综述：经典蛋白酪氨酸磷酸酶在糖尿病肾脏病中的作用及治疗意义

《Journal of Biomedical Science》：The role of classical protein tyrosine phosphatases in diabetic kidney disease and therapeutic implications

　　

摘要 大约三分之一的糖尿病患者患有糖尿病肾脏病（diabetic kidney disease, DKD），且DKD在美国仍是肾衰竭的主要原因。DKD的特征在于肾小球滤过屏障及肾小管间质的损伤，其源于代谢、血流动力学及炎症性损害之间复杂且汇聚性的相互作用。酪氨酸磷酸化（tyrosine phosphorylation）是一种可逆的翻译后修饰，是上述通路中的核心调控机制，并由蛋白酪氨酸激酶（protein tyrosine kinases, PTKs）和蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatases, PTPs）动态调控。异常的酪氨酸磷酸化是DKD的标志性特征，提示PTPs是足细胞、内皮细胞、肾小管细胞及免疫细胞功能障碍的关键调节因子。人类基因组中超过100个基因编码PTPs，其中38个“经典”PTPs特异性靶向酪氨酸基序，包括受体型和非受体型亚型。多个经典PTPs已被证实参与DKD发病机制，而其他PTPs则日益被认为与驱动肾脏代谢、炎症、纤维化和细胞死亡的信号级联反应相关。随着PTPs在疾病中作用的显现，人们对其兴趣日益增加，尽管其中一些PTPs在DKD中的作用仍未明确。此外，近期靶向PTPs治疗代谢性疾病和癌症的药物研发突破，激发了将PTP导向疗法重新定位或定制用于DKD的兴趣。本综述总结了经典PTPs在DKD中的现有知识和最新进展，包括它们在胰岛素信号、细胞架构以及肾小球和肾小管细胞损伤中的作用。本综述进一步讨论了现有的DKD治疗方法，并重点介绍了药理学调节PTP活性的新兴策略，如活性位点抑制剂、变构剂和抗体靶向方法。通过整合机制见解与药物发现工作，本综述概述了靶向特定PTPs如何能够补充当前的标准治疗方案，并为DKD的精准治疗开辟新途径。

背景

糖尿病肾脏病（DKD）是糖尿病的主要微血管并发症，影响20–40%的糖尿病患者。其由慢性代谢和血流动力学应激源（包括高血糖）驱动，并通过复杂、多因素的病理生理过程进展，该过程至今尚未完全阐明。DKD的诊断标准包括白蛋白尿和/或估算肾小球滤过率（eGFR）降低，且无其他可识别的肾脏疾病病因。DKD的临床病程经典描述为从无症状的肾小球高滤过进展至白蛋白尿出现，随后发展为显性蛋白尿和肾小球滤过率（GFR）进行性下降，最终导致需要肾脏替代治疗（如透析或移植）的终末期肾病。DKD仍是全球肾衰竭的主要原因，其全球负担在近几十年来急剧扩大。1990年至2021年间，全球因2型糖尿病（T2DM）导致的慢性肾脏病负担几乎翻倍，增幅约为80–90%。随着肾功能下降，医疗资源利用和支出急剧上升，反映了DKD带来的巨大经济和社会负担。在美国，患有DKD的参保患者平均年全因医疗费用从早期阶段的约30,000美元到较晚期阶段的约119,000美元不等。这些趋势凸显了阐明慢性代谢和血流动力学应激源促进肾损伤的细胞和分子机制的迫切需求，从而为制定靶向治疗策略以预防或逆转疾病进展提供依据。

