生長分化因子15：調(diào)節(jié)脂肪組織能量代謝的新激素

袁 力， 韋 曉， 陳國芳， 劉 超

（南京中醫(yī)藥大學附屬中西醫(yī)結合醫(yī)院內(nèi)分泌科 江蘇省中醫(yī)藥研究院國家中醫(yī)藥管理局癭病證治國家重點研究室，江蘇 南京 210028）

隨著物質(zhì)生活水平的提升，在短短數(shù)十年間，全球肥胖人數(shù)已超過6.71億[1]。而肥胖的發(fā)生、發(fā)展將伴隨著阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征、糖尿病、高血壓、心臟病等慢性疾病的風險增加[2]。在蔓延全球的新型冠狀病毒肺炎疫情中，肥胖患者的死亡率遠高于標準體重者[3]。但現(xiàn)行治療肥胖的手段皆存在種種弊端，減重后反彈更是棘手的難題。

近年來，生長分化因子15（growth differentiation factor 15,GDF15）在脂肪組織代謝方面的作用逐漸為人們所認知，通過調(diào)控脂肪的能量代謝活性、刺激迷走神經(jīng)傳導而減緩胃蠕動以及管控中央杏仁核抑制食欲，從而減輕體重[4-5]。但國內(nèi)學者對這一領域的關注較少，GDF15是否可作為代謝性疾病治療的新靶點，有效減重或防止體重反彈，是今后研究的重點。本文簡述GDF15在調(diào)節(jié)脂肪組織能量代謝中的作用，旨在為肥胖及其相關疾病的研究提供參考。

GDF15及其受體

GDF15是一種肽類激素，其表達主要由細胞應激所誘導，在抑制食欲和應對外環(huán)境有害刺激時發(fā)揮關鍵作用[6]。業(yè)已證實，人類GDF15基因位于19號染色體（19p13.11）短臂的正鏈上，包含2個外顯子，并由1個內(nèi)含子隔開。GDF15前體由29個氨基酸的信號肽、167個氨基酸的前肽和112個氨基酸的成熟區(qū)域共同構成。在GDF15蛋白前體的水解過程中，N端信號肽被切除，通過二硫鍵構成二聚體。二聚體在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊后，被前蛋白轉化酶剪切后分泌至細胞外。隨后，GDF15與細胞外基質(zhì)成分產(chǎn)生交互作用，以此調(diào)控GDF15的血清濃度和生物活性[7]。

GDF15由肝臟、腎臟、肌肉、脂肪等組織器官分泌，其血清水平升高往往預示著炎癥、惡性腫瘤、心血管疾病等異常狀態(tài)[8]。

GDF15被發(fā)現(xiàn)后的20年，其特異性受體膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子家族受體α樣蛋白（glial cell line-derived neurotrophic factor receptor alpha like,GFRAL）被發(fā)現(xiàn)。GFRAL由GFRAL基因編碼。該基因位于6號染色體短臂，由9個外顯子組成，編碼由394個氨基酸組成的蛋白質(zhì)。GFRAL蛋白的N端表達于細胞膜之外；C端形成跨膜螺旋結構；剩余的氨基酸則組成細胞質(zhì)結構域[9]。Hsu等[7]發(fā)現(xiàn)，GDF15與細胞表面的GFRAL和RET（rearranged during transfection）原癌基因形成三聚體，并以此傳導信號，發(fā)揮生物學效性。

GDF15在脂肪組織能量代謝中的作用

脂肪組織可分為白色脂肪、棕色脂肪與米色脂肪。白色脂肪是脂質(zhì)的主要儲存部位和脂肪炎性因子的生產(chǎn)場所；棕色脂肪組織通過脂肪酸的氧化代謝控制能量消耗和產(chǎn)熱；而米色脂肪是白色脂肪受到刺激后的特殊產(chǎn)物，其生理特性與棕色脂肪相似。越來越多的研究表明，GDF15在調(diào)控脂肪組織能量代謝中扮演十分重要的角色，其含量和表達的變化可有效調(diào)控脂肪組織的分解和產(chǎn)熱。

