GDF11在細(xì)胞增殖及細(xì)胞分化中的作用

張楓，保志軍

1.復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院老年病科，消化內(nèi)科，上海市老年醫(yī)學(xué)臨床重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200040；2.復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院老年病科，上海200040

2013年哈佛大學(xué)進(jìn)行的連體共生實(shí)驗(yàn)讓我們看到了逆 轉(zhuǎn)衰老的希望[1]，連體共生實(shí)驗(yàn)是兩種生物經(jīng)外科手術(shù)腹側(cè)皮膚切開血管縫合后成為共用血液循環(huán)的共生體，最早是由一位法國(guó)動(dòng)物學(xué)家Paul Bert 于1864年首次描述[2]。2013年哈佛大學(xué)Loffredo 等進(jìn)行了改良版連體共生實(shí)驗(yàn)，將青年小鼠（2月齡）及老年小鼠（23月齡）縫合形成連體共生系統(tǒng)，1 個(gè)月后他們發(fā)現(xiàn)連體共生的老年小鼠體力充沛，與對(duì)照組小鼠相比，增齡相關(guān)性心肌肥大出現(xiàn)縮小，不僅如此，心衰指標(biāo)及心肌收縮力都有不同程度的恢復(fù)[1]。此外，Katsimpardi 等發(fā)現(xiàn)連體共生的老年小鼠海馬區(qū)神經(jīng)干細(xì)胞、神經(jīng)祖細(xì)胞、新生神經(jīng)元及血管內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量均較對(duì)照組增多[3]。Rebo 等[4]發(fā)現(xiàn)與青年小鼠交換血液的老年小鼠肝纖維化和脂肪肝逐漸恢復(fù)。以上一系列實(shí)驗(yàn)說明與青年小鼠連體共生的老年小鼠，心肌、神經(jīng)、肝臟等器官均出現(xiàn)逆齡性變化，那么是何原因?qū)е逻@一驚人的抗衰老作用，經(jīng)過比對(duì)青年小鼠及老年小鼠血液循環(huán)中的分子，人們將目光聚焦于在不同年齡組血液中含量相差最大的生長(zhǎng)分化因子11（growth differentiation factor 11,GDF11），這是一種可以調(diào)控機(jī)體生長(zhǎng)分化的蛋白質(zhì)。而后專家學(xué)者們向老年生物體內(nèi)注射GDF11，成功復(fù)制出了心臟、大腦等多器官的逆齡性改變[3,5-7]，這是令人驚喜的，說明GDF11具有抗衰老作用。

不僅動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，臨床也發(fā)現(xiàn)在人類體內(nèi)GDF11 隨著年齡增長(zhǎng)而逐漸上升，在中年期達(dá)到峰值，然后在老年期快速下降（18～29 歲774.8pg/mL、30～39 歲1176.7pg/mL、40～49 歲963.8pg/mL、50～59 歲177.4pg/mL、大于60 歲52.5pg/mL）[8]。并且Elliott 等發(fā)現(xiàn)GDF11 在長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)的老年人體內(nèi)更高，對(duì)比不運(yùn)動(dòng)的老年人，GDF11 在基線時(shí)就較高，并且運(yùn)動(dòng)后更高。他們測(cè)定了11 名終身鍛煉的老年男性和13名終身久坐不動(dòng)的老年男性在基線時(shí)和短期運(yùn)動(dòng)后GDF11的數(shù)值變化，基線時(shí)鍛煉組對(duì)比不鍛煉組（272.7pg/mL .70.7pg/mL）,運(yùn)動(dòng)后更高（305.0pg/mL .77.1pg/mL），并且短期運(yùn)動(dòng)可以使GDF11 升高[9]。適當(dāng)運(yùn)動(dòng)是抗衰老機(jī)制之一，運(yùn)動(dòng)的人GDF11 升高，可以從側(cè)面反映GDF11 與抗衰老之間具有相關(guān)性。但是GDF11 到底因什么機(jī)制逆轉(zhuǎn)衰老，目前還是未知。為了尋找GDF11 抗衰老機(jī)制，本文對(duì)GDF11 相關(guān)論文進(jìn)行綜述，以期明確GDF11 功能以及可能的抗衰老機(jī)制。

目前對(duì)于GDF11 功能研究比較清晰的是促進(jìn)組織發(fā)育，在神經(jīng)發(fā)生過程中，脊髓祖細(xì)胞數(shù)量和增殖能力的降低發(fā)生在GDF11 表達(dá)和神經(jīng)元分化的高峰期。在沒有GDF11 的情況下，神經(jīng)發(fā)生的進(jìn)展被延遲，并且祖細(xì)胞在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持其增殖能力，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的祖細(xì)胞[10]。由此，GDF11 的作用主要是抑制細(xì)胞增殖促進(jìn)細(xì)胞分化，并且這是兩個(gè)耦合的過程，GDF11 抑制細(xì)胞增殖是為了促進(jìn)細(xì)胞分化。