DKD涉及多种肾细胞类型的功能障碍，包括足细胞、肾小球内皮细胞、系膜细胞和肾小管上皮细胞。在生理条件下，足细胞和肾小球内皮细胞形成并维持肾小球滤过屏障；系膜细胞提供结构支持并调节肾小球收缩，肾小管上皮细胞从滤液中重吸收溶质、营养物质和水分。动态的肾小球内及肾小球-肾小管反馈机制进一步整合滤过、重吸收和信号传导过程以维持肾脏稳态。然而，在DKD中，细胞特异性功能障碍启动适应不良的信号级联反应。病理性细胞间串扰促进损伤因子的释放，如微小RNA和转化生长因子β（TGF-β），这些因子在肾脏各区间内传播损伤。这些信号可导致足细胞死亡、系膜细胞增殖以及肾小球滤过屏障通透性增加。在足细胞中，DKD表现为裂孔隔膜蛋白缺失、细胞骨架重塑、脱落和足突融合。值得注意的是，Wharram等人具有里程碑意义的研究表明，在人白喉毒素受体转基因大鼠中，分级足细胞丢失（即使在最初约20%的耗竭内即可出现系膜扩张和一过性蛋白尿）导致进行性加重的肾小球病变，更大的丢失（>20至40%）促进局灶节段性肾小球硬化，而>40%的丢失导致全球性肾小球硬化，这与糖尿病性肾小球硬化中观察到的肾小球损伤相似。与此同时，人类和实验性DKD研究表明，足细胞数量减少和足细胞脱落增加或尿足细胞标志物升高与白蛋白尿相关，并可预测肾病进展，支持足细胞丢失在DKD发病机制中的核心作用。同时，肾小球内皮细胞表现出糖萼丢失和窗孔破坏，系膜细胞导致基质积聚和系膜扩张。肾小管细胞，尤其是近端小管细胞，表现出钠-葡萄糖重吸收增加、缺氧和白蛋白超负荷。总之，这些多维度、分区特异性的改变为炎症、损伤和纤维化的进展创造了有利环境。

一系列损伤性通路汇聚，在DKD中启动并传播组织损伤。疾病进展的核心是多个相互关联的信号级联中磷酸化依赖性信号网络的失调，包括胰岛素信号、细胞骨架组织、炎症和氧化应激。足细胞和其他肾细胞表达胰岛素受体（IR）及经典信号蛋白，如胰岛素受体底物1和2（IRS1/2）、磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）和Akt丝氨酸/苏氨酸激酶（Akt）。在DKD中，足细胞胰岛素抵抗损害PI3K/Akt和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，破坏细胞存活和细胞骨架稳定性。足细胞胰岛素信号对于维持细胞骨架完整性至关重要，因为足细胞中胰岛素受体的完全缺失使肌动蛋白动力学失稳，导致足突融合和白蛋白尿。这一过程部分通过nephrin介导，nephrin是足细胞中胰岛素刺激的肌动蛋白重塑所必需的关键裂孔隔膜蛋白。Nephrin和其他细胞骨架组分如波形蛋白和α-肌动蛋白-4受磷酸化调控，这些节点的失调可破坏肌动蛋白网络，导致足突融合、脱落和进行性蛋白尿。炎症级联也受磷酸化紧密调控。高血糖相关的肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）激活、晚期糖基化终末产物-晚期糖基化终末产物受体（AGE-RAGE）信号和细胞因子释放刺激肾小球和肾小管细胞中的促炎通路。细胞对这些刺激的响应受涉及Janus激酶/信号转导与转录激活因子（JAK/STAT）和核因子κB（NFκB）信号的磷酸化依赖性机制调节。此外，氧化应激与胰岛素和炎症信号均存在交叉：高葡萄糖和受损的胰岛素信号增加线粒体和NADPH氧化酶衍生的活性氧（ROS），其可损伤细胞骨架蛋白并触发细胞凋亡。总之，受损的胰岛素信号、细胞骨架破坏、炎症和氧化应激汇聚于异常的磷酸化信号，将磷酸化依赖性网络功能障碍定位为DKD进展的核心驱动因素。

