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与肾脏发生相关的基因研究进展 |
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来源： 作者： 发布时间：2007-03-11
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关键词： 肾脏；基因；发生学
从基因水平来研究器官发生学，将以往的形态发生学的研究方法提高到分子水平。一些基因在肾脏发生，特别是后肾发生中起着重要的作用。当这些基因被破坏时，导致肾脏不能正常地发生，并且对肾脏疾病的形成有着极为深刻的影响。本文对近年来一些基因与肾脏发生的关系，以及这些基因破坏时对肾脏发生影响的有关研究进行综述。
与肾脏发生相关的基因主要在后肾发生阶段发挥作用，它们对后肾的发生起着决定性的作用。这些基因异常可引起后肾的发生、发育障碍。
1 WT-1 基因
WT-1基因是一种肿瘤抑制基因，1990年由Call等克隆，其主要功能是特异识别并结合目标DNA，调节转录。当其识别部位受到影响时，可抑制转录。该基因对泌尿生殖系的发育和儿童wilms肾肿瘤的发生有重要意义。当WT-1基因发生突变时，导致儿童wilms 肾肿瘤。另外芽胚WT-1基因发生突变时与泌尿生殖系的畸型发生有关。WT-1基因最早表达在中肾小管，进一步研究显示，WT-1基因变异体小鼠（mutant mice）中肾小管的头侧与尾侧两个部位发生异常，即中肾小管的尾侧缺乏，头侧在雌性小鼠退化，在雄性小鼠则转为附睾导管［1］。
如同许多基因作用于发生中的多阶段一样，WT-1基因与心脏和肾脏的发生有关。WT-1基因变异鼠在胚胎期约15天死亡，其中死于肾衰者多于死于心衰者。WT-1基因在后肾发生的早期中起着必要的作用。它对于输尿管芽的生长起着决定性的作用。生后肾原基中功能性WT-1的缺失是引起WT-1基因变异体个体肾缺失的主要原因。
2 Pax-2 基因
Pax-2基因是配对盒家族中的转录因子（trabscription factor of the paired box family）。在正常情况下，Pax-2表达在凝缩中的中肾导管、输导管芽以及生后肾原基［2］，杂合子型Pax-2变异体由于在输尿管上部及稀释皮质部缺少氧化钙而容易导致肾发育不良，提示在输尿管芽的分枝及生后肾原基的上皮转化中存在缺失和（或）缺乏输尿管芽及生后肾原基的细胞增生［3］。在纯合子Pax-2变异体的新生鼠中，完全缺乏肾脏、输尿管及生殖道。这种变异体鼠于生后第1天死于肾衰。另外，这种基因变异体的中肾导管不能伸入泄殖腔且不能表达c-ret基因［3］，c-ret基因还作为中肾导管及输尿管的标志物而发挥作用。
3 c-ret 基因
c-ret基因编码受体酪氨酸激酶，是将信息传导给细胞以生长发育，位于细胞表面的分子。c-ret基因正常表达在发生中的神经系统、中肾导管及输尿管芽。在输尿管芽长出前c-ret基因表达在正常中肾导管。
c-ret变异体鼠于出生后第一天内死于肾衰。此时，变异体的肾原基内能识别的肾成分、形成成熟集合管的输尿管及较大范围未分化的间质已减少，58％的c-ret基因变异体出现两侧完全性发育不全，31％的变异体出现单侧肾发育不全，33％的变异体完全缺乏输尿管［4］。由此说明c-ret基因在肾发生过程中，从生后肾原基中将信息传导给输尿管芽以正常地发生［4］。
4 GDNF 基因
GDNF基因是形成生长因子的超家族成员之一，它是在大部分c-ret与GDNF基因敲除鼠（knock out mice）被鉴定的表型中作为c-ret基因受体的配体而被鉴定［5］。资料显示，GDNF基因是一种生后肾原基由来因子，它通过其受体c-ret诱导输尿管芽的生长和分枝［6，7］。