1 GDF11 與細(xì)胞增殖

GDF11 在各系統(tǒng)有抑制細(xì)胞增殖的作用。在視網(wǎng)膜，Gdf11（-/-）小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞增加50%；GDF11 抑制劑卵泡抑素（follistatin,FST）缺乏的小鼠Fst（-/-），相當(dāng)于GDF11 過表達(dá)，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞減少26%；同時(shí)體外實(shí)驗(yàn)也出現(xiàn)同樣結(jié)果，加入GDF11 培養(yǎng)的視網(wǎng)膜外植體神經(jīng)節(jié)細(xì)胞減少[11]。在嗅覺神經(jīng)元發(fā)育中，Gdf11（-/-）小鼠嗅覺受體神經(jīng)元及其直接神經(jīng)祖細(xì)胞數(shù)量增加，體外GDF11培養(yǎng)直接神經(jīng)祖細(xì)胞，數(shù)量不像對(duì)照組那樣成指數(shù)增長(zhǎng)，而是沒有變化[12]。在脊髓神經(jīng)發(fā)育中，與對(duì)照組相比，Gdf11（-/-）祖細(xì)胞數(shù)量較多（27% .40%），并且12.5 d 時(shí)Gdf11（-/-）脊髓中分裂期祖細(xì)胞百分比較高，說明在沒有GDF11情況下祖細(xì)胞增殖增加[10]。GDF11 在胰島 細(xì)胞同樣起抑制作用，Gdf11（-/-）小鼠胰島前體細(xì)胞數(shù)量增加300%[13]。

GDF11 對(duì)于細(xì)胞增殖的抑制作用有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.1 GDF11 對(duì)于細(xì)胞周期的抑制是劑量依賴性的，并且是可逆的 在嗅覺神經(jīng)元發(fā)育實(shí)驗(yàn)中，外源性應(yīng)用GDF11 培養(yǎng)直接神經(jīng)祖細(xì)胞，細(xì)胞停止增殖，細(xì)胞數(shù)量沒有變化，去除一半GDF11 后，細(xì)胞再次出現(xiàn)增長(zhǎng)，說明GDF11 對(duì)于細(xì)胞增殖的抑制作用是劑量依賴性的并且是可逆的[12]。

1.2 GDF11 抑制細(xì)胞增殖有選擇性GDF11 并非作用于原始干細(xì)胞，而是作用于較成熟的多能干細(xì)胞或祖細(xì)胞[13]。體外，GDF11 完全但可逆地阻止直接神經(jīng)祖細(xì)胞分裂，但它對(duì)原始神經(jīng)干細(xì)胞的增殖沒有影響，Gdf11（-/-）小鼠觀察到的神經(jīng)元數(shù)量的增加伴隨著直接神經(jīng)祖細(xì)胞的增加，但是Mash1+神經(jīng)祖細(xì)胞或Sox2+神經(jīng)干細(xì)胞數(shù)量不增加，說明GDF11 對(duì)于原始干細(xì)胞沒有細(xì)胞增殖抑制作用。這些數(shù)據(jù)意味著GDF11 主要抑制中間階段祖細(xì)胞的增殖[14]。

1.3 GDF11 抑制細(xì)胞增殖的機(jī)制GDF11 對(duì)于細(xì)胞周期的可逆性抑制是通過上調(diào)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p21Cip1/p27Kip1 使細(xì)胞周期停止于G1 期[12]。Gdf11（-/-）小鼠胰腺p21Cip1/p27Kip1 表達(dá)減少[13]。嗅覺神經(jīng)培養(yǎng)物加入GDF11 觀察p21Cip1/p27Kip1 免疫反應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)照組僅有2.5%的神經(jīng)元細(xì)胞顯示出p21Cip1/p27Kip1 免疫反應(yīng)性，相比之下，GDF11 處理的培養(yǎng)物中p21Cip1/p27Kip1 免疫反應(yīng)性增加了5 倍以上（14.3% 2.5%），說明GDF11 會(huì)導(dǎo)致嗅覺神經(jīng)細(xì)胞中p21Cip1/p27Kip1 表達(dá)的增加[15]。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中用GDF11siRNA 感染骨骼肌來源的干細(xì)胞后16 h，p21Cip1/p27Kip1 水平明顯下調(diào)并與細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（cyclin-dependent kinase,CDK）2/4 活性增加一致，并且細(xì)胞周期蛋白D1 的蛋白質(zhì)水平顯著增加，說明GDF11 存在利用p21Cip1/p27Kip1 抑制細(xì)胞周期蛋白D1-CDK2/4 復(fù)合物，使細(xì)胞周期停滯于G1 期[16]。

