陷小鼠补充可溶性Klotho（sKL），发现sKL能显著增强多种组织的细胞增殖标记物表达，改善衰老表型。该研究揭示了Klotho-Sirt1-CHK2通路在维持多组织稳态中的核心作用，为抗衰老治疗提供了新靶点。

　　

随着人口老龄化加剧，组织再生能力下降已成为衰老相关疾病发生的重要基础。干细胞作为组织修复和再生的核心力量，其衰老会导致多种器官功能衰退。然而，调控干细胞衰老的关键分子机制尚不完全清楚。在这一背景下，Klotho蛋白作为著名的抗衰老激素，其血清水平随年龄增长而下降，但与干细胞衰老的具体关系仍需深入探索。

发表在《npj Aging》的这项研究首次系统揭示了Klotho通过Sirt1-CHK2通路调控多组织干细胞衰老与增殖的新机制。研究人员创新性地选择了三种具有不同再生能力的组织——高周转率的小肠、中等周转率的肾脏和低周转率的心脏，全面探讨Klotho在衰老过程中的作用。

为了阐明Klotho在衰老中的作用机制，研究团队设计了精巧的实验方案。他们使用年轻野生型（5-6月龄）、年老野生型（17-23月龄）和年老Klotho杂合缺陷（OKL+/-）小鼠，每天腹腔注射可溶性Klotho（sKL，0.01 mg/kg/天）持续10周。通过BrdU标记增殖细胞，并结合多种细胞周期标志物（Ki-67、磷酸化组蛋白3）的检测，系统评估了Klotho对多组织增殖能力的影响。

关键技术方法包括：小鼠模型构建与sKL干预、超声心动图评估心功能、Klotho酶联免疫吸附测定、BrdU标记与定量分析、免疫组织化学染色、蛋白质印迹分析、人诱导多能干细胞源性心肌细胞（hiPS-CM）培养、小干扰RNA转染技术。其中Werner综合征成纤维细胞来自华盛顿大学，人肾脏管状上皮细胞系HK2用于机制验证。

Klotho缺乏在衰老过程中加剧并通过可溶性Klotho补充部分恢复

研究发现，血清Klotho水平在年轻野生型到年老小鼠中下降超过12倍。sKL补充可提高循环Klotho水平，特别是在OKL+/-小鼠和20月龄前开始治疗的个体中效果更明显。

Klotho改善小肠基底隐窝的增殖标志物

衰老小肠中潘氏细胞和杯状细胞显著增加，而sKL处理可逆转这种年龄相关变化。更重要的是，sKL恢复了基底隐窝中BrdU阳性细胞数量，表明其对肠道干细胞增殖的促进作用。

Klotho缺乏与加重的肾脏衰老和细胞增殖标志物减少相关

年老小鼠中正常肾小球比例从90%降至50%，而中重度肾小球硬化比例升至15%。OKL+/-小鼠中肾小球硬化比例进一步升至近50%。sKL治疗将肾小球硬化降至10-12%，同时显著改善间质纤维化。

Klotho调节基础心肌细胞增殖标志物

即使在认为有丝分裂后的心肌细胞中，sKL处理仍使OKL+/-小鼠的BrdU⁺心肌细胞增加2.5倍，Ki67⁺心肌细胞增加4倍，磷酸化组蛋白3⁺心肌细胞增加3.5倍，表明Klotho能促进极低周转率组织中的细胞增殖。

Klotho缺乏与加重的心脏衰老相关

年老野生型小鼠左心室质量增加约2倍，OKL+/-小鼠进一步加重。sKL显著改善左心室质量和舒张功能，但对收缩功能无显著影响。

Klotho补充改善DNA损伤反应通路介质

衰老组织中γ-H2Ax（DNA双链断裂标志物）、磷酸化ATM和总ATM、磷酸化CHK2和总CHK2均显著升高。sKL治疗10周可显著减弱这些年龄相关的DNA损伤反应通路激活。

Klotho补充通过Sirt1信号增加心肌细胞、肾小管细胞和人类早老成纤维细胞中的增殖标志物

机制研究表明，sKL通过Sirt1促进心肌细胞增殖，这一效应可被Sirt1抑制剂Ex527消除。CHK2作为DNA损伤反应通路的关键调节因子，其表达受sKL调控，且这一调控依赖于Sirt1。在人心肌细胞、肾小管上皮细胞和Werner综合征成纤维细胞中均证实Sirt1是sKL作用所必需的。

研究结论表明，循环Klotho通过Sirt1-CHK2通路在多组织中发挥保守的调节作用。Klotho缺乏加剧衰老表型和降低再生能力，而sKL补充能有效逆转这些年龄相关衰退。该研究不仅阐明了Klotho-Sirt1-CHK2轴在调控多组织干细胞衰老中的核心地位，还为开发针对年龄相关组织再生障碍的治疗策略提供了重要理论基础。

这一发现具有深远的转化医学意义：sKL可能成为一种潜在的治疗剂，用于增强多种组织的再生潜力，特别是在衰老个体中。研究揭示的机制在从高周转率到低周转率的不同组织中均保守存在，提示Klotho-Sirt1-CHK2通路是调控机体整体衰老进程的关键枢纽。