在GDNF的基因变异体中前肾与中肾正常，且于胚胎期2.5天尚可见Pax-2基因表达在生后肾原基［7］。Pax-2基因变异体的中肾导管中没有c-ret基因的表达［4］，表明Pax-2基因可能位于GDNF／c-ret基因的上游。其生后肾原基在胚胎期13.5天经过凋亡而完全消失［6］
与c-ret基因变异体一样，GDNF基因变异体在出生后12～14h内死于肾发育不全所致的肾衰。与c-ret对照，将近35％的GDNF杂合子变异体在生后3～5个月时由于单侧或双侧肾发育不全而出现肾功能异常［6，7］。为了探讨GDNF基因是否对输尿管芽的分枝有影响，Pichel等将GDNF基因进行重组，并用移植的泌尿生殖器进行孵育，其结果显示，在体外GDNF基因变异体的输尿管分枝有意义地增加［7］。
5 Wnt-4 基因
Wnt-4基因编码分泌型糖蛋白，目前尚不知道其确切受体。Wnt-4基因在后肾的间质转化为上皮的过程中发挥着自身调节因子的作用。在胚胎期12.5天，Wnt-4基因变异体内输尿管芽周围的生后肾原基开始凝缩，直至胚胎期14天，发生过程正常。在胚胎期15天，变异体的肾脏生长明显迟缓，可观察到非逗号及非S型的小体，表明生后肾原基被诱导，但没有经历前小管的集合及上皮转化。在胚胎期14.5天以前的Wnt-4基因变异体中，WT-1基因及Pax-2基因的表达正常，且此时c-ret基因表达在输尿管芽内［8］。所以WT-1、Pax-2、及c-ret基因可能与Wnt-4基因的转录调节有关。
Stark等［8］对12种鼠Wnt基因进行调查的结果表明，Wnt基因在胚胎期11.5天表达在中肾导管周围的中肾间质，以后表达在肾发生中的皮质部生后肾原基内，并在此形成新的小管聚合。Wnt-4基因变异鼠在出生后24h内死于肾衰，其肾脏小且发育不全，由输尿管芽点缀的未分化生后肾原基组成。
6 BF-2 基因
BF-2基因于1994年由Hatini等［9］克隆，他最近在lacZ基因使用敲入／敲除（knock-in／knock-out）方法建立了BF－2变异体鼠。这种杂合子变异体鼠首先显示了β-gal的表达，β-gal作为BF-2基因启动部位的受体在胚胎期11.5天输尿管芽长出后输尿管间质周围发挥作用。β-gal的表达定义为包绕在被诱导的生后肾原基周围的细胞环。它是产生肾基质的细胞环［9］。
BF-2基因变异体鼠于出生后24h之内死于肾衰，其输尿管短，肾脏发育不全。与野生型比较，肾脏被纵向融合，并旋转了90度。BF-2变异体的肾脏不到正常肾脏的1／3，与相应的野生型相比，仅含有1／14的肾小球［9］。
7 BMP-7 基因
骨形态发生蛋白-7（Bone morphogenetic protein-7，BMP-7，又称为成骨蛋白-7）是TGF-β的超家族成员之一，BMPs是TGF-β超家族中的最大亚群。BMP-7基因最初于胚胎期表达在中肾导管及小管［10］，在后肾形成期间，基因转录并表达在肾发生区的间质、正在凝缩聚合的部位及逗点、S型结构的上皮，在输尿管芽有微弱的表达［11］。BMP-7基因在整个肾发生期都有表达，成人肾也能观察到BMP-7基因的表达［12］
BMP基因变异体在出生后24h内死于肾衰，并出现骨骼重叠，缺乏眼的形成［11，13］。在胚胎期14.5天，BMP基因变异体鼠与野生鼠之间在形态学方面没有明显的不同。这种基因变异体鼠的肾脏结构正常，输尿管芽明显地分枝，其逗号小体及S型小体也存在，表明它们之间的相互作用对于已出现的后肾初期生长及分化是必要的。另外，在胚胎期12.5天的BMP-7基因变异体有WT-1基因的表达［13］，在胚胎期14.5天c-ret基因、Pax-2基因及Wnt-4基因的表达正常。在此胚胎期两天以后，证实有少量活性间质聚合形成，肾周围层缺乏间质干细胞，而髓质部位充满大量的集合管，其中散在着疏松的基质细胞。BMP-7基因变异体在出生时缺乏肾小球［13］。与野生型对照组比较，其生后肾原基内细胞凋亡大大增强［13］。
8 PDGF B基因与PDGF Rβ基因
