KLOTHO; KL

α-KLOTHO

HGNC 批准的基因符号：KL

细胞遗传学位置：13q13.1 基因组坐标（GRCh38）：13:33,016,243-33,066,143（来自 NCBI）

▼ 克隆与表达

黑尾等人（1997）从患有多种与年龄相关的疾病的转基因小鼠模型中克隆了一个小鼠基因，他们将其称为 klotho（Kl）。该基因的名字“Klotho”是希腊神话中纺纱生命之线的命运女神的名字。Matsumura 等人通过用小鼠 K1 cDNA 片段在低严格度下筛选人肾和海马 cDNA 文库（1998）分离出人类 klotho 的 cDNA 克隆。cDNA 的序列分析表明它们编码 2 个不同的转录本。一个转录本编码一种假定的 1,012 个氨基酸的单通膜蛋白，具有 N 端信号序列、具有 2 个内部重复序列的胞外结构域和一个短的胞内结构域，如 Kuro-o 等人在小鼠 klotho 蛋白中发现的那样（1997）。Northern 印迹分析显示单个 5.2-kb 转录物在肾脏、胎盘、小肠和前列腺。另一个转录本包含一个 50 bp 的插入，编码一个由 549 个氨基酸组成的截短的推定分泌蛋白，该蛋白缺少第二个内部重复、跨膜结构域和胞内结构域。基因组序列分析表明，这 2 个转录本是通过选择性 RNA 剪接产生的。通过RNase保护分析，分泌形式在所有检查的组织中占主导地位，即脑、海马、胎盘、肾脏、前列腺和小肠。

▼ 基因结构

Matsumura 等人（1998）确定 KL 基因包含 5 个外显子，跨越大约 50 kb 的基因组 DNA。

▼ 生化特征

晶体结构

陈等人（2018）提出了 1:1:1 三元复合物的原子结构，该复合物由 α-klotho 脱落的胞外结构域、FGFR1c（参见 136350）配体结合结构域和 FGF23（605380）组成。在该复合物中，α-klotho 同时通过其 D3 结构域束缚 FGFR1c，并通过其 C 末端尾部束缚 FGF23，从而实现 FGF23-FGFR1c 接近并赋予稳定性。稳定三元复合物的二聚化和受体激活仍然依赖于硫酸乙酰肝素的结合，硫酸乙酰肝素是旁分泌 FGF 信号传导的必需辅助因子。α-klotho 的结构与其声称的糖苷酶活性不相容。因此，陈等人（2018）得出的结论是，shed α-klotho 作为一种按需非酶支架蛋白发挥作用，可促进 FGF23 信号传导。

▼ 测绘

Kuro-o 等人的地图（1997）通过 FISH 并将人类 KL 基因包含在 BAC 重叠群中，将人类 KL 基因定位到染色体 13q12。

▼ 基因功能

患有慢性肾衰竭（CRF）的患者会出现多种并发症，让人想起在K1突变小鼠中观察到的表型。Koh 等人通过 RNase 保护、免疫印迹和免疫组织化学分析（2001）观察到 CRF 患者肾脏中 KL mRNA 表达和蛋白质产生严重减少。他们提出，KL 表达减少可能是 CRF 退行性过程（例如动脉硬化、骨质疏松和皮肤萎缩）的潜在因素之一。

张等人（2005）报道瞬时受体电位离子通道 TRPV5（606679）受到哺乳动物激素 klotho 的刺激。Klotho 是一种 β-葡萄糖醛酸酶，可水解 TRPV5 上的细胞外糖残基，捕获质膜中的通道。这可以维持肾脏中持久的钙通道活性和膜钙通透性。因此，Chang 等人（2005）得出结论，klotho 通过水解其胞外 N-连接寡糖来激活细胞表面通道。

