编译：Echo，编辑：谢衣、江舜尧。
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导读
诸多生理过程（如血压的波动、睡眠-觉醒周期、体温的波动、激素的分泌等）都表现出大约以24小时为周期的昼夜节律，这在很大程度上是因为生物钟基因在体内几乎每一种细胞类型中都发挥着作用。研究表明特别是在肝脏和肾脏内许多基因都具有显著的节律性表达。另有越来越多的证据提示旁分泌和自分泌因子，特别是内皮素系统受到时钟基因调控。我们都知道电解质的排泄具有明显的昼夜节律，而这种节律对体液平衡和血压控制都发挥了极其重要的作用。因此，本文综述了旁分泌因子和电解质排泄节律性调控之间的作用关系，以期电解质排泄在神经内分泌控制整合时旁分泌和节律因子的认知得到更深入的理解。
原名：Diurnal Regulation of Renal Electrolyte Excretion: The Role of Paracrine Factors
期刊：Annual Review of Physiology
IF：17.902
发表时间：2020.02
通讯作者：David M. Pollock
作者单位：阿拉巴马大学
肾脏电解质转运控制是一项极其复杂的工作，涉及广泛的内分泌、旁分泌和自分泌因子来平衡进出。多年来大量的工作致力于肾素-血管紧张素-醛固酮系统，可以说是肾功能研究最多的方面。随着时间的延长，抗利尿激素和心房利钠肽的作用也得到越来越详尽的认知。我们都知道肾脏排泄功能受旁分泌和自分泌的调控，如内皮素、ATP/嘌呤受体、激肽、花生四烯酸、P450代谢物等，但很少有研究整合了这些作用的平衡。虽然我们在一个世纪前就知道肾脏的排泄功能是具有昼夜节律的，但我们在这个领域的探索是非常有限的。我们集中在已知影响肾脏排泄功能的几个主要自分泌/旁分泌因子，特别是内皮素-1和嘌呤受体，同时聚焦内在的肾脏生物钟是如何控制肾脏排泄功能的，为此作者展开了一系列总结和讨论。
我们早就知道，人体肾脏生理的一些参数在一天24小时内都遵循特定的昼夜节律（如图1所示）。1950年，Sirota等人就招募了18名健康成年人，对肾功能的日变化进行了初步的探索，研究结果表明与白天相比，夜间的排尿量明显减少。此后不久，Mills和Stanbury进行了另一项研究，他们对健康的成年受试者进行12小时的特定训练来代替正常24小时模式，结果发现尿钠和尿钾的日排泄不受以12小时为周期的进食、饮水和睡眠模式的影响（如图2所示）。
图1. 人体一天中与肾脏相联系的功能或激素达到峰值的时间模式图
图2.健康受试者12小时饮食和睡眠模式时尿的排出率2017年诺贝尔生理学或医学奖授予了发现控制昼夜节律分子机制的三位科学家，生物钟是由一组时钟基因所驱动的，在哺乳动物中，核心的时钟基因包括Bmal1, Clock, Per1/2/3, Cry1/2，它们在体内形成一个相互紧密控制的反馈回路（如图3所示）。
一些重要的与肾脏钠转运相关的基因呈节律性表达（如图4所示），如钠/氢交换体3 (NHE3)、钠-葡萄糖协同转运体2 (SGLT2)和上皮钠通道(ENaC)。利用一些全身敲除或者特异性敲除的动物有助于我们对于生物钟在肾脏生理中的作用理解更加深入。如表1所示作者总结了在不同肾小管节段时钟基因转录调控的分子机制，不难看出时钟基因调控着一些非常重要的离子转运相关基因
此外，肾脏除了具有水盐代谢功能外还在血压调控方面发挥着至关重要的作用，结合最新的研究进展，作者列举了不同时钟基因敲除后血压的变化（如图5所示），为了更清晰地总结该领域相关工作，作者根据不同时钟基因做详细阐述。