酪氨酸磷酸化是一种关键且短暂翻译后修饰，由蛋白酪氨酸激酶（PTKs）和蛋白酪氨酸磷酸酶（PTPs）的协同作用调节。PTKs通常通过磷酸化促进信号转导，而PTPs通常通过去磷酸化减弱（但在某些情况下促进）信号传导。人类基因组编码超过100个PTP基因，包括38个经典PTPs，其具有共享的架构并选择性靶向磷酸酪氨酸残基。在经典PTPs中，有21个受体型和17个非受体型酶。多个经典PTPs已被直接证实参与DKD发病机制或相关肾脏和代谢疾病，而其他PTPs则调节与DKD进展相关的信号通路。相反，一些PTPs迄今在DKD病理生理学中似乎仅有有限或没有直接证据。阐明经典PTPs对DKD的贡献可能揭示新的治疗靶点，并为理解该疾病背后的整合信号机制提供见解。本综述综合了经典PTPs在DKD中的现有知识，强调它们在疾病发生和进展中的机制作用，并考虑如何将PTPs的药理学靶向整合到现有和新兴的治疗策略中。

DKD中的PTPs

PTPs首次在20世纪80年代末和90年代初被证实参与胰岛素信号传导，从而与糖尿病相关，研究表明活化的IR经历酪氨酸去磷酸化，减弱受体信号传导。经典PTPs，PTPN1（PTP1B）和PTPRF（LAR），是最早被确定为胰岛素信号负调控因子的PTPs之一，通过去磷酸化IR和/或下游胰岛素信号蛋白发挥作用。大约在同一时期，强效广谱磷酸酶抑制剂钒酸盐在实验模型中被发现具有“胰岛素样”效应，随后被扩展到DKD研究以检查其对肾细胞的影响。这些开创性发现为研究PTPs在DKD发病机制中的作用提供了机制依据。此后，许多经典PTPs在DKD、糖尿病和肾脏生理学背景下被研究。

在DKD中已确立的PTPs

PTPN1（PTP1B）主要通过去磷酸化IR直接调节胰岛素信号。在永生化小鼠足细胞中，PTP1B敲低减少迁移表型并稳定细胞骨架。此外，PTP1B敲低在高葡萄糖培养的永生化小鼠足细胞中保留胰岛素信号。此外，研究人员将α-肌动蛋白-4（一种在足细胞中丰富表达的细胞骨架组分）鉴定为胰岛素刺激足细胞中PTP1B的底物，并将其功能与足细胞运动性相关联。与此互补，小鼠足细胞特异性PTP1B过表达促进细胞骨架紊乱并增强运动性。在糖尿病肾损伤的啮齿动物模型中，PTP1B在肾小球中上调，而全球性PTP1B基因缺失显著减轻肾小球损伤、改善内质网（ER）应激并减少内皮型一氧化氮合酶（eNOS）缺陷糖尿病小鼠的白蛋白尿，且不显著改变全身血糖或血压。在体内，足细胞特异性基因缺失或PTP1B的药理学抑制可减少白蛋白尿、保留足细胞架构并减轻肾小球基底膜（GBM）增厚。与动物模型观察一致，人类DKD肾小球活检中PTP1B表达据报道升高。机制上，PTP1B过表达可能通过拮抗胰岛素信号、加剧ER应激、激活黏着斑激酶（FAK）信号和增强炎症细胞因子表达而促进DKD发病。

PTPN11（SHP2）已成为通过其在足细胞信号、炎症和生长因子级联中的作用调节DKD发病的关键因子。在E11小鼠足细胞中，高葡萄糖培养下SHP2蛋白表达增加，伴随ER应激、NFκB激活和细胞运动性增加，而SHP2敲低可阻止这些变化。运动性增加可能与SHP2介导的细胞骨架重塑有关，因为波形蛋白（一种对足细胞迁移和细胞骨架重塑至关重要的中间丝）已被证实参与非肾细胞系中SHP2调节的生长因子信号。在糖尿病小鼠模型中，巨噬细胞中观察到SHP2磷酸化和蛋白表达升高，肾小球和足细胞中也检测到SHP2表达增加。值得注意的是，在高血糖或肾损伤的啮齿动物模型中，足细胞特异性基因缺失或SHP2的药理学抑制可保留肾功能。这些动物表现出较低的白蛋白尿和血尿素氮（BUN）水平，以及免受肾小球结构改变的保护。此外，在瘦素受体缺陷糖尿病模型中，SHP2的药理学抑制显示出肾脏保护作用，包括减少白蛋白尿和改善组织病理学。此外，免疫组织化学分析显示DKD患者肾活检中磷酸化SHP2在pY542位点升高，pY542是SHP2激活的主要体内磷酸化位点和关键调节位点。在其他肾脏疾病中，包括微小病变肾病和膜性肾病，也观察到pY542处SHP2磷酸化增加。总之，这些研究表明SHP2失活可能通过减弱ER应激和炎症，同时改善胰岛素信号和细胞骨架稳定性来减轻DKD进展。