浦川等人（2006）证明 Klotho 先前未描述的受体转化产生了 FGF23（605380）受体。Urakawa 等人使用肾匀浆（2006）发现 Klotho 与 FGF23 结合。Klotho 的强制表达使 FGF23 能够与细胞表面高亲和力结合，并恢复肾细胞系响应 FGF23 治疗的能力。此外，通过给野生型小鼠注射抗 Klotho 单克隆抗体来诱导 FGF23 缺陷。因此，Klotho 对于内源性 FGF23 功能至关重要。由于 Klotho 单独似乎无法产生细胞内信号传导，Urakawa 等人（2006）寻找FGF23受体的其他成分，发现了FGFR1（IIIc）（见136350），它被Klotho直接转化为FGF23受体。因此，Klotho 和 FGFR1（IIIc）的协同作用重建了 FGF23 受体。FGF23 受体表现出很强的亲和力，足以与生理浓度的 FGF23 相互作用。此外，FGF23 的组织特异性独特生物活性可能受到 Klotho 有限局部分布的调节。浦川等人（2006）认为，鉴于 Klotho 与其同源物 β-klotho（KLB; 611135）和 KLPH 形成一个家族，其他 FGF-FGFR 系统可能会经历类似的转换。

浦川等人（2006）表明 Klotho 可能会转化 FGF/FGFR 受体系统的其他成员。

井村等人（2007）发现了 Klotho（简称 α-Klotho）和 Na+,K+ ATPase 的分子关联，并为质膜上 Na+,K+ ATPase 丰度的增加提供了证据。低浓度的细胞外游离钙以 α-Klotho-Na+,K+ ATP 酶依赖性方式快速诱导受调节的甲状旁腺激素（168450）分泌。作者认为，Na+、K+ ATP 酶活性产生的钠离子梯度增加可能会与脉络丛和肾脏中的离子通道和转运蛋白协同驱动钙的跨上皮转运。井村等人（2007）得出的结论是，他们的发现揭示了 α-Klotho 在钙代谢调节中的基本作用。

陈等人（2007）发现 ADAM10（602192）和 ADAM17（603639）介导 Klotho 从 Klotho 转染的 COS-7 细胞的细胞膜上脱落，这是他们通过大鼠肾切片研究验证的模型系统。胰岛素增强 Klotho 脱落，这种效应可通过沉默 ADAM10 或 ADAM17 消除。胰岛素似乎会刺激 ADAM10 和 ADAM17 对 Klotho 的蛋白水解活性，但不会增加它们的 mRNA 或蛋白水平。

▼ 细胞遗传学

在一名患有低磷血症性佝偻病和甲状旁腺功能亢进症（612089）的 23 岁女性中，Brownstein 等人（2008）确定了从头平衡易位 t（9;13）（q21.13;q13.1）。作者绘制了易位断点图，发现 KLOTHO 基因的 5-prime 末端距离 13 号染色体上的断点远 -49 kb。患者体内的血浆 α-klotho 水平和 β-葡萄糖醛酸酶活性显着增加，正如循环中的情况一样FGF23。布朗斯坦等人（2008）得出结论，患者的新表型是由易位的位置效应引起的，导致 α-klotho 水平增加。

▼ 分子遗传学

高磷血症家族性肿瘤钙质沉着症 3

Ichikawa 等人在一名患有高磷酸盐肿瘤性钙质沉着症（HFTC3; 617994）的 13 岁女孩中（2007）鉴定出 KL 基因中的纯合突变（604824.0002）。体外功能表达研究表明，该突变导致与 FGF23 的复合物形成减少，并导致 FGF23 信号传导减弱。

