JASN:华中科技大学陈历明教授课题组发表肾小管上皮细胞研究论
2017年3月9日，国际肾脏领域顶级期刊《Journal of the American Society of Nephrology》在线发表了华中科技大学生命与科学技术学院陈历明教授课题组研究论文，论文揭示了近端肾小管存在一种新的HCO3–重吸收机制。博士生郭义敏和副教授刘颖为论文的共同第一作者。
CO2/HCO3–是机体中最主要的酸碱缓冲体系，提供了机体中约70%的酸碱缓冲能力。生理条件下血液中[HCO3–]为24 mM，血液pH为7.4左右。机体每天通过饮食会摄入过量的酸，这些过量的酸必须排出体外，以维持机体内环境的酸碱稳态，而肾脏在此过程中起着至关重要的作用。肾小管上皮细胞负责将过量的酸分泌至尿液中排出体外，同时通过重吸收作用将肾小球滤过的HCO3–全部回收。肾小管HCO3–重吸收功能失常导致各种疾病，比如范可尼氏综合征(Fanconi’s syndrome)，表现为严重的代谢性酸中毒，并伴有发育障碍、智障、偏头疼、青光眼、白内障、骨质发育异常等症状。在肾脏中，约80%的HCO3–重吸收由近端肾小管完成。如图所示，传统理论认为，在近端肾小管顶膜(lumen侧)，HCO3–重吸收完全依赖于NHE3和质子泵介导的H+分泌(途径#1)。在肾小管腔中，HCO3–和H+在碳酸酐酶的催化下反应生成CO2和H2O。CO2扩散进入上皮细胞，在碳酸酐酶的作用下重新转化为HCO3–和H+。HCO3–通过基底膜的NBCe1进入组织间隙，最终回收至血液中。近端肾小管上皮细胞通过途径#2和#3，生成新的HCO3–，用于中和体内过量的酸，同时将产生的酸分泌至尿液中排出体外。这是教科书中关于近端肾小管酸碱平衡调控机制的经典理论。
在这篇最新的JASN论文中，陈历明课题组研究发现，近端肾小管上皮细胞顶膜表达了一种电中性的Na+-HCO3−共转运体NBCn2。非常奇怪的是，他们发现给动物系统性酸碱刺激对NHE3和NBCn2的蛋白表达具有完全相反的调控作用。通过数学模拟，他们发现，NHE3和NBCn2在酸碱跨膜转运中各有不同的优势，NHE3更有利于H+分泌，而NBCn2在HCO3–重吸方面更有效。他们的结果能够很好地解释为什么代谢性酸中毒条件下NHE3表达显著上调，而代谢性碱中毒条件下NHE3表达会显著下调。基于这些研究，该论文提出了一种新的近端肾小管上皮细胞HCO3–重吸收机制，认为肾小管腔的HCO3–重吸收作用依赖于两种完全不同的策略：(1)依赖于NHE3/质子泵介导的H+分泌，以CO2的形式通过顶膜被吸收;(2)依赖于上皮细胞顶膜的NBCn2，直接以HCO3–离子的形式被吸收(图中途径#4)。因此，改研究论文对传统的肾小管HCO3–重吸收理论提出了重要的修正。
本次工作是陈历明教授课题组前期工作的延续。在前期研究中，陈历明课题组在大鼠肾脏中发现了这类特异的NBCn2异构体的表达(Liu et al, PLoS ONE 2013)，并且发现这一类NBCn2异构体是由Slc4a10一个新的启动子控制表达的(Wang DK, et al, Scientific Reports，2015)。在这篇最新的JASN论文中，他们进一步阐明了这类NBCn2异构体在肾脏生理学中的作用。
原文链接：
Na+/HCO3– Cotransporter NBCn2 Mediates HCO3− Reclamation in the Apical membrane of Renal Proximal Tubules
原文摘要：
The kidney maintains systemic acid-base balance by reclaiming from the renal tubule lumen virtually all HCO3− filtered in glomeruli and by secreting additional H+ to titrate luminal buffers. For proximal tubules, which are responsible for about 80% of this activity, it is believed that HCO3− reclamation depends solely on H+ secretion, mediated by the apical Na+/H+ exchanger NHE3 and the vacuolar proton pump. However, NHE3 and the proton pump cannot account for all HCO3− reclamation. Here, we investigated the potential contribution of two variants of the electroneutral Na+/HCO3– cotransporter NBCn2, the amino termini of which start with the amino acids MCDL (MCDL-NBCn2) and MEIK (MEIK-NBCn2). western blot analysis and immunocytochemistry revealed that MEIK-NBCn2 predominantly localizes at the basolateral membrane of medullary thick ascending limbs in the rat kidney, whereas MCDL-NBCn2 localizes at the apical membrane of proximal tubules. Notably, NH4Cl-induced systemic metabolic acidosis or hypokalemic alkalosis downregulated the abundance of MCDL-NBCn2 and reciprocally upregulated NHE3. Conversely, NaHCO3-induced metabolic alkalosis upregulated MCDL-NBCn2 and reciprocally downregulated NHE3. We propose that the apical membrane of the proximal tubules has two distinct strategies for HCO3− reclamation: the conventional indirect pathway, in which NHE3 and the proton pump secrete H+ to titrate luminal HCO3−, and the novel direct pathway, in which NBCn2 removes HCO3− from the lumen. The reciprocal regulation of NBCn2 and NHE3 under different physiologic conditions is consistent with our mathematical simulations, which suggest that HCO3− uptake and H+secretion have reciprocal efficiencies for HCO3− reclamation versus titration of luminal buffers.
作者：陈历明
