FGF10 基因的生理功能及其在畜牧生產(chǎn)中的應用研究進展

牛韶華，李鳳娥，吳俊靜，彭先文，梅書棋，喬 木*

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所，動物胚胎工程及分子育種湖北省重點實驗室，湖北武漢 430064；2.華中農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，湖北武漢 430070）

成纖維細胞生長因子10（Fibroblasts Growth Factor10，）基因是成纖維細胞生長因子家族成員之一，能夠與其受體結(jié)合調(diào)節(jié)多種生物學過程。隨著基因組學、分子生物學等學科的發(fā)展，國內(nèi)外對的結(jié)構(gòu)功能及其調(diào)控機制等方面進行了大量研究，主要圍繞在幾種細胞類型中激活的關鍵細胞內(nèi)信號通路展開，該基因在細胞中調(diào)控多種細胞反應包括細胞增殖、分化、凋亡、遷移等，并且參與機體的傷口愈合和組織修復。近期研究發(fā)現(xiàn)，可能與動物的肉品質(zhì)性狀、繁殖能力相關。因此，研究對提高畜牧業(yè)生產(chǎn)效益和產(chǎn)品品質(zhì)有重要意義。本文主要綜述了基因結(jié)構(gòu)、生理功能及其在畜牧等方面的研究現(xiàn)狀，以期為研究其基因功能奠定基礎，并為其在畜牧生產(chǎn)上應用提供理論依據(jù)。

1 FGF 家族基因

成纖維細胞生長因子（Fibroblast Growth Factor，F(xiàn)GF）是一類結(jié)構(gòu)相關的多肽家族，具有多種生物活性，參與調(diào)節(jié)多種發(fā)育、代謝、腫瘤和神經(jīng)過程以及相關疾病，在成長期和成年個體的組織中廣泛表達。在20 世紀30 年代首次在大腦組織的提取物中發(fā)現(xiàn)FGF，到70 年代被分離出來，根據(jù)它的作用將其命名為FGF。這是一組在進化中高度保守的蛋白質(zhì)組，通過受體酪氨酸激酶觸發(fā)信號傳導。FGF 信號通路在機體各個部位發(fā)育過程中起著關鍵的作用。

目前，已經(jīng)在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了22 個FGF 家族成員（），其中是人類的小鼠同源物，故認為和是同一個基因。這些家族成員可以與4 個成纖維細胞生長因子受體（Fibroblast Growth Factor Receptor，F(xiàn)GFR）結(jié) 合，即FGFR1～FGFR4，其與受體的相互作用受細胞外環(huán)境的調(diào)控。根據(jù)發(fā)揮功能的分子機制不同，F(xiàn)GF 家族成員可以分為旁分泌、內(nèi)分泌和胞分泌的FGF。這22個家族成員分為7 個亞家族（），并根據(jù)序列相似性、生化功能和進化關系進行了分類，和被稱為標準FGF，它們通過旁分泌或者自分泌的方式發(fā)揮作用，并結(jié)合FGFRs（FGFR1～FGFR4），肝素或硫酸肝素作為輔助因子。成纖維細胞生長因子受體（FGF/FGFR）信號系統(tǒng)調(diào)節(jié)胚胎發(fā)生、血管生成、傷口修復、組織穩(wěn)態(tài)和癌癥等多種生物學過程。

2 FGF10 基因的表達與定位

是成纖維生長因子家族的一員，是由84～246 個氨基酸組成的堿性蛋白。1996 年，Yamasaki等首次從鼠的胚胎細胞中發(fā)現(xiàn)了基因。研究發(fā)現(xiàn)，基因可以通過激活FGFR1 和FGFR2 來調(diào)控細胞增殖與分化。和同屬于FGF7 亞家族，它們均能夠與FGFR1 和FGFR2 的IIIb剪接變體特異性結(jié)合。在胚胎的上皮細胞、間質(zhì)細胞以及成纖維細胞中表達，在成年個體中主要在肝、肺、腸等器官中表達，屬于典型的細胞外區(qū)域蛋白，通過旁分泌的形式與HS（硫酸乙酰肝素）結(jié)合來激活FGFR1 和FGFR2，參與調(diào)控動物肺臟和四肢的發(fā)育過程，進而調(diào)節(jié)各種生物學反應。是特異性表達于白色脂肪的唯一FGF，可以調(diào)節(jié)脂肪細胞的發(fā)育和代謝，刺激前脂肪細胞的增生，從而促進脂肪的生成。