PTPN6（SHP1）通过调节足细胞结构和胰岛素信号促进DKD发病。高葡萄糖培养的足细胞显示PTPN6 mRNA和蛋白表达升高，其破坏胰岛素信号并促进细胞凋亡，这些效应可通过过表达显性负性SHP1来缓解。功能上，SHP1通过去磷酸化PI3K的p85调节亚基和nephrin来调节胰岛素信号，nephrin是足细胞架构和滤过屏障完整性的关键介质。在糖尿病小鼠模型中，SHP1在肾皮质中上调并特别富集于足细胞。在DKD小鼠模型中，足细胞特异性SHP1基因缺失可减少白蛋白尿、减轻足突融合和GBM增厚，并防止肌动蛋白细胞骨架信号和重塑标志物的mRNA表达变化。此外，其表达在糖尿病和DKD患者的肾小球中升高。

PTPRB（VEPTP）是一种内皮磷酸酶，直接去磷酸化TEK受体酪氨酸激酶（TIE2）。它在肾小球毛细血管、小动脉和小叶间血管中高表达，在成人肾脏中主要局限于内皮细胞。在原代人肾小球内皮细胞中，高血糖、渗透压应激和缺氧增加VEPTP表达，在糖尿病小鼠模型中，VEPTP表达在肾皮质中升高。同样，在急性肾损伤（AKI）缺血/再灌注损伤模型中，VEPTP表达在肾内皮细胞中增加并与TIE2信号减少相关，而PTPRB基因缺失可保留内皮完整性、限制炎症并改善肾功能。在糖尿病小鼠模型中，诱导性VEPTP基因缺失可改善GFR、减少肾小球基质积聚和硬化，并保留足细胞和裂孔隔膜完整性。然而，单独使用靶向胞外结构域的抗体mAb 109.1抑制VEPTP在实验性DKD中并未显著改善白蛋白尿或BUN，表明虽然内皮保护增强肾脏血流动力学和结构韧性，但可能不足以完全纠正DKD中的滤过屏障功能障碍。

PTPRO（GLEPP1）选择性表达于足细胞顶端表面，全球性GLEPP1基因缺失的小鼠表现出足细胞形态改变，呈阿米巴样而非章鱼样，足突短而宽。这些结构异常伴随波形蛋白分布改变和nephrin含量减少，导致滤过面积减少，这与基线和单侧肾切除后GFR的可测量下降相对应。此外，这些GLEPP1缺陷小鼠表现出比对照组更高的血压，尽管蛋白尿无差异。此外，在大鼠嘌呤霉素氨基核苷肾病足细胞损伤模型中，GLEPP1表达在损伤后早期短暂降低随后恢复，仅在硬化肾小球中完全缺失。GLEPP1下调也已在人类DKD中报道，其在系膜扩张的肾小球中表达减少，在硬化肾小球中缺失。虽然其在足细胞胰岛素信号中的参与仍有待确定，但GLEPP1对细胞骨架组织和nephrin依赖性屏障完整性的影响表明其可能参与DKD中观察到的结构和功能衰退。