关联待确认

在一项基于人群的关联研究中，Arking 等人（2002）确定微卫星标记 1 的等位基因 17（KL 基因最后一个外显子的 11 kb 3-prime）在波西米亚捷克新生儿中比在 75 岁以上的个体中更普遍，与性别和健康状况无关地位。SSCP 分析确定了另一个 KL 等位基因，作者将其命名为 KL-VS，定义为跨越外显子 2 和侧翼序列的 800 bp 区域中存在 6 个单核苷酸多态性（SNP）。等位基因特异性寡核苷酸杂交分析显示编码区突变完全连锁不平衡。在外显子 2 的 3 个突变中，1 个是沉默的，2 个编码氨基酸变化，从 phe352 变为 val（F352V），从 cys370 变为 ser（C370S）。F352V 突变发生在完全保守的氨基酸处。基因型分析表明，F352V 杂合性在老年波西米亚人中比在新生儿中更为普遍，而 V352 纯合性在新生儿中更为普遍，这种情况很少见。Kaplan-Meier 生存分析显示，杂合子优势不仅能促进 80 岁以上老年人的生存，还能延长寿命（152430）。对巴尔的摩的白种人和非裔美国人的分析没有检测到 F352V 的杂合子优势，但确实发现老年人中 V352 纯合性下降。HeLa 细胞或成纤维细胞中 V352、S370、V352/S370 和野生型等位基因表达的蛋白质印迹分析显示，与 65-kD 野生型蛋白相比，S370 突变体的分泌增强，V352 变体的分泌减少。双突变体以中等水平分泌，V352 突变体在细胞内含量最高，表明 KL 分泌缺陷。对 KL 旁系同源物胞质 β-葡萄糖苷酶（CBGL1；606619）进行功能分析，该酶具有已知的底物对硝基苯基-β-D-葡萄糖苷，确定 CBGL1 中对应于 KL F352V 结果的位置处存在突变（F289V）完全丧失切割基材的能力。阿金等人（2002）得出结论，KL-VS 突变损害了 KL 的转移和催化活性，这反过来可能导致与年龄相关的表型的发生和严重程度的差异。他们还表明，由于在多个标记等位基因单倍型上发现了 KL-VS，并且与标记 1 等位基因 17 呈负相关，因此仍有待鉴定其他有害突变。对 KL 旁系同源物胞质 β-葡萄糖苷酶（CBGL1；606619）进行功能分析，该酶具有已知底物对硝基苯基-β-D-葡萄糖苷，确定 CBGL1 中对应于 KL F352V 结果的位置处存在突变（F289V）完全丧失切割基材的能力。阿金等人（2002）得出结论，KL-VS 突变损害了 KL 的转移和催化活性，这反过来可能导致与年龄相关的表型的发生和严重程度的差异。他们还表明，其他有害突变仍有待鉴定，因为 KL-VS 在多个标记等位基因单倍型上发现，并且与标记 1 等位基因 17 呈负相关。对 KL 旁系同源物胞质 β-葡萄糖苷酶（CBGL1；606619）进行功能分析，该酶具有已知底物对硝基苯基-β-D-葡萄糖苷，确定 CBGL1 中对应于 KL F352V 结果的位置处存在突变（F289V）完全丧失切割基材的能力。阿金等人（2002）得出结论，KL-VS 突变损害了 KL 的转移和催化活性，这反过来可能导致与年龄相关的表型的发生和严重程度的差异。他们还表明，其他有害突变仍有待鉴定，因为 KL-VS 在多个标记等位基因单倍型上发现，并且与标记 1 等位基因 17 呈负相关。确定 CBGL1 中对应于 KL F352V 的位置处的突变（F289V）导致完全丧失切割底物的能力。阿金等人（2002）得出结论，KL-VS 突变损害了 KL 的转移和催化活性，这反过来可能导致与年龄相关的表型的发生和严重程度的差异。他们还表明，由于在多个标记等位基因单倍型上发现了 KL-VS，并且与标记 1 等位基因 17 呈负相关，因此仍有待鉴定其他有害突变。确定 CBGL1 中对应于 KL F352V 的位置处的突变（F289V）导致完全丧失切割底物的能力。阿金等人（2002）得出结论，KL-VS 突变损害了 KL 的转移和催化活性，这反过来可能导致与年龄相关的表型的发生和严重程度的差异。他们还表明，其他有害突变仍有待鉴定，因为 KL-VS 在多个标记等位基因单倍型上发现，并且与标记 1 等位基因 17 呈负相关。这反过来可能导致与年龄相关的表型的发生和严重程度的差异。他们还表明，其他有害突变仍有待鉴定，因为 KL-VS 在多个标记等位基因单倍型上发现，并且与标记 1 等位基因 17 呈负相关。这反过来可能导致与年龄相关的表型的发生和严重程度的差异。他们还表明，其他有害突变仍有待鉴定，因为 KL-VS 在多个标记等位基因单倍型上发现，并且与标记 1 等位基因 17 呈负相关。

黑尾等人（1997）发现 klotho 缺陷小鼠表现出广泛且加速的动脉硬化，与主动脉内侧钙化以及中等大小肌性动脉的内侧钙化和内膜增厚有关。为了确定 klotho 是否影响人类动脉粥样硬化风险，Arking 等人（2003）在 60 岁以下患有 CAD 的个体的表面健康同胞的 2 个孤立样本中进行了横断面研究，以评估 KL-VS 等位基因与成人冠状动脉疾病（CAD）之间的关联。结合已知 CAD 风险因素的分析表明，KL-VS 等位基因是一个孤立的风险因素，并且 KL-VS 等位基因状态的强加风险受到可改变的风险因素的影响。高血压和高密度脂蛋白胆固醇水平升高分别掩盖或降低了 KL-VS 等位基因带来的风险，而当前吸烟则增加了风险。结果表明，KL-VS 等位基因是 2 个孤立高危样本中隐匿性 CAD 的孤立危险因素。可改变的危险因素，包括高血压、吸烟状况和高密度脂蛋白胆固醇水平，似乎会影响该等位基因带来的风险。

