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혈액투석 치료 환자에서 혈청 가용성 α-klotho 농도

Serum soluble αklotho in hemodialysis patients


Clinical Nephrology 2012;77(5):347-351

박성배 계명의대 동산의료원 신장내과 교수

배 경
Klotho의 세포외 영역은 절단되어서 가용성 α-klotho로 혈액, 소변 및 뇌척수액과 같은 여러 가지 종류의 세포외 체액내로 분비된다.

연구 방법
미네랄 대사에서 α-klotho의 역할을 조사하기 위해서 53명의 혈액투석 치료 환자와 20명의 건 강한 정상인에서 혈청 가용성 α-klotho 농도를 측정하였다.

연구 결과
혈액투석 치료 환자에서 혈청 가용성 α-klotho 농도는 430 pg/mL(386 - 540 pg/mL)로 정상 대조군 740 pg/mL(550 - 913 pg/mL) 보다 혈청 가용성 α-klotho 농도가 낮았다(p <0.01). 혈청 가용성 α-klotho 농도는 혈청 인 농도와 양의 상관관계(δ= 0.33, p =0.014)를 나타내었으나 혈청 칼슘 농도는 혈청 가용성 α-klotho 농도와 음의 상관관계(δ= -0.26, p = 0.06)를 나타내었다. 미네랄 매개변수 모두는 대조군에서도 동일한 경향을 나타내었지만, 반면에 연령, intact PTH, PTH 혹은 FGF-23 등은 혈청 가용성 α-klotho 농도와 유의한 상관관계가 없었다.

결 론
가용성 α-klotho 농도는 건강 정상인 보다 혈액투석 치료 환자에서 낮았다. 혈청 인 농도는 독립적으로 혈청 가용성 α-klotho와 연관되었다.

논 평
Klotho는 1997년에 조로증후군의 표현형을 지닌 유전자 변이된 생쥐에서 처음으로 확인 되었으며, 수명단축, 성장저해, 생식샘저하증, 조기 흉선의 퇴축, 피부위축, 폐기종, 인지장애, 청력소실, 운동신경퇴행 등이 klotho 유전자 결함의 결과로 나타내게 되었다. 이와 같은 노화유사 표현형은 혈청 내 1,25(OH)2D3, 인산염, 칼슘치의 증가와 관련 되어있다. Klotho는 노화억제유전자를 암호화하는 FGF-23를 위한 단일통과 막공동수용체이며, family 1 glycosidase에 속한다. Klotho는 콩팥 원위세뇨관과 부갑상선 세포에 표현되고, 인산염과 칼슘의 뼈-콩팥-부갑상선 조절에서 FGF-23 역할을 중재한다. 만성콩팥병(CKD)은 klotho결핍을 동반한 고인산염 혈증에 의해서 유도된 노화가속화 상태로 볼 수 있다. Klotho knockout 실험동물에서 조로와 CKD-MBD같은 표현형이 고인산염혈증에 의해서 중재되고 저인산염 식사, 비타민 D, 1α- hydroxylase knockout, 비타민 D 수용체 혹은 NaPi 공동수용체 같은 인산염을 낮추는 조정에 의해서 재중재 된다. CKD 환자에서 klotho 표현감소는 CKD 제1 단계에서 부터 경험 할 수 있고 CKD가 지속적으로 진행함에 따라서 klotho가 지속적으로 감소하여 FGF-23 저항성, 대량의 FGF-23, PTH증가 및 비타민 D 감소 등의 원인이 된다. 세포외성 절단으로 형성되어 분비된 가용성 α-klotho 단백질은 근위와 원위세뇨관에서 주변분비 작용을 통해서 FGF-23와는 독립적으로 인산염배설과 칼슘 보존 효과를 발휘한다.