2 GDF11 與細(xì)胞分化

很多研究發(fā)現(xiàn)GDF11 在神經(jīng)、胰腺、血管等組織系統(tǒng)有促進(jìn)細(xì)胞分化的作用。在小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞剛剛分化并開始延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)，編碼GDF11 的mRNA 在整個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層上表達(dá)，說明GDF11 促進(jìn)神經(jīng)樹突的分化；體外實(shí)驗(yàn)也得到相同結(jié)果，向解離的視網(wǎng)膜培養(yǎng)物中加入GDF11可以刺激體外神經(jīng)節(jié)細(xì)胞樹突起始分化[17]。在視網(wǎng)膜中，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞是視網(wǎng)膜神經(jīng)發(fā)生過程中最早分化的細(xì)胞類型，其后還有棒狀光感受器和無長(zhǎng)突細(xì)胞等。缺乏GDF11 導(dǎo)致視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞數(shù)量增加，但是這種增加是以減少晚期分化細(xì)胞棒狀光感受器和無長(zhǎng)突細(xì)胞為代價(jià)的[18]。說明GDF11 有抑制中間階段祖細(xì)胞增殖，促進(jìn)晚期成熟細(xì)胞分化的功能。在胰腺中缺乏GDF11 或GDF11 下游SMAD2的小鼠中，觀察到與缺乏GDF11 膜受體類似的胰島分化缺陷，包括 細(xì)胞發(fā)育不全和胰島素合成受損[14]。在血管系統(tǒng)，給21～23月齡老年小鼠每天注射重組GDF11（0.1mg/kg），與PBS 處理的對(duì)照組小鼠相比，GDF11 處理組的血管體積增加了50%[3]。另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)GDF11 處理增加了內(nèi)皮祖細(xì)胞體外萌芽形成[19]。

GDF11 細(xì)胞分化的促進(jìn)功能有以下特點(diǎn)：

2.1 細(xì)胞分化的濃度依賴性 過高或過低濃度GDF11 都會(huì)抑制神經(jīng)前體細(xì)胞分化，只有適當(dāng)?shù)臐舛炔趴梢约せ钭婕?xì)胞分化。在GDF11 體外刺激神經(jīng)節(jié)細(xì)胞樹突分化實(shí)驗(yàn)中觀察到GDF11 劑量-反應(yīng)曲線，低（1ng/mL）和高（100ng/mL）GDF11 濃度樹突分化都沒有顯著變化，而10～50ng/mL 濃度顯然刺激了樹突分化[17]。在嗅覺神經(jīng)分化體外實(shí)驗(yàn)中也有類似現(xiàn)象，在GDF11 含量較低的情況下（10ng/mL），高達(dá)75%直接神經(jīng)祖細(xì)胞分化為嗅覺神經(jīng)元細(xì)胞，但是在高濃度GDF11（60ng/mL）該比例下降至10%以下[14]。

2.2 GDF11 信號(hào)通路 SMAD 信號(hào)通路是GDF11 經(jīng)典信號(hào)通路，GDF11 是細(xì)胞外信號(hào)分子，需要通過細(xì)胞膜上的受體將信號(hào)傳導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，SMAD 是GDF11 的胞內(nèi)信使,通過將GDF11 的信號(hào)傳遞進(jìn)細(xì)胞核，指導(dǎo)某些基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，調(diào)控細(xì)胞功能[20]。SMAD 是轉(zhuǎn)錄激活因子，結(jié)合某些基因啟動(dòng)子附近的SMAD 結(jié)合原件（SMAD binding element,SBE），指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄[21]。通常情況下，多數(shù)與分化發(fā)育相關(guān)的基因處于抑制狀態(tài)，需要在特定的發(fā)育階段激活，基因調(diào)節(jié)蛋白或轉(zhuǎn)錄因子便充當(dāng)這種激活物。GDF11 下游SMAD 信號(hào)通路可通過協(xié)同不同轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控細(xì)胞特異性基因表達(dá)，指導(dǎo)細(xì)胞分化。

GDF11 調(diào)節(jié)細(xì)胞分化的下游效應(yīng)物可經(jīng)GDF11 信號(hào)通路磷酸化抗體陣列檢測(cè)分析鑒定。有實(shí)驗(yàn)分別鑒定了GDF11下游SMAD信號(hào)通路磷酸化水平增加或降低了50%以上的蛋白質(zhì)譜，這些蛋白質(zhì)對(duì)于細(xì)胞增殖和分化是重要的，包括MYC、ERK1/2、SMAD1、AKT 和細(xì)胞周期蛋白D1[22]，這些因子是GDF11/SMAD 信號(hào)通路的重要下游效應(yīng)物。

3 小結(jié)

綜上，GDF11 抑制細(xì)胞增殖促進(jìn)細(xì)胞分化的作用，主要通過上調(diào)p21cip1/p27kip1 抑制細(xì)胞周期進(jìn)程于G1 期并促進(jìn)細(xì)胞分化。GDF11 實(shí)際上通過降低祖細(xì)胞的自體復(fù)制比率并提高其分化的比率起作用[14]。并且GDF11 促進(jìn)細(xì)胞分化的作用是通過SMAD 信號(hào)通路及下游轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控細(xì)胞特異性基因表達(dá)，指導(dǎo)細(xì)胞分化。

GDF11 抑制細(xì)胞增殖促進(jìn)細(xì)胞分化的作用可能可以部分解釋其逆轉(zhuǎn)衰老的作用，但是具體的抗衰老機(jī)制還需進(jìn)一步研究探索，不過作為新一代抗衰老因子，GDF11 具有很好的應(yīng)用前景，希望通過更深入的研究，可以早日服務(wù)于臨床造福廣大老年患者。