血小板源性生长因子B是血小板由来生长因子家族的成员之一。PDGFs原作为血小板的分泌产物而被鉴定，但以后显示由许多正常细胞合成，如平滑肌细胞。PDGF B以二聚体稳态的形式存在，并能与PDGF受体α或β亚基相结合，PDGF β亚基是酪氨酸激酶受体，仅能与PDGF B结合。PDGF B与PDGF R表达在发生中的人体肾［14］，PDGF B与PDGF R在肾小球系膜也有表达，提示这种配体／受体结合在肾小球发生中的作用［15］，Soriano［16］将lacZ基因与pgk-neo基因相连接以观察PDGF β基因启动部位在杂合子变异体上的表达。PDGF β基因在肾小球发生早期表达在输尿管芽，在发生后期主要局限于系膜细胞。
PDGF B与PDGF R基因变异体的表型已被鉴定。虽肾小球的数目没有改变，但二者因缺乏系膜细胞及肾小球毛细血管丛而显示出肾小球发生的明显异常。然而肾小球基膜、内皮细胞、肾小球脏层上皮细胞（又称为肾小球足细胞）都在正常范围内出现。一些PDGF B及PDGF R变异体在胚胎期17天到18.5天内死亡，但大多数由于不能进行氧合作用而于出生时死亡。出生时，变异体鼠还出现血液学的异常并出现明显的出血和水肿［16］。虽有的变异体鼠出生时幸存，但随后死于缺乏毛细血管丛及肾小球异常所致的肾衰。有资料表明，PDGF B通过PDGF R而起作用，这对于肾小球系膜细胞的发生、系膜细胞的转化和肾小球毛细血管丛的形成是必要的［16］。
9 α3β1和α8β1基因
α3 β1和α8 β1基因是整合素（integrin）家族成员。整合素是由信息α和信息β链组成的细胞表面异二聚体受体，并且是细胞外基质受体的主要成员。在输尿管芽生长以前，没有显示α8 β1的表达。在胚胎期11天，α8 β1基因表达在整个生后肾原基以及包绕在生后肾原基周围的正在成长和分枝的输尿管芽。当生后肾原基经历了上皮转化后，α8 β1基因表达消失在上皮结构中［17］。α3 β1基因表达在输尿管芽及诱导的集合导管，肾小球内皮细胞和肾小球脏层的上皮细胞。其它的整合素，如α2 β1和α6 β1也表达在肾发生中［18］。68％的α8 β1变异体在出生时没有肾脏，并在出生后24h之内死于肾衰。80％没有输尿管。除肾脏外，其它的器官似乎没有受到影响。在缺乏α8 β1整合素的动物中，虽有输尿管芽形成，但生后肾原基的生长及分枝却受到严重的抑制。生后肾原基的上皮转化也受到损伤，17％的变异体动物在出生时被证实有上皮的转化。另外，Pax-2基因表达在α8 β1基因变异体的生后肾原基中［17］。
α3 β1基因变异体鼠虽然在肾脏发生中出现明显的异常，但多于生后24h内死于肾衰。其基因变异体的肾脏比野生型的要小，髓质的集合管减少了1／2。最明显的异常出现在肾小球的脏层上皮细胞，表现为数目上显著减少。随后是肾小球的周围，表现为完全缺乏底部形成的过程。肾小球基底膜的结构也受到破坏，α3 β1变异体肾扩大，邻近的小管含有过剩的溶酶体或成为小囊。有关α3 β1基因在小管的表达尚未见报道，在野生型对照组中使用一种抗α3的抗体，观察到其发生中的小管缺乏α3的表达，提示α3 β1变异体的小管表型是肾小球异常的一种继发性的结果［19］。这些结果提示α3 β1基因在肾小球脏层上皮细胞发生、肾小球基膜形成、以及输尿管芽分枝的形态发生学中起着重要作用。
除以上基因外，还有几种基因与肾脏发生密切相关。如Lim 1的基因变异体鼠一般死于胚胎期10天，即在后肾发生以前［20］。另外，N-myc基因的变异体鼠死于胚胎期11天，且在胚胎早期出现中肾发生异常［21］。其它如与成年多囊肾肾病有关的Bcl-2基因变异体鼠等［22］，这些基因及基因破坏在器官发生学方面的研究已获得了大量有关肾发生及哺乳动物发生的大量信息，对于研究肾脏疾病的发病机制及从基因方面开展治疗具有重要意义。虽然这些研究刚刚起步，但相信将不断取得新的进展。 参考文献
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