一、GDF15與脂肪分解

從2015年開始，陸續(xù)有學者開始探究GDF15與脂肪分解之間的關聯(lián)性。Chrysovergis等[10]發(fā)現(xiàn)，GDF15轉基因小鼠體內(nèi)脂肪細胞的體積明顯小于野生型小鼠。隨后通過聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction,PCR）檢測脂肪細胞分化標志物過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptorγ，PPARγ）、葡糖轉運蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）和脂肪酸合酶（fatty acid synthase，F(xiàn)ASN）基因的表達，以排除GDF15水平上升使脂肪組織分化改變的可能性。最后檢測腎上腺素β3受體（β3adrenergic receptor，Adrb3）、三 酰 甘 油 脂 肪 酶（triglyceride lipase，TGL）和激素敏感性脂肪酶（hormone-sensitive lipase，HSL）與脂肪分解有關的基因表達，發(fā)現(xiàn)在GDF15轉基因小鼠體內(nèi)后3種基因表達水平升高，說明GDF15可直接誘使小鼠脂肪分解增加。

Chung等[11]對GDF15與脂肪分解的關系進行專項研究，結果發(fā)現(xiàn)，小鼠循環(huán)中GDF15水平升高時，伴隨HSL表達的同步變化。為明確小鼠脂肪分解水平提高是否與GDF15水平的上升有關，研究者進行了另外一項體外實驗，結果顯示，使用GDF15對脂肪細胞進行處理后，脂肪細胞釋放到介質(zhì)中的甘油水平顯著提升。Emmerson等[12]進一步觀察到，皮下脂肪組織是GDF15受體GFRAL表達的重要部位，因此提出假設：GDF15可以靶向作用于白色脂肪組織，誘導脂肪分解，通過檢測GFRAL與RET在白色脂肪中的轉錄水平，發(fā)現(xiàn)兩者在脂肪組織中均大量表達，這一結果再次印證了GDF15在脂肪細胞中的代謝調(diào)節(jié)作用。將GDF15蛋白作用于脂肪細胞后，觀測到介質(zhì)中甘油的釋放增加，而在利用GDF15的中和性抗體阻斷GDF15后，脂肪細胞中的脂肪分解反應則完全停止[13]。

針對人體的研究資料相對較少。Laurens等[13]先后進行了動物和人體試驗，發(fā)現(xiàn)受試者運動后，循環(huán)中GDF15水平上升。此外，肥胖受試者在休息和運動時血漿中甘油與GDF15水平呈正相關。研究認為，肌源性GDF15可在骨骼肌內(nèi)發(fā)揮旁分泌作用，靶向調(diào)節(jié)肌內(nèi)脂肪組織。肌肉收縮時，釋放GDF15，到達脂肪組織的靶受體GFRAL/RET，激活脂肪分解，釋放非酯化脂肪酸，作為肌肉收縮的燃料，由此減少肌肉中脂肪組織的占比。

二、GDF15與脂肪產(chǎn)熱

棕色脂肪組織可通過非寒戰(zhàn)產(chǎn)熱快速提供能量，這一功能使哺乳動物面對環(huán)境溫度變化時可應對自如。棕色脂肪組織通過其特異性表達的解耦聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1,UCP1）產(chǎn)生熱量。

Chrysovergis等[10]首先觀察到GDF15轉基因小鼠的晝夜產(chǎn)熱均高于野生型小鼠，且GDF15可有效抑制飲食或遺傳誘導的肥胖。GDF15轉基因小鼠的棕色脂肪內(nèi)脂解基因的表達升高，提示棕色脂肪組織的脂肪分解水平更高。研究者檢測與產(chǎn)熱和氧化代謝相關的基因表達，發(fā)現(xiàn)在GDF15轉基因小鼠體內(nèi)這些產(chǎn)熱基因的表達均升高。這些結果支持GDF15可增加棕色脂肪的產(chǎn)熱和脂肪分解作用，為其抵抗遺傳或飲食誘導的肥胖提供了解釋。

隨后的動物實驗發(fā)現(xiàn)，GDF15可增加高脂喂養(yǎng)小鼠的能量消耗。為進一步明確能量消耗和產(chǎn)熱之間的關系，Tsai等[14]對GDF15與UCP1之間的相關性進行了研究，結果顯示GDF15水平增高對棕色脂肪中UCP1的表達無影響。這一發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)上對棕色脂肪功能的認識存在差異。研究者認為，棕色脂肪中未見到GDF15誘導UCP1升高的原因可能是，在本實驗中小鼠被置于22～23℃的環(huán)境，基礎體溫在30℃左右，如果僅受到輕度冷刺激，則不會明顯誘導棕色脂肪組織產(chǎn)熱和UCP1的表達[15]。