PTPRJ（CD148）通过去磷酸化关键生长因子受体调节上皮和内皮信号，包括血小板衍生生长因子受体β（PDGFRβ）、表皮生长因子受体（EGFR）和血管内皮生长因子受体2（VEGFR2）。在体外，肾成纤维细胞（NRK-49F）中CD148过表达通过去磷酸化PDGFRβ抑制TGF-β诱导的增殖并减少纤维化标志物的表达。此外，在糖尿病小鼠模型中，足细胞特异性基因缺失或EGFR的药理学抑制可减轻白蛋白尿并限制足细胞丢失。与这些发现一致，在糖尿病小鼠模型中用激动性抗CD148抗体治疗可增强CD148活性，随后减轻白蛋白尿和系膜基质扩张，抑制肾小球纤维化和巨噬细胞浸润的标志物，并保留nephrin表达和足细胞数量。除PDGFRβ和EGFR信号外，CD148还调节VEGFR2，即VEGF依赖性血管生成的主要介质。CD148通过去磷酸化VEGFR2抑制过度内皮细胞增殖和迁移来调节这一过程，同时激活原癌基因酪氨酸蛋白激酶Src（SRC）/Akt信号以确保适当的细胞存活和稳定毛细血管形成。过度的VEGF信号在糖尿病和其他慢性疾病中促进病理性血管生成和血管通透性。在糖尿病患者中，尿VEGF水平与蛋白尿严重程度正相关，而血浆VEGF水平仅在显性蛋白尿中升高。这些数据表明，CD148介导的PDGFRβ、EGFR和VEGFR2信号调节有助于保留足细胞完整性和内皮稳态，从而限制DKD中的白蛋白尿和结构进展。

PTPN14（PEZ）通过其与YAP的相互作用调节Hippo通路，YAP是调节细胞增殖和凋亡的转录共激活因子。尽管常在癌症中Hippo通路失调的背景下研究，PEZ也参与黏附连接动力学、内皮屏障功能和炎症调节。在体外，PEZ mRNA和蛋白表达均在高葡萄糖培养下增加。在链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠模型中，全球性PEZ基因缺失可减轻肾损伤、减轻白蛋白尿并保留肾小球架构。功能上，PEZ缺陷抑制肾小球炎症和纤维化标志物，可能通过与甲状腺受体相互作用蛋白6（TRIP6）的相互作用介导。在糖尿病小鼠肾小球和DKD患者肾脏中，PTPN14 mRNA和蛋白水平升高，在足细胞中检测到表达。在DKD中，PEZ可能主要通过足细胞中TRIP6介导的炎症和纤维化信号促进肾小球损伤。

PTPN2（TCPTP）是PTP1B的密切同源物，以非冗余方式去磷酸化IR。在体外，高葡萄糖抑制小鼠系膜和肾小管上皮细胞中PTPN2表达，在糖尿病和高脂血症小鼠模型（ApoE^?/?背景上的STZ诱导糖尿病）中，全身性过表达PTPN2的腺病毒基因治疗可改善白蛋白尿、降低血清肌酐和BUN，并改善肾小球、肾小管和间质形态。然而，由于该干预也减轻高血糖和血脂异常，肾脏改善可能源于代谢控制改善而非直接的肾脏特异性PTPN2效应。在早期DKD（1-2期）患者中，血清和外周血单个核细胞中TCPTP表达降低，在大量白蛋白尿患者中观察到最低水平。机制上，TCPTP似乎至少部分通过改善炎症、纤维化和STAT依赖性信号来减轻与DKD相关的肾损伤。

与DKD相关的PTPs

PTPRG（RPTPγ）在包括足细胞、肾小球内皮细胞、成纤维细胞和近端肾小管上皮细胞（PTECs）在内的肾细胞中表达，其表达在氧化应激下通过miR-141介导的抑制而下调。在PTECs中，RPTPγ主要定位于基底外侧膜，并作为细胞外CO?/HCO??传感器，对肾脏pH稳态至关重要。此外，RPTPγ在一项血清蛋白质组学研究中被鉴定为在DKD进展过程中丰度增加的几个候选血清蛋白之一。

PTPRC（CD45）在所有有核造血细胞上高表达，常被用作典型的泛白细胞标志物。在糖尿病小鼠中，巨噬细胞浸润与肾功能下降相关，免疫介导的炎症促进肾纤维化。CD45被鉴定为与多种慢性肾脏病（包括DKD）中肾纤维化相关的高度差异表达基因（DEG），其表达水平与GFR呈负相关。