阴茎异常勃起是镰状细胞病（603903）的一种血管闭塞表现，影响超过 30% 的患有该疾病的男性。Nolan 等人在镰状细胞性贫血患者中，148 名患有阴茎异常勃起，529 名没有异常勃起（2005）从 44 个不同功能类别的基因中搜索了 SNP，以寻找与阴茎异常勃起的关联。通过基因型和单倍型分析，他们发现 KL 基因中的 SNP 与阴茎异常勃起之间存在关联（rs2249358 和 rs211239；调整后的优势比分别为 2.6 和 1.7）。

▼ 动物模型

Kuro-o 等人（1997）描述了一种患有多种与年龄相关的疾病的转基因小鼠：不孕症、生殖器和胸腺萎缩、毛囊数量减少所揭示的皮肤萎缩、动脉硬化、运动机能减退、步态障碍、异位钙化、骨质疏松、肺气肿、垂体异常，并增加血清钙和磷。表型仅出现在突变K1转基因纯合的小鼠中并且仅在至少2周龄后出现。小鼠的平均寿命约为60天，没有小鼠存活超过100天。具有正常K1基因的小鼠不表现出与年龄相关的疾病。

马尼亚等人（2002）表明，虽然 klotho 缺失小鼠肾脏中钙蛋白酶-1（114220）的活性没有变化，但钙蛋白酶-2（114230）的活性升高，并且其内源性抑制剂 calpastatin（114090）的活性也升高。显着下降。α-II 血影蛋白（182860）的蛋白水解也随着 klotho 蛋白水平的降低而增加。马尼亚等人（2002）在正常老年小鼠中观察到类似的现象。

Saito 等人使用 Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty（OLETF）大鼠动脉粥样硬化疾病模型（2000）观察到这些动物肾脏中 klotho mRNA 的水平显着降低。斋藤等人（2000）证实腺病毒介导的 klotho 基因传递可改善内皮功能障碍，增加一氧化氮的产生，并降低血压升高以控制大鼠水平，但对体重或血糖水平没有可检测到的影响。Klotho 治疗还可以抑制胸主动脉内侧厚度和冠状动脉血管周围纤维化。

森等人（2000）表明 klotho 小鼠的白色脂肪组织数量几乎检测不到，而棕色脂肪组织（BAT）则相对保留。尽管在体重标准化时，klotho 小鼠消耗的食物与野生型小鼠一样多，但它们表现出与食物限制条件下相似的能量稳态参数变化。klotho 小鼠的葡萄糖耐量和胰岛素敏感性增加，并且肝脏 Pepck（614168）表达增加。klotho 小鼠的解偶联蛋白 1（UCP1；113730）水平和体温显着降低。组织学分析表明肝脏、胰腺和 BAT 中的糖原、胰岛素和脂质分别较低。

富基诺等人（2002）发现 klotho 基因杂合缺陷的小鼠在后肢缺血损伤后表现出血流恢复受损和血管生成受损。

贝克塔斯等人（2004）对小鼠 klotho 基因进行了测序，并检查了来自 16 个实验室来源和 4 个野生来源的近交系的分泌型和膜结合型 klotho 亚型的肾脏表达。在实验室衍生的菌株中，在任何外显子或内含子-外显子边界中均未发现序列变异。在野生菌株中，他们发现了 45 个序列变异，其中 6 个导致氨基酸替换。一种野生菌株 SPRET/Ei 有 4 个氨基酸取代，膜形式和总 klotho mRNA 水平较高。这些小鼠比几乎所有其他小鼠品系具有更长的寿命、更少的动脉粥样硬化危险因素和更好的听力。