Bmal1是目前研究最为深入的时钟基因之一，通常被认为是核心时钟的组成部分，此处不要与中央时钟混淆，后者是指中枢神经系统内的分子时钟，特别是在视交叉上核（即SCN）。各种Bmal1特异性敲除的小鼠模型均表现出血压表型的变化，同时肾脏电解质排泄也有受损。研究表明，Bmal1全身敲除小鼠血压的昼夜节律丧失，因此在其活动期血压不会升高。通过多种Bmal1细胞特异性敲除小鼠来控制昼夜血压和肾脏电解质排泄的机制已经得到了一些的研究和阐释。平滑肌特异性敲除核受体PPARγ可以降低昼夜血压的变化，而后被证实是因为Bmal1表达节律受损。另一研究表明平滑肌中Bmal1的缺失在不影响活动度的情况下降低了小鼠昼夜血压节律的幅度。Chang等人利用外周血管脂肪组织（PVAT）特异性敲除Bmal1小鼠，通过血管环等实验表明PVAT中Bmal1的缺失导致血压节律的变化，与对照组小鼠相比，静息期敲除小鼠血压较低。总之这些研究都是非常重要的，因为他们提供了有力的证据证明外周生物钟的确参与了血压的昼夜调节。在肾小管全段敲除Bmal1小鼠中，研究结果显示其收缩压略有下降，但舒张压没有变化，血压昼夜节律保持不变。另外有研究团队构建肾素分泌细胞特异性敲除Bmal1，结果显示肾小球滤过率（GFR）增加，尿钠昼夜节律降低，血浆醛固酮浓度降低，然而，与对照组相比，尽管收缩压和舒张压均明显降低，但血压的昼夜节律仍然存在，与对照组相比没有明显变化。以上研究表明，肾特异性Bmal1在维持血压和电解质节律方面发挥重要作用，然而还需要进一步的研究来确定Bmal1是否在肾脏控制了血压的节律。Gumz团队就Per1基因参与肾脏功能调控近些年发表了一系列研究，详细阐明了Per1在调节血压和肾脏电解质排泄以及醛固酮对肾脏的影响方面的重要作用。129/sv小鼠中Per1的缺失与对照组小鼠相比，血压明显降低，然而，在C57Bl/6小鼠中，Per1的缺失导致仅在活动期观察到的血压升高，在高盐和盐皮质激素处理后，雄性基因敲除小鼠出现了“非勺型”血压，然而在雌性小鼠中并未发现。与血压的变化相一致，Per1也调控肾脏中的钠转运相关基因，从而对血压的变化起到关键的作用。在全身敲除Per1的雄性小鼠中肾脏钠排泄减少、内皮素-1 mRNA水平升高，然而在全身敲除Per1的雌性小鼠中没有观察到内皮素-1的变化。Per2基因（Per基因另外一个亚型）缺失的小鼠中，活动期表现为主动脉内皮功能障碍，舒张压明显降低，然而，与对照组小鼠相比，收缩压和平均动脉压并无差异。Cry1/2双敲除小鼠显示尽管24小时平均血压与野生型小鼠相似，但血压的昼夜节律已经丧失。有趣的是，由于循环中的醛固酮水平非常高，当给予高盐饮食时，与野生型对照组相比，这些小鼠出现了明显的高血压。相比之下，在Clock突变小鼠中与野生型对照组相比，血压下降的幅度明显减小。Dec1被认为是时钟基因家族的第五个成员，其功能是抑制Bmal1/Clock异源二聚体诱导的Per1转录，Nakashima等人的研究表明Dec1基因缺失的小鼠血压明显降低，但其昼夜节律却保持不变。作者总结了目前对昼夜节律系统和内皮素系统之间的联系及其对肾脏电解质排泄的协同影响。肾脏中内皮素-1的产生主要来源集合管，尤其是内髓集合管（IMCD），但相当多的内皮素-1也由血管内皮细胞和一些其他来源产生。近年来，随着Gumz实验室的陆续重要发现，内皮素系统的昼夜节律也受到了更多的关注。Hwang等人招募了11名血压正常的受试者和23名高血压患者进行了一项研究，以确定高血压与内皮素-1日排泄率之间的关系，有高血压但无终末器官损害的受试者表现出有规律的昼夜血压节律，然而与正常血压组相比，高血压组有1小时的相位延迟。一般来说，功能节律的不同步被认为会增加疾病风险，收集这些患者的尿液样本，每天4次，连续3天。