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腎臟電解質排泄的晝夜調控-旁分泌因子的作用

更新時間:2019-04-06瀏覽:1963次

1、腎臟生物鐘和近日生理學

 

我們早就知道,人體腎臟生理的一些參數在一天24小時內都遵循特定的晝夜節律(如圖1所示)。1950年,Sirota等人就招募了18名健康成年人,對腎功能的日變化進行了初步的探索,研究結果表明與白天相比,夜間的排尿量明顯減少。此后不久,MillsStanbury進行了另一項研究,他們對健康的成年受試者進行12小時的特定訓練來代替正常24小時模式,結果發現尿鈉和尿鉀的日排泄不受以12小時為周期的進食、飲水和睡眠模式的影響017年諾貝爾生理學或醫學獎授予了發現控制晝夜節律分子機制的三位科學家,生物鐘是由一組時鐘基因所驅動的,在哺乳動物中,核心的時鐘基因包括Bmal1, Clock, Per1/2/3, Cry1/2,它們在體內形成一個相互緊密控制的反饋回路

些重要的與腎臟鈉轉運相關的基因呈節律性表達(如圖4所示),如鈉/氫交換體3 (NHE3)、鈉-葡萄糖協同轉運體2 (SGLT2)和上皮鈉通道(ENaC)。利用一些全身敲除或者特異性敲除的動物有助于我們對于生物鐘在腎臟生理中的作用理解更加深入。如表1所示作者總結了在不同腎小管節段時鐘基因轉錄調控的分子機制,不難看出時鐘基因調控著一些非常重要的離子轉運相關基因

外,腎臟除了具有水鹽代謝功能外還在血壓調控方面發揮著至關重要的作用,結合zui新的研究進展,作者列舉了不同時鐘基因敲除后血壓的變化(如圖5所示),為了更清晰地總結該領域相關工作,作者根據不同時鐘基因做詳細闡述。

1Bmal1

Bmal1是目前研究zui為深入的時鐘基因之一,通常被認為是核心時鐘的組成部分,此處不要與中央時鐘混淆,后者是指中樞神經系統內的分子時鐘,特別是在視交叉上核(即SCN)。各種Bmal1特異性敲除的小鼠模型均表現出血壓表型的變化,同時腎臟電解質排泄也有受損。研究表明,Bmal1全身敲除小鼠血壓的晝夜節律喪失,因此在其活動期血壓不會升高。通過多種Bmal1細胞特異性敲除小鼠來控制晝夜血壓和腎臟電解質排泄的機制已經得到了一些的研究和闡釋。平滑肌特異性敲除核受體PPARγ可以降低晝夜血壓的變化,而后被證實是因為Bmal1表達節律受損。另一研究表明平滑肌中Bmal1的缺失在不影響活動度的情況下降低了小鼠晝夜血壓節律的幅度。Chang等人利用外周血管脂肪組織(PVAT)特異性敲除Bmal1小鼠,通過血管環等實驗表明PVATBmal1的缺失導致血壓節律的變化,與對照組小鼠相比,靜息期敲除小鼠血壓較低。總之這些研究都是非常重要的,因為他們提供了有力的證據證明外周生物鐘的確參與了血壓的晝夜調節。

在腎小管全段敲除Bmal1小鼠中,研究結果顯示其收縮壓略有下降,但舒張壓沒有變化,血壓晝夜節律保持不變。另外有研究團隊構建腎素分泌細胞特異性敲除Bmal1,結果顯示腎小球濾過率(GFR)增加,尿鈉晝夜節律降低,血漿醛固酮濃度降低,然而,與對照組相比,盡管收縮壓和舒張壓均明顯降低,但血壓的晝夜節律仍然存在,與對照組相比沒有明顯變化。以上研究表明,腎特異性Bmal1在維持血壓和電解質節律方面發揮重要作用,然而還需要進一步的研究來確定Bmal1是否在腎臟控制了血壓的節律。

 

2Per

Gumz團隊就Per1基因參與腎臟功能調控近些年發表了一系列研究,詳細闡明了Per1在調節血壓和腎臟電解質排泄以及醛固酮對腎臟的影響方面的重要作用。129/sv小鼠中Per1的缺失與對照組小鼠相比,血壓明顯降低,然而,在C57Bl/6小鼠中,Per1的缺失導致僅在活動期觀察到的血壓升高,在高鹽和鹽皮質激素處理后,雄性基因敲除小鼠出現了非勺型血壓,然而在雌性小鼠中并未發現。與血壓的變化相一致,Per1也調控腎臟中的鈉轉運相關基因,從而對血壓的變化起到關鍵的作用。在全身敲除Per1的雄性小鼠中腎臟鈉排泄減少、內皮素-1 mRNA水平升高,然而在全身敲除Per1的雌性小鼠中沒有觀察到內皮素-1的變化。Per2基因(Per基因另外一個亞型)缺失的小鼠中,活動期表現為主動脈內皮功能障礙,舒張壓明顯降低,然而,與對照組小鼠相比,收縮壓和平均動脈壓并無差異。

 

