当前位置：首页 > 详细信息 陆军军医大学刘赤/赵景宏/黄英辉团队发现肾脏再生的“刹车”分子
作者：CZRC 发布时间：2023/11/9 4:00:00
器官再生需要精确协调再生驱动因子以及抑制因子，但是其背后的复杂机制还未阐明。由于人类不具备再生肾单位的能力，因此损伤后的肾脏功能难以恢复[1]。而与人类不同，成年斑马鱼具有强大的肾脏再生能力，腹腔注射过量的庆大霉素能造成斑马鱼肾小管细胞凋亡从而引起急性肾损伤（AKI）。AKI发生后，斑马鱼能在14天内再生大量肾单位，恢复肾功能[2]。研究表明，在斑马鱼肾损伤后的第5天，由lhx1a阳性的肾脏祖细胞聚集而成的细胞团在斑马鱼肾脏间质中大量产生，这些细胞团能进一步分化成为成熟的肾单位[2, 3]。解析斑马鱼肾脏再生的机制将为肾脏疾病的治疗提供新的思路。但是，该过程中何种因子负责调控肾脏再生的强度以及终止还未阐明。
2023年11月07日，陆军军医大学刘赤研究员、赵景宏教授、黄英辉教授团队在Nature Communications在线发表了题为"Proenkephalin-A secreted by renal proximal tubules functions as a brake in kidney regeneration"的研究论文。该研究发现在斑马鱼肾小管近端特异表达的脑啡肽原（Proenkephalin-A），能剂量依赖性的抑制肾脏再生的启动因子过氧化氢（H2O2）的产量，进而影响肾脏祖细胞间质上皮转化的关键基因tcf21启动子H3K4me3修饰的重塑，从而控制肾脏再生的强度以及终止 [4]。
该研究首先通过分析斑马鱼成体肾脏的单细胞测序数据，发现Proenkephalin-A（PENK-A，脑啡肽原）在肾小管近端特异性表达。脑啡肽原是脑啡肽的前体，人类脑啡肽原经酶解后可以得到4分子的甲硫氨酸脑啡肽(Met-ENK)和1分子的亮氨酸脑啡肽(Leu-ENK) [5]。脑啡肽在疼痛感知和应激反应中发挥了重要的功能[5]。同时，PENK-A与肾小球滤过率（eGFR）呈现强烈的负相关，因此可作为肾小球功能的生物标志物。此外，血浆PENK-A浓度还与AKI和心脏疾病的长期预后相关[5, 6]。但是其在肾损伤后的功能还不清楚。该研究进一步检测了AKI病人肾脏中PENK-A的变化，发现其在肾脏损伤后有明显的下降。而斑马鱼AKI模型中，PENK-A也在损伤开始阶段明显下降，而在肾脏再生的后期开始上升（图1），提示PENK-A在肾脏再生的过程中起重要的作用。
图1 PENK-A在肾小管近端特异表达
图1 PENK-A在肾小管近端特异表达
作者接着通过CRISPR/Cas9基因敲除的方法构建了斑马鱼penka突变体，发现PENK-A表达缺失会加速肾脏再生，提示PENK-A对肾脏再生具有负调控作用。同时，研究者也使用了PENK-A的抑制剂纳洛酮（NAL-M）对再生中的肾脏进行处理，同样发现抑制PENK-A的活性会加速肾脏再生。而通过给予PENK-A激动剂Met-ENK和曲马多（TRAM），发现它们会抑制肾脏祖细胞聚集成细胞团，减少新生肾单位的数量。该研究还构建了能通过热激过表达penka的转基因鱼系Tg(hsp70l:penka) 来激活PENK-A信号途径，同样发现提前过表达PENK-A可以终止肾脏再生。因此，PENK-A在肾脏再生过程中充当“刹车”的作用。
进一步通过分析PENK-A受体的表达，发现其受体主要表达在肾髓质细胞中，而这正是肾脏再生的启动信号分子H2O2产生的位置。前期研究表明H2O2在损伤初期的肾脏中大量产生，抑制H2O2产生会阻断新生肾单位的再生[7]。研究者猜测PENK-A可能通过调控H2O2的产生发挥功能（图2）。通过penka突变体、抑制剂、激动剂等方法，研究者确定PENK-A可以剂量依赖性的抑制H2O2的产生。因此，在肾脏再生的初期降低PENK-A表达促进了H2O2的产生，而在后期，随着新肾单位数量的增加，近端表达的PENK-A的上升则抑制了H2O2的产生，从而终止肾脏再生。
图2 PENK-A通过调控H2O2的产生影响肾脏再生
图2 PENK-A通过调控H2O2的产生影响肾脏再生
既往的研究表明，活性氧自由基（ROS）可以通过下调秀丽隐杆线虫细胞中H3K4me3的水平来增强其对环境的适应性[8]。因此，研究者猜测H2O2可能通过改变肾脏细胞H3K4me3修饰水平发挥作用。通过分析，在野生型肾脏中，发现损伤后3天的肾脏中H3K4me3水平显著降低，然后在第5天出现上升，这些数据表明H2O2的爆发可能诱导了肾脏细胞中H3K4me3的重塑。通过penka突变体、PENK-A的抑制剂以及H2O2的抑制剂发现，H2O2的产生对这种H3K4me3的重塑是必要的。并且这种H3K4me3的重塑对肾脏祖细胞聚集成团是必须的。在进一步的实验中，通过ChIP-seq分析发现tcf21基因的启动区域的H3K4me3存在与H2O2产量对应的变化。这种变化对tcf21的表达起关键的调控作用。该研究表明tcf21在肾脏祖细胞间质上皮转化过程中发挥了重要的功能，是促进肾脏祖细胞的聚集和分化的因子。研究者发现PENK-A的缺失或者过表达可以通过调控H2O2的产量影响肾脏祖细胞中的tcf21的表达，进而影响肾脏再生的强度和终止。
