GDF15及其受體GFRAL在肥胖治療上的相關(guān)研究進(jìn)展

劉凌志，林春瑜，汪建華，張惟材，游松，熊向華

1.沈陽藥科大學(xué)，遼寧 沈陽 110016；2.軍事科學(xué)院 軍事醫(yī)學(xué)研究院 生物工程研究所，北京 100071

世界衛(wèi)生組織用體重指數(shù)（body mass index，BMI）劃分超重和肥胖 ，BMI≥25 kg/m2時(shí)為 超重，≥30 kg/m2時(shí)為肥胖。世衛(wèi)組織2016年發(fā)布工作報(bào)告指出，全世界約有13% 的成人肥胖，在全球18歲及以上的成年人中超過19億人超重，其中6億人肥胖。而肥胖的發(fā)病率也在不斷攀升，全球肥胖流行率在1975年到2016年增長近3倍[1-2]。上述數(shù)據(jù)表明，肥胖作為一種病癥已經(jīng)成為全球重要的公共衛(wèi)生問題?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療肥胖癥的主要手段為手術(shù)，手術(shù)能夠快速降低體重，但易復(fù)發(fā)和產(chǎn)生較大的副反應(yīng)，因此存在局限性[3-4]。藥物治療肥胖癥也受到很大關(guān)注，主要以小分子化學(xué)藥物為主，副作用較多，而生物藥治療效果良好，不良反應(yīng)少，成為治療肥胖癥的熱點(diǎn)。近年來，生長與分化因子15（growth and differentiation factor 15，GDF15）因具有良好的降低體重效果而受到廣泛關(guān)注。GDF15是一種主要在肝臟組織和脂肪組織中分泌的細(xì)胞因子，與特異性受體膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子家族受體α相似蛋白（GDNF family receptor alpha-like，GFRAL）形成復(fù)合物，共同改變身體能量代謝狀況，具有良好的改善能量平衡作用[5-7]。由于肥胖癥是一種營養(yǎng)物質(zhì)過剩導(dǎo)致體內(nèi)脂肪堆積引起的代謝性疾病，因此GDF15及其受體GFRAL擁有成為治療肥胖癥新型藥物的潛力。

1 GDF15與肥胖癥的相關(guān)性

GDF15也被稱為巨噬細(xì)胞抑制因子1，1997年首次從組織淋巴瘤細(xì)胞系U937 cDNA文庫中分離。由于GDF15與轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族細(xì)胞因子的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，因此將GDF15歸為TGF-β超家族。GDF15由308個(gè)氨基酸殘基組成，相對(duì)分子質(zhì)量為25 029。GDF15的N端含有12個(gè)氨基酸殘基的疏水性信號(hào)肽，中間是蛋白酶水解位點(diǎn)，C端的半胱氨酸殘基構(gòu)成鏈間二硫鍵，形成二聚體。GDF15被蛋白酶切割后信號(hào)肽被分離，形成成熟蛋白并快速入血，半衰期較短[8]。

1.1 GDF15顯著降低體重

肥胖癥是一種由于營養(yǎng)物質(zhì)過剩導(dǎo)致體內(nèi)脂肪堆積而引起的代謝性疾病，很大程度上與能量代謝異常相關(guān)[9]。Kali等[10]對(duì)GDF15與小鼠能量代謝水平進(jìn)行相關(guān)性研究，通過比較GDF15過表達(dá)的小鼠和普通實(shí)驗(yàn)小鼠的產(chǎn)熱量、耗氧量和CO2生成量，發(fā)現(xiàn)在呼吸交換率相同的情況下，GDF15過表達(dá)的小鼠在上述3個(gè)指標(biāo)上均較普通實(shí)驗(yàn)小鼠有顯著性升高。Kowalska等[8]研究了GDF15與肥胖模型大鼠體重之間的關(guān)系。過表達(dá)GDF15的肥胖大鼠4周后在攝食量上與過表達(dá)之前相比降低了30% ，100 d后與過表達(dá)之前相比體重降低了38% 。而在過表達(dá)GDF15的肥胖大鼠中加入中和GDF15的抗體后，大鼠在食物攝取和體重上都明顯回升。Villanueva等[11]在不同肥胖癥模型大鼠及正常實(shí)驗(yàn)大鼠中重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果均表明GDF15具有良好的降低體重的效果。Macia等[7]對(duì)GDF15與大鼠體脂率之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)GDF15過表達(dá)的肥胖癥大鼠與正常大鼠相比其體重與體脂率均有明顯下降，而GDF15基因敲除大鼠與正常大鼠相比體重與脂肪含量明顯上升。綜上所述，證實(shí)GDF15與肥胖癥存在明顯的相關(guān)性。

1.2 GDF15與腦干最后區(qū)神經(jīng)相結(jié)合

Xiong等[3]研究了GDF15對(duì)實(shí)驗(yàn)大鼠胃排空的影響。研究者用染色的飼料對(duì)實(shí)驗(yàn)組（皮下注射GDF15的大鼠）和對(duì)照組（皮下注射PBS的大鼠）進(jìn)行灌胃，15 min后對(duì)照組大鼠的胃排空率為20% ～31% ，而實(shí)驗(yàn)組胃排空率下降至13% ～18% 。迷走神經(jīng)興奮會(huì)導(dǎo)致胃排空速度加快[12-13]。因此將實(shí)驗(yàn)組大鼠的迷走神經(jīng)切斷后同對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示切斷迷走神經(jīng)后GDF15對(duì)大鼠的胃排空率并不起作用。據(jù)此認(rèn)為GDF15通過作用于迷走神經(jīng)而改變小鼠胃排空率。Tsai等[14]對(duì)大鼠皮下注射GDF15，通過熒光免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GDF15結(jié)合部位在腦干最后區(qū)（area postre?ma，AP）神經(jīng)。