黑须等人（2005）表明 klotho 在小鼠体内的过度表达可以延长寿命。Klotho 蛋白作为一种循环激素，与细胞表面受体结合并抑制胰岛素和胰岛素样生长因子 1（IGF1；147440）的细胞内信号，这是一种进化上保守的延长寿命的机制。通过干扰胰岛素和 IGF1 信号传导，观察到 klotho 缺陷小鼠的类衰老表型得到缓解，这表明 klotho 介导的胰岛素和 IGF1 信号传导抑制有助于其抗衰老特性。黑须等人（2005）表明 klotho 蛋白可能作为哺乳动物的抗衰老激素。

Haruna 等人在 Tenc1（607717）突变小鼠肾小球肾炎（ICGN）模型中（2007）引入了 Klotho 转基因，发现 Klotho 基因的过度表达导致了 70% 的存活率，而没有 Klotho 转基因的 ICGN 小鼠的存活率为 30%。生存与肾功能、形态损伤和细胞色素 c 氧化酶活性的显着改善以及 β-半乳糖苷酶（参见 230500）活性、线粒体 DNA 碎片、超氧阴离子生成、脂质过氧化和 Bax（600004）蛋白表达和细胞凋亡。肾脏的肾小管和肾小球室均得到改善，这表明 Klotho 基因产物可能充当肾脏保护性循环激素，同时减轻线粒体氧化应激。

刘等人（2007）在 Klotho 小鼠模型中探讨了干细胞和祖细胞功能障碍和耗竭对衰老的影响。对年轻 Klotho 小鼠的各种组织和器官的分析表明，干细胞数量减少，祖细胞衰老增加。由于 Klotho 是一种分泌蛋白，Liu 等人（2007）假设 Klotho 可能与干细胞的其他可溶性介质相互作用。他们发现 Klotho 与多个 Wnt 家族成员结合。在细胞培养模型中，Wnt-Klotho 相互作用导致 Wnt 生物活性受到抑制。Klotho 缺陷动物的组织和器官显示 Wnt 信号传导增加的证据，并且 Klotho 的异位表达拮抗内源性和外源性 Wnt 的活性。无论在体外还是体内，连续的 Wnt 暴露会加速细胞衰老。因此，刘等人（2007）得出结论，Klotho 似乎是一种分泌性 Wnt 拮抗剂，并且 Wnt 蛋白在哺乳动物衰老中具有意想不到的作用。

▼ 等位基因变体（2 个选定示例）：.

0001 KLOTHO 多态性
KL、KL-VS 单倍型
寿命

阿金等人（2002）鉴定了 klotho 的功能变体，这是一种称为 KL-VS 的单倍型，其定义是跨越外显子 2 和侧翼序列的 800 bp 区域中存在 6 个单核苷酸多态性（SNP）。等位基因特异性寡核苷酸杂交分析显示编码区突变完全连锁不平衡。在外显子 2 的 3 个突变中，1 个是沉默的，2 个编码氨基酸变化，从 phe352 变为 val（F352V），从 cys370 变为 ser（C370S）。当纯合时，该变异与人类寿命缩短有关。该变异在一般人群中的患病率估计为 0.157。

冠状动脉疾病，易感性

阿金等人（2003）证明了变异等位基因与冠状动脉疾病易感性之间的关联，该关联被证明是孤立于已知风险因素的风险因素。然而，作者发现 KL-VS 带来的风险受到其他危险因素的影响，包括高血压、吸烟状况和高密度脂蛋白胆固醇水平。

.0002 肿瘤钙质沉着症，家族性，高磷酸盐血症，3（1 名患者）
KL，HIS193ARG
Ichikawa 等人在一名患有高磷酸盐肿瘤性钙质沉着症（HFTC3; 617994）的 13 岁女孩中（2007）鉴定了 KL 基因外显子 1 中的纯合 578A-G 转变，导致 2 个串联假定糖苷酶结构域中的第一个结构域发生 his193 至 arg（H193R）取代。预计该取代会破坏糖苷酶结构域三级折叠的稳定性，导致蛋白质表达和分泌减少。体外功能表达研究表明，H193R突变蛋白未完全糖基化，未完全分泌，与野生型相比稳定性降低。此外，该突变导致与 FGF23（605380）的复合物形成减少，并导致 FGF23 信号传导减少。患者患有高磷血症、血清维生素 D 升高、硬脑膜肿瘤钙质沉着和骨质减少。她还因腺体增生而患有甲状旁腺功能亢进症。该特征与 KL 突变的关系尚不清楚。