图3 肾小管近端PENK-A调控肾脏再生机制示意图
图3 肾小管近端PENK-A调控肾脏再生机制示意图
综上，AKI发生时，近端肾小管上皮细胞中PENK-A的突然丧失会促进H2O2的大量产生。H2O2的激增可以改变tcf21启动子区域的H3K4me3修饰水平，从而促进tcf21的表达，进而促进肾脏祖细胞的聚集和扩张。在再生的后期阶段，随着近端肾小管上皮细胞数量的恢复，其分泌的PENK-A增加从而抑制了H2O2的产生，进而促进了肾脏再生的终止（图3）。因此，近端肾小管上皮细胞可以通过PENK-A信号通路介导的负反馈机制来调节它自身的再生。
陆军军医大学刘赤研究员、赵景宏教授、黄英辉教授为本文共同通讯作者。刘赤研究员、科研助理刘小亮、何中维、张江平为共同第一作者。该研究由国家重点研发计划“干细胞及转化研究”青年科学家项目、国家自然科学基金相关项目资助。
参考文献：
1. Ronco C, Levin A, Warnock DG, Mehta R, Kellum JA, Shah S, et al. Improving outcomes from acute kidney injury (AKI): Report on an initiative. Int J Artif Organs 2007, 30(5): 373-376.
2. Kamei CN, Liu Y, Drummond IA. Kidney Regeneration in Adult Zebrafish by Gentamicin Induced Injury. J Vis Exp 2015(102): e51912.
3. Diep CQ, Ma D, Deo RC, Holm TM, Naylor RW, Arora N, et al. Identification of adult nephron progenitors capable of kidney regeneration in zebrafish. Nature 2011, 470(7332): 95-100.
4. Liu C, Liu X, He Z, Zhang J, Tan X, Yang W, et al. Proenkephalin-A secreted by renal proximal tubules functions as a brake in kidney regeneration. Nat Commun 2023, 14(1): 7167.
5. Beunders R, Struck J, Wu AHB, Zarbock A, Di Somma S, Mehta RL, et al. Proenkephalin (PENK) as a Novel Biomarker for Kidney Function. J Appl Lab Med 2017, 2(3): 400-412.
6. Breidthardt T, Jaeger C, Christ A, Klima T, Mosimann T, Twerenbold R, et al. Proenkephalin for the early detection of acute kidney injury in hospitalized patients with chronic kidney disease. Eur J Clin Invest 2018, 48(10): e12999.
7. Chen J, Yu T, He X, Fu Y, Dai L, Wang B, et al. Dual roles of hydrogen peroxide in promoting zebrafish renal repair and regeneration. Biochem Biophys Res Commun 2019, 516(3): 680-685.
8. Bazopoulou D, Knoefler D, Zheng Y, Ulrich K, Oleson BJ, Xie L, et al. Developmental ROS individualizes organismal stress resistance and lifespan. Nature 2019, 576(7786): 301-305.