Klotho 유전자는 5개 exon으로부터 2개 단백질이 암호화 되어 있으며, 인간은 염색체13번, 생쥐는 5번에 있다. Klotho단백질은 짧은 막통과영역과 함께 2개의 영역으로 구성되고 인간은 1,014아미노산, 생쥐는 1012아미노산으로 구성되어 있다. 큰 세포외 영역(130 kD)과 매우 짧은 세포내 영역(10 아미노산)을 가지고 있다. 세포외 영역은 family 1 glycosidase와 상동성을 가지는 2개의 β-glucosidase 유사영역을 가지며 인간은 hKL1과 hKL2로, 생쥐는 mKL1과 mKL2로 하고 외영역 발산이 된다. 그 결과 전체 세포외영역은 세포외 공간으로 분리되어 혈액, 소변, 뇌척수액 등에서 검출된다. Klotho 단백질은 막결합형(membrane klotho: 130 kD)과 순환형(secreted klotho; 80 kD)이 있다. 순환형 klotho는 alternative splicing에 의해 같은 유전자로부터 합성된 산생물로 구성된다. 그 외에 klotho의 제3의 형태로 membrane klotho의 세포외영역에서 절단된 산물을 cut-klotho로 부른다. 막결합형 klotho는 주로 콩팥과 뇌에서 표현되며 그 외에 부갑상선과 심장에서 발견된다. 뼈에서 합성되어 혈장으로 분리된 FGF-23는 소변으로 인산염 배설증가와 콩팥에서 calcitriol 합성을 억제한다. 막결합형 klotho의 기능은 FGF-23를 위한 절대 공동수용체로 FGF-23의 활동을 확대하고 최종화 시킨다. 막결합형 klotho의 기능은 klotho knockout과 FGF-23 knockout 실험동물에서 동일한 표현형이 나오는 것이 알려지기 전까지는 분명하지 않았다. FGF-23는 본질적으로 FGF family의 22 member 중의 하나로서, 유전자변이 된 상염색체 우성 저인산혈증성 구룻병(ADHR)환자에서 확인 되었다. ADHR은 소변으로 인산염 소모로 인한 저인산염혈증, 활성 비타민 D 결핍 및 뼈무기질화 결함 등을 특징으로 한다. ADHR 환자는 FGF-23 유전자에서 mis-sense 돌연변이를 가지고 있어서 FGF-23의 단백용해성 불활성화의 저항성을 가진다. 그 결과 ADHR 환자에서 혈청 FGF-23치가 증가된다. FGF-23 유전자에서 기능 획득 돌연변이는 인산염소모, 저인산염혈증 및 구룻병를 초래한다. 이들 증후군은 FGF-23가 뼈에서 유래된 호르몬이고 콩팥에 작용하여 소변으로 인산염 배설을 증가시키고 calcitriol 합성을 억제하는 사실을 설명하고 있다.

반면에 FGF-23 결핍 실험동물은 고인산염혈증과 혈관석회화를 포함하는 인산염 저류 표현형을 가지게 된다. 또한 FGF-23 결핍 실험동물은 기대하지 않은 성장저하, 척주굽음증, 뼈감소증, 기종성 폐 등과 함께 생식샘 흉선 근육 피부 장관 위축 등의 복합표현형을 나타내고, 이는 klotho 결핍 실험동물을 연상하게 되었다. 반대로 klotho 결핍 실험동물은 노화 유사 표현형에 더하여 고인산염혈증과 혈관석회화를 나타내어 FGF-23 결핍 실험동물과 유사하였다. 이들 관찰 결과로 klotho와 FGF-23은 공동 신호 전달유도 경로에 기능하는 것을 알게 되었다. FGF-23가 동종의 FGF 수용체에 결합하기 위해서는 막결합형 klotho가 필요하고, 이는 후에 독립적인 다른 실험실에서 증명 되었다. 비록 FGF-23는 FGF family에 속하지만 FGF 수용체(FGFR)에 고친화성으로 결합하지 않고, 대신에 klotho가 FGFR1C, FGFR3C, 혹은 FGFR4와 결합하여 구조상의 이중 복합체형태로 되어 있는 klotho-FGFR 복합체를 고친화성 수용체로 사용한다. 다시 말하면 klotho의 기능은 FGF-23를 위한 절대적 공동수용체이다. 이것은 왜 FGF-23와 klotho 결핍 실험동물에서 동일한 표현형을 나타내는가를 설명하고 있다.근위세뇨관은 FGF-23가 인산염 재흡수를 억제하고 1,25(OH)2D3를 합성하는 장소이다. 하지만 klotho는 원위세뇨관에서 가장 강하게 표현되고, 근위세뇨관에서는 단지 약하게 나타난다. 그러므로 FGF-23는 원위세뇨관에서 klotho를 통해서 작용하고 근위세뇨관으로 주변분비 신호를 유도하는 기전이 가능하다. Klotho 단백질의 세포외 부분은 membrane protease ADAM10과 ADAM17, 그리고 BACE1에 의해서 절제 되어 혈액, 소변 및 뇌척수액으로 분리 된다. 최근에 순환형 klotho 단백질의 다양한 기능이 알려지기 시작했다. 순환형 klotho는 oxidative stress 억제, 성장요소 신호전달 조절, 여러 가지 막운반 단백질 조정 등을 포함한 다면발현성 활동성을 지닌 체액요소와 유사한 작용을 한다. FGF-23가 고친화성을 지니고 결합하여 klotho-FGF 수용체 복합체 형성하므로 순환형 klotho는 수용성 수용체로서 역할을 할 수 없다.