在控制饮食(每24小时7g NaCl)的情况下，正常血压和高血压患者尿钠和内皮素-1排泄的昼夜节律基本相同，此外，内皮素-1的日排泄模式与钠的排泄相关。Dhaun等人对非糖尿病性慢性肾病(CKD)患者和健康对照组监测了夜间血压和动脉硬化的临床试验，他们发现血浆内皮素-1水平升高不仅与高血压有关还与慢性肾病患者特有的“非勺型”血压有关。除此之外，Per1似乎也参与了集合管中的内皮素系统，Gumz等人在2009年首次发现Per1可以正向调节ENaC，随后该实验室还发现，集合管细胞中Per1的降低会导致内皮素-1和ENaC的其他几个负调控因子的增加。一氧化氮也是促进尿钠排泄和利尿的关键，一氧化氮可抑制肾单位不同节段的钠重吸收，主要是髓袢升支粗段和集合管。Hyndman证实NOS1β在集合管主细胞敲除将会导致钠排泄障碍和盐敏感性高血压。内皮素系统和NO系统在调节钠排泄中的协同作用已被多个实验室证实。内皮素-1通过激活内皮素B受体，刺激髓袢升支粗段NOS3的表达，从而增加NO的产生。根据多项研究表明肾脏内NOS活性可受光的影响。此外，在老年小鼠中，Kunieda等人证实了NO能增加Per1启动子的活性，并有助于维持主动脉平滑肌细胞中Per2的节律性表达，他们还发现，与年轻小鼠相比，老年小鼠磷酸化NOS3蛋白水平在静息期表现出昼夜节律受损，且水平较低。ATP结合的嘌呤受体 P2受体在肾小管的各个节段和肾血管系统中都有表达，并且已经被证明与肾小管转运的旁分泌调节密切相关。Pochynyuk等人研究表明嘌呤信号能调节集合管中的ENaC，ATP可通过主细胞顶端面的P2Y2受体降低ENaC活性。然而，该方向的研究尚未确定肾脏的嘌呤信号是否以节律模式发挥作用。诸多研究表明肾素-血管紧张素系统(RAS)在调节血压和电解质稳态方面起着关键性作用。一些已知的因子与生物钟基因和肾小管功能的昼夜控制密切相关（如图6），如20-HETE，缓激肽，前列腺素E2都参与了肾小管功能的发挥，然而对于排泄功能昼夜节律控制的证据相对匮乏。
图6. 肾单位中一些主要的旁分泌/自分泌因子的分布情况1999年，Wilson等人测定了膳食钾额外补充对非裔美国青少年夜间血压的影响，结果显示血压正常但对盐敏感的受试者在高钠饮食后补充了钾，高钠饮食导致近一半的受试者“非勺型”血压，但在钾的干预下，血压又恢复到“勺型”状态，此结果在中国的盐敏感受试者也得到了类似的结果。在慢性肾脏病患者中，Agarwal研究表明夜间尿钾排泄明显高于白天，而健康个体的大部分钾通常在白天排泄。钾的补充对血压的有益影响可能是由于钾排泄和醛固酮的节律模式的重置。通过对小鼠肾脏在24小时内每4小时收集一次样本做微阵列分析发现，大多数已知的钾调节基因都存在节律性表达，包括编码Na/K ATPase, H/K ATPase, Kir1.3、ROMK和BK通道的基因。研究表明在Clock基因敲除小鼠中静息期的钾排泄明显增加。未来的研究方我们可以从钾昼夜节律调节的机制出发，特别是钾的昼夜节律调节与钠平衡之间的关系。关于肾脏电解质转运机制的研究仍然相对较少，只有少数实验室关注这一重要的研究领域，此外还需要在体内验证昼夜节律基因对电解质排泄和血压的影响。在进行临床、动物实验、甚至细胞培养研究时，必须考虑潜在靶标的日节律变化，这可能是由其固有的昼夜节律或中枢生物钟的控制引起的，这是也是出于科学严谨性非常容易忽视的问题。我们需要更多的研究来确定日节律变化的钾平衡对血压昼夜节律的影响及其与钠转运的相互作用，因为许多研究者往往忽视RAS系统在控制钾平衡中的作用，而仅仅关注钠平衡。总之，肾脏电解质节律性转运的机制以及时钟基因在肾脏如何控制血压节律需要我们更进一步的研究和讨论。
原文网址：https://doi.org/10.1146/annurev-physiol-021119-034446