3Cry, ClockDec

Cry1/2雙敲除小鼠顯示盡管24小時平均血壓與野生型小鼠相似,但血壓的晝夜節律已經喪失。有趣的是,由于循環中的醛固酮水平非常高,當給予高鹽飲食時,與野生型對照組相比,這些小鼠出現了明顯的高血壓。相比之下,在Clock突變小鼠中與野生型對照組相比,血壓下降的幅度明顯減小。Dec1被認為是時鐘基因家族的第五個成員,其功能是抑制Bmal1/Clock異源二聚體誘導的Per1轉錄,Nakashima等人的研究表明Dec1基因缺失的小鼠血壓明顯降低,但其晝夜節律卻保持不變。

 

2、旁分泌的控制

 

1)內皮素-1

作者總結了目前對晝夜節律系統和內皮素系統之間的聯系及其對腎臟電解質排泄的協同影響。腎臟中內皮素-1的產生主要來源集合管,尤其是內髓集合管(IMCD),但相當多的內皮素-1也由血管內皮細胞和一些其他來源產生。近年來,隨著Gumz實驗室的陸續重要發現,內皮素系統的晝夜節律也受到了更多的關注。Hwang等人招募了11名血壓正常的受試者和23名高血壓患者進行了一項研究,以確定高血壓與內皮素-1日排泄率之間的關系,有高血壓但無終末器官損害的受試者表現出有規律的晝夜血壓節律,然而與正常血壓組相比,高血壓組有1小時的相位延遲。一般來說,功能節律的不同步被認為會增加疾病風險,收集這些患者的尿液樣本,每天4次,連續3天。在控制飲食(24小時7g NaCl)的情況下,正常血壓和高血壓患者尿鈉和內皮素-1排泄的晝夜節律基本相同,此外,內皮素-1的日排泄模式與鈉的排泄相關。Dhaun等人對非糖尿病性慢性腎病(CKD)患者和健康對照組監測了夜間血壓和動脈硬化的臨床試驗,他們發現血漿內皮素-1水平升高不僅與高血壓有關還與慢性腎病患者*的“非勺型”血壓有關。

除此之外,Per1似乎也參與了集合管中的內皮素系統,Gumz等人在2009年*發現Per1可以正向調節ENaC,隨后該實驗室還發現,集合管細胞中Per1的降低會導致內皮素-1ENaC的其他幾個負調控因子的增加。

 

2)一氧化氮

一氧化氮也是促進尿鈉排泄和利尿的關鍵,一氧化氮可抑制腎單位不同節段的鈉重吸收,主要是髓袢升支粗段和集合管。Hyndman證實β在集合管主細胞敲除將會導致鈉排泄障礙和鹽敏感性高血壓。內皮素系統和NO系統在調節鈉排泄中的協同作用已被多個實驗室證實。內皮素-1通過激活內皮素B受體,刺激髓袢升支粗段NOS3的表達,從而增加NO的產生。根據多項研究表明腎臟內NOS活性可受光的影響。此外,在老年小鼠中,Kunieda等人證實了NO能增加Per1啟動子的活性,并有助于維持主動脈平滑肌細胞中Per2的節律性表達,他們還發現,與年輕小鼠相比,老年小鼠磷酸化NOS3蛋白水平在靜息期表現出晝夜節律受損,且水平較低。

 

3)嘌呤受體

ATP結合的嘌呤受體 P2受體在腎小管的各個節段和腎血管系統中都有表達,并且已經被證明與腎小管轉運的旁分泌調節密切相關。Pochynyuk等人研究表明嘌呤信號能調節集合管中的ENaC,ATP可通過主細胞頂端面的P2Y2受體降低ENaC活性。然而,該方向的研究尚未確定腎臟的嘌呤信號是否以節律模式發揮作用。

 

4)腎素血管緊張素系統

諸多研究表明腎素-血管緊張素系統(RAS)在調節血壓和電解質穩態方面起著關鍵性作用。一些已知的因子與生物鐘基因和腎小管功能的晝夜控制密切相關(如圖6),如20-HETE,緩激肽,前列腺素E2都參與了腎小管功能的發揮,然而對于排泄功能晝夜節律控制的證據相對匱乏。

3、鉀離子的平衡

 

1999年,Wilson等人測定了膳食鉀額外補充對非裔美國青少年夜間血壓的影響,結果顯示血壓正常但對鹽敏感的受試者在高鈉飲食后補充了鉀,高鈉飲食導致近一半的受試者“非勺型”血壓,但在鉀的干預下,血壓又恢復到“勺型”狀態,此結果在中國的鹽敏感受試者也得到了類似的結果。在慢性腎臟病患者中,Agarwal研究表明夜間尿鉀排泄明顯高于白天,而健康個體的大部分鉀通常在白天排泄。鉀的補充對血壓的有益影響可能是由于鉀排泄和醛固酮的節律模式的重置。通過對小鼠腎臟在24小時內每4小時收集一次樣本做微陣列分析發現,大多數已知的鉀調節基因都存在節律性表達,包括編碼Na/K ATPase, H/K ATPase, Kir1.3ROMKBK通道的基因。研究表明在Clock基因敲除小鼠中靜息期的鉀排泄明顯增加。未來的研究方我們可以從鉀晝夜節律調節的機制出發,特別是鉀的晝夜節律調節與鈉平衡之間的關系

 

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