최근 연구에서 순환형 klotho는 transient receptor potential calcium channel family의 구성원들, 구체적으로 TRPV5, TRPV6을 활성화 시킨다. TRPV5는 원위 세뇨관에서 칼슘이온 재흡수를 중재하고 반면에 TRPV6는 장관 상피에 표현하여 장관 칼슘 흡수를 중재한다. 순환형 klotho는 자체의 효소적 활동성을 통해서 TRPV5의 N-linked glycan에서 말단 sialic acid를 제거한다. Sialic acid 제거는 galactose 잔재를 노출시켜서 galectin 1을 위한 ligand로 작용하게 한다. 순환형 klotho는 FGF-23와는 독립적으로 인산염배설 효과를 발휘한다. 정상 생쥐와 fgf23 knockout 생쥐에서 순환형 klotho를 정맥 투여하여 인산염 배설을 유도하였다. NaPi2a가 근위 세뇨관 재흡수(전체 재흡수 70-80% 차지)를 중재한다. 근위세뇨관으로부터 솔가장 자리막 소포 연구에서 순환형 klotho가 NaPi 2a를 불활성화 시킨다. 순환형 klotho는 내구성이 있는 칼슘 통로 활동성과 원위 세뇨관에서 칼슘 재흡수에 기여하게 된다. 혈청 klotho는 혈청 칼슘 보존과 칼슘뇨 감소시킨다. 순환형 klotho는 칼슘통로 TRPV5를 활성화시켜, 원위세뇨관에서 칼슘 재흡수에 관여 한다. 순환형 klotho의 유사한 효소적 활동성이 신장에서 칼륨 통로 활동성 조절에서도 볼 수 있다. Klotho는 ROMK1(renal outer medullary K+ channel)의
N-linked glycan에서부터 말단 sialic acid 잔재를 제거 한다. ROMK1은 원위세뇨관에서 표현되고 소변으로 칼륨분비를 조정한다. 결과적으로 순환형 klotho는 콩팥 칼륨배설을 증진시킨다. 순환형 klotho의 다른 효소적기능이 발견되었다. 콩팥의 근위세뇨관에서 NaPi-2a의 deglycosylation에 의한 인산염운반의 직접조절이다. N-linked glycan의 deglycosylation은 NaPi-2a 단백질을 근위세뇨관 솔가장자리막에서 protease residing에 더욱 더 영향을 받기 쉽게 하여서, 결과적으로 NaPi-2a의 숫자와 활동성 감소시키고, FGF-23와는 독립적으로 인산염배설을 증진시킨다.

CKD 환자에서 콩팥에서 klotho 표현량을 결정하는 것은 실제적으로 매우 어려우나, 혈액과 소변에서 순환형 klotho를 측정하는 것은 가능하다. 최근에 CKD 진행됨에 따라서 진행적으로 소변에서 순환형 klotho 단백질이 감소되는 것이 발견 되었다. 중요한 사실은 CKD 제 1-2 단계 환자에서 조기에 소변 klotho 감소됨이 명백하여, 순환형 klotho가 CKD 조기 발견에 가장 민감한 생체 표지가 되게 하였다. 순환형 klotho는 TRPV5활성화시키고 세뇨관의 내강측으로부터 NaPi-2a 억제하기 때문에, 순환형 klotho치의 소변내 감소는 칼슘 재흡수 감소와 인산염 재흡수 증가시켜 잠재적으로 CKD의 병태생리적 과정에 기여하게 된다. Klotho 감소는 조기진행성 CKD의 낭종성 콩팥질환 실험동물모델인 jck생쥐에서 CKD가 생기면서 FGF-23 증가에 앞서 klotho가 감소한다. 콩팥 klotho 표현 측정은 투석치료 환자의 콩팥조직에서 정상대조군에 비해 5-15%이며 대개 5% 미만이다. 건강한 정상조직에서 klotho mRNA 중앙값은 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase 8% 이상의 정도를 나타낸다. 정상 성인에서 sandwich ELISA방식으로 순환형 klotho를 측정하여 239에서 1,266 pg/mL 범위에서 측정되고 연령이 증가하거나, 칼슘혈증 혹은 인산염혈증이 증가상태에서는 감소되었다. 보다 더 민감한 측정방법인 다발성 반응 추적법을 사용한 질량 분광법의 연구가 현재 진행 중이다. 혈청 내에서 순환하는 혈청 가용성 α-klotho 단백질이 혈액투석 치료환자에서 생리적으로 활성화된
분자물질인지는 분명치 않으므로 뼈질환 혹은 임상적인 연계관계는 추후에 더 많은 연구가 필요하다. 본 연구에서는 소규모 연구로서 CKD-BMD 치료와 혈청 가용성 α-klotho 단백질 농도의 관련은 밝혀내지 못했으나, 혈액투석 치료 환자에서 잔존 콩팥조직에서 분비되는 혈청 가용성 α-klotho 농도가 정상인보다 낮았으며 혈청 가용성 α-klotho 농도가 혈청 인 치와 양의 상관관계가 있음을 알 수 있었다.