Campderrós等[16]在后續(xù)研究中改善了Tasi等[14]實驗的不足，首先將2組小鼠分別置于4℃和30℃的環(huán)境中24 h，觀測到置于4℃環(huán)境的小鼠棕色脂肪組織中GDF15蛋白水平上升，但循環(huán)中GDF15水平并未提高。肝臟為GDF15主要表達及釋放的部位，考慮GDF15在肝臟中的表達可能同樣受到冷刺激的影響。在冷刺激下，GDF15在肝臟中表達下調(diào)可能減少其釋放。各部位GDF15的不同表達水平共同影響其在血清中的總水平，可能是血清GDF15水平并未變化的原因。根據(jù)既往的研究，成纖維細胞生長因子21（fibroblast growth factor 21,FGF21）是由去甲腎上腺素能介導的棕色脂肪細胞分泌因子[17]，本研究發(fā)現(xiàn)，用FGF21處理棕色脂肪細胞可上調(diào)細胞中GDF15的轉錄水平，并增加細胞培養(yǎng)基中GDF15的濃度。相反，若敲除棕色脂肪中的FGF21，則GDF15的表達和分泌也會消失。從而證明，F(xiàn)GF21在棕色脂肪組織中對GDF15的釋放和表達起著不可或缺的作用。

然而Flicker等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，將小鼠置于低溫環(huán)境中6 h后，循環(huán)中FGF21和GDF15水平分別增加了5倍和2倍，而不是僅限于脂肪組織局部GDF15的升高。這一結果與上述研究存在差異，其原因值得進一步探究。

三、GDF15與白色脂肪棕色化

白色脂肪組織在特定的條件下可向棕色脂肪組織轉化，從而增加產(chǎn)熱，提高代謝活性，這一轉化的過程稱為白色脂肪棕色化[19]，由此顯著改善脂肪組織能量儲備過多[20]。

GDF15的缺失會抑制白色脂肪的棕色化轉變過程。Ost等[21]在2020年的研究中發(fā)現(xiàn)，敲除GDF15基因后，小鼠體內(nèi)的白色脂肪組織棕色化完全停止?？赡苁怯捎贕DF15基因的消融，抑制了對胰島素敏感性的改善和對飲食誘導肥胖的抵抗，導致脂肪組織增多。根據(jù)以往的研究[22]，脂肪組織的增加會導致特定酶（N-酰基磷脂酰乙醇胺磷脂酶D）的缺失，從而進一步抑制白色脂肪棕色化的發(fā)生。目前，關于GDF15對白色脂肪棕色化的直接影響尚缺乏研究。

四、GDF15與棕色脂肪組織分化

目前市場上流通著大量減重類藥物，但大多數(shù)存在弊端，甚至是基因毒性。減重手術術后需長期服用阿片類藥物，自殺風險顯著提高[23]。Lee等[24]最早發(fā)現(xiàn)冷刺激可以提高棕色脂肪量，從而增加胰島素敏感性。并認為移植棕色脂肪組織可有效改善因糖、脂代謝紊亂所致的肥胖。

在人體中，未成熟的多功能干細胞需要10 d才能分化為成熟的棕色脂肪細胞，而生肌因子陽性的成肌細胞階段對應于分化系統(tǒng)中的第6天。Oka等[25]發(fā)現(xiàn)，GDF15和白介素-6（interleukin-6,IL-6）之間存在動態(tài)的基因誘導系統(tǒng)，即IL-6在棕色脂肪分化的早期誘導GDF15的表達，GDF15和IL-6在后期相互誘導彼此的表達。當進行棕色脂肪組織移植后，GDF15對棕色脂肪發(fā)育的影響并不顯著，但與棕色脂肪移植后的長期生存密切相關。IL-6可能通過信號轉導與轉錄激活因子3通路的激活直接誘導GDF15基因的表達，而GDF15則間接地誘導IL-6基因。要闡明IL-6和GDF15之間相互誘導的分子機制，仍需進一步研究加以明確。

GDF15及其受體在調(diào)控人體能量代謝方面的作用已逐漸顯現(xiàn)。研究者們已經(jīng)驗證了GDF15的諸多功能，GDF15釋放后，與脂肪組織上的靶受體GFRAL和RET形成復合物，激活脂肪分解過程。另一方面，GDF15可有效增加UCP1的轉錄與表達，促進脂肪組織的產(chǎn)熱水平。此外，GDF15尚具有促進白色脂肪棕色化的功效。提示GDF15在減少脂肪組織、降低體重方面具有積極的意義，有望成為新型的減重制劑。

但目前仍有許多困惑需要進一步研究，更加關注GDF15及其信號通路相關分子的特異表達，聚焦GDF15的旁分泌效應，并開展設計精良、方法適宜的大樣本試驗，以闡釋現(xiàn)有一些研究結果不一致性的原因和機制。