利用小鼠模型研究Klotho基因对老年衰弱综合征保护作用的分子机制

As the acceleration of aging in our society, frailty syndrome characterized as declined physiological reserve and increased vulnerability become a prominent public health issue, out of which loss of muscle is the core pathological change of frailty. Exploring the pathogenesis of frailty is critical to its prevention and treatment. It is still on a starting stage of studies on the frailty, and relevant findings suggest associations between frailty and aging as well as between the genes of aging and the frailty. The applicant pointed aging genes Klotho plays a protective role on cognition and metabolite syndrome. Therefore this study proposed a hypothesis of a probable protective effect of Klotho on frailty. Study procedures were: first, finding out differential expression genes in muscle tissue of Klotho knockout mice with frailty phenotype and wild species by high-throughput sequencing; and then identifying the frailty genes through detecting down-regulated differential expression genes or expression genes in muscle cells; and verifying the core genes of frailty by correlation analysis of previously identified genes and frailty degrees in an old people cohort; last, to evaluating the function of those genes against frailty by using muscle-targeted AAV1 in Klotho knockout mice. This study aimed to discover the protective molecular mechanisms of Klotho gene for frailty syndrome in human and animals in order to shed new lights on the prevention and treatment of frailty.

随着社会老龄化，以机体生理储备下降和易损性增加为特征的老年衰弱综合征（简称衰弱）已成为突出的公共健康问题，其中肌肉减少是核心病理变化，深入探索衰弱的生物学机制对预防和治疗衰弱具有重要意义。目前衰弱研究尚处于起步阶段，但已发现衰弱与衰老关系密切，衰老相关基因可能与衰弱有关。申请人前期研究显示抗衰老Klotho基因对认知功能和代谢综合征有保护作用。因此，本课题提出Klotho对衰弱可能起保护作用，首先拟通过高通量测序分析klotho敲除小鼠和野生型小鼠在肌肉组织里差异表达基因；然后在肌肉细胞中过表达或下调差异表达基因鉴定出衰弱基因；通过老年人群衰弱程度与基因表达的相关性分析找出主要衰弱基因；最后用肌肉靶向的腺相关病毒(AAV1)作为载体在klotho敲除小鼠中鉴定主要基因抗衰弱功能。本项目从人体和动物模型水平揭示klotho基因的保护作用的分子机制，为衰弱的预防和治疗提供新的靶点。

衰弱代表了健康老化和失能的中间状态，如果我们能早期识别和有效干预衰弱，可最大限度预防不可逆临床负性事件的发生、维持老年人的功能状态、提高老年人的生活质量、减轻医疗和照护负担。然而衰弱基础和临床研究均处于起步阶段，临床医生较易忽视该老年综合征，其相应的治疗手段较少，且治疗效果欠佳。本项目通过基础和临床研究相结合的研究方法，寻找衰弱相关基因以及影响因素。首先本项目利用Klotho基因敲除小鼠构建了衰弱动物模型，该动物模型具有明显的衰弱表型。利用Klotho全敲除小鼠和对照小鼠的比目鱼肌，通过高通量RNAseq筛选出差异表达基因。我们初步找到了10个蛋白相互作用网络中最显著的靶点，分别为：Cxcl16、Npc1、Ctsl、Adipoq、Ptgs2、Mki67、Foxo1、Pde4b、Samd9l、Fn1。然后， 我们通过一系列人群研究发现Klotho基因启动区G-395A中的A位点是老年衰弱的保护性因素（OR: 0.47; 95% CI 0.23 to 0.97）。单核细胞相关炎性因子（MCP-1和MIP-1β）和降钙素原与衰弱密切相关，可能成为诊断老年衰弱新的生物标志物。基于常规实验室检查指标或老年综合评估的衰弱指数可以预测社区老人和老年肺癌患者临床负性结局。我们还发现在中国住院老年患者血清前白蛋白水平与肌肉减少症呈负相关，但这个相关性仅在前白蛋白水平小于265.9 mg/L时具有统计学意义。本项目的研究结果为后续相关研究提供的动物模型，并为早期识别衰弱及肌肉减少症，寻找衰弱新的诊断和治疗措施提供重要参考。