2 GFRAL與GDF15相結(jié)合共同抵抗肥胖癥

GFRAL是GDF15在體內(nèi)的特異性受體，為膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（glial cell-derived neu?rotrophic factor，GDNF）家族成員。GFRAL 由 395個(gè)氨基酸殘基組成，為單次跨膜蛋白[16]，主要在腦干最后區(qū)及孤束核（nucleus tractus solitaries，NTS）神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)[18]。

2.1 GFRAL與GDF15特異性結(jié)合

Johnen等[6]通過Retrogenix細(xì)胞芯片技術(shù)篩選與GDF15結(jié)合的蛋白，在4438個(gè)蛋白中篩出5個(gè)潛在結(jié)合蛋白 PIGR、GFRAL、BAI1、TMED1和FCRL5，再用流式細(xì)胞熒光分選技術(shù)（FACS）分析這5個(gè)潛在結(jié)合蛋白，發(fā)現(xiàn)僅有GFRAL對(duì)GDF15具有較高親和力，表面等離子共振（SRP）結(jié)果表明兩者之間的結(jié)合方式為濃度依賴性。Yang等構(gòu)建了人單次跨膜蛋白受體的細(xì)胞表面展示文庫，在HEK293細(xì)胞中表達(dá)這些受體并用生物素化的GDF15與細(xì)胞孵育，隨后進(jìn)行流式篩選，篩選結(jié)果表明GDF15特異性與表達(dá)GFRAL的細(xì)胞相結(jié)合[15]。

2.2 GFRAL與GDF15共同作用改善肥胖癥

Strelau等[17]研究了GDF15對(duì)小鼠攝食量的影響，在GFRAL基因敲除小鼠和普通實(shí)驗(yàn)小鼠中實(shí)驗(yàn)。在高脂飼料飼喂條件下，基因敲除小鼠每周體重上升速度較普通實(shí)驗(yàn)小鼠更快，第16周時(shí)，基因敲除小鼠體重上升速度甚至達(dá)到普通實(shí)驗(yàn)小鼠的150% ；而在攝食量方面，基因敲除小鼠較普通實(shí)驗(yàn)小鼠也提升1.5～1.8倍。有研究者[19-22]對(duì)GFRAL基因敲除小鼠和野生型小鼠進(jìn)行單次皮下注射GDF15和PBS。在GFRAL基因敲除小鼠中，注射GDF15與注射PBS相比并無顯著性差異，而在野生型小鼠中注射GDF15則出現(xiàn)了明顯的攝食量降低。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)6 d皮下注射，基因敲除小鼠沒有明顯的體重降低，而野生型小鼠體重則明顯降低。由此可見，在缺乏GDF15刺激時(shí)，敲除GFRAL與否對(duì)小鼠的攝食與體重并不產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)在GDF15刺激的條件下，攜帶GFRAL基因的野生型小鼠的攝食與體重明顯降低。這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)GFRAL對(duì)肥胖癥的作用是GDF15所介導(dǎo)的，也證明了GFRAL同樣對(duì)肥胖癥和能量代謝起舉足輕重的作用。

2.3 GFRAL與酪氨酸激酶RET形成復(fù)合物共同引發(fā)下游反應(yīng)

GFRAL為GDNF家族成員。GDNF家族是一類具有多種生物學(xué)功能的營養(yǎng)因子，該家族的各類受體通過與配體RET結(jié)合形成聚合體使RET發(fā)生磷酸化，從而傳遞不同的下游信號(hào)，而這些信號(hào)發(fā)揮著各種生物學(xué)作用[23]。由于GFRAL和GDNF家族之間的關(guān)系[24-25]，研究者猜測GFRAL可能會(huì)與RET形成復(fù)合物參與下游信號(hào)傳導(dǎo)。為了探究GFRAL是否與RET相結(jié)合而起作用，研究者參考了TGF-β超家族與TypeⅠ和TypeⅡ復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)來模擬GDF15與GFRAL的結(jié)合。將GFRAL成熟肽32位的色氨酸殘基突變?yōu)楸彼釟埢?，發(fā)現(xiàn)GDF15對(duì)轉(zhuǎn)基因大鼠攝食量降低和體重減輕的作用消失，但SPR實(shí)驗(yàn)卻表明GDF15仍與GFRAL相結(jié)合[26]。隨后通過原位雜交與免疫共沉淀法，在GFRAL與RET共表達(dá)的細(xì)胞中加入GDF15與PBS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在GDF15存在的情況下GFRAL與RET相結(jié)合且在實(shí)驗(yàn)組中檢測到較PBS組更多的如RET、AKT和PLC-γ等GFRAL下游信號(hào)[27-28]。由此證明GFRAL與GDF15和神經(jīng)元表面的受體酪氨酸激酶RET形成復(fù)合物共同引發(fā)GDF15介導(dǎo)的反應(yīng)，打開身體能量代謝通路，從而起到對(duì)抗肥胖癥的作用。

3 結(jié)語

GDF15是一種在人體內(nèi)存在的天然蛋白，具有較高的安全性。GDF15與GFRAL結(jié)合可以激活下游能量代謝信號(hào)通路，起到提高代謝水平、降低體重的作用。因此，GDF15有成為肥胖癥治療藥物的潛力。雖然GDF15存在半衰期短、機(jī)制研究不完全等限制因素，但近年來蛋白長效化技術(shù)的發(fā)展和GDF15受體相互作用機(jī)制研究的進(jìn)展，為GDF15用于治療肥胖癥及其相關(guān)疾病提供了更多的可能性。