3 FGF10 基因的生理功能

最初是通過基于同源性的聚合酶鏈反應從大鼠胚胎中鑒定出來的。敲除的小鼠在出生前是可以存活的，但部分器官發(fā)育開始后出現(xiàn)組織廣泛凋亡最終表現(xiàn)出發(fā)育異常，如白色脂肪組織、四肢、肺、垂體和唾液腺等，這表明在這些器官發(fā)育過程中發(fā)揮關鍵作用。另有研究表明，與FGFR2b 的親和力遠高于FGFR1b，敲除FGFR2b 小鼠的表型與基因敲除的小鼠極其相似（表1）。

表1 敲除FGF10 小鼠和敲除FGF2b 小鼠表型

3.1 FGF10 參與肺的發(fā)育對肺的發(fā)育至關重要，在間質(zhì)表達的信號通過FGFR2b 傳遞到上皮細胞，從而啟動和促進肺芽生長。采用熒光原位雜交評估在人肺中的空間分布，發(fā)現(xiàn)在整個肺實質(zhì)中均表達，表明信號通路在人類肺部發(fā)育的過程中起著重要作用。Karolak 等研究發(fā)現(xiàn)，在肺泡發(fā)育不良的個體中存在罕見的突變，并且突變或者單核苷酸多態(tài)性（SNP）與假性腺發(fā)育階段后的肺泡發(fā)育不良有關，在這種情況下過量的會導致嚴重的發(fā)育不全?；驈V泛參與肺損傷性修復過程，能夠抑制炎癥反應，重建損傷的上皮結(jié)構(gòu)，但其在肺損傷性修復過程中的機制仍未完全闡明。

3.2 FGF10 與脂肪生成是一種脂肪因子，參與脂肪形成的調(diào)節(jié)。多項研究報道，在重度肥胖的皮下脂肪、內(nèi)臟脂肪和腹部脂肪中高表達。通過Ras/MAKP 途徑促進前脂肪細胞的增殖和分化，對前脂肪細胞的增殖和分化至關重要。Matsubara 等研究表明，調(diào)節(jié)許多Krüppel 樣因子（KLFs）的表達，并且與它們存在協(xié)同或拮抗的相互作用。Xu 等證明，在山羊前脂肪細胞成脂分化中起著重要的調(diào)節(jié)作用，是一個正向的調(diào)節(jié)因子，敲除會抑制肌內(nèi)前脂肪細胞的生成，而的過表達則會促進前脂肪細胞的分化。Konishi 等研究發(fā)現(xiàn)，肌內(nèi)脂肪細胞分化2 d 后，的表達量顯著升高，而在敲除的小鼠中，白色脂肪組織中細胞周期蛋白D2 的表達顯著下降，表明在白色細胞周期蛋白D2 的表達中是必需的，調(diào)節(jié)脂肪形成。Matsubara 等發(fā)現(xiàn)，在雞前脂肪細胞分化早期，mRNA 水平迅速下降。這種差異可能是由于物種或者脂肪組織類型不同。

在白色脂肪組織中大量表達，尤其在前脂肪細胞中表達。前脂肪細胞分化為成熟細胞的過程被稱為脂肪生成，在脂肪的生成過程中需要和PPAR，而在基因敲除小鼠胚胎的白色脂肪組織中PPAR的表達量顯著降低。pRb 直接與結(jié)合并且刺激的活性，而能夠通過激活FGFR2b 和Ras/MAPK 途徑誘導pRb 的產(chǎn)生，pRb 又與結(jié)合，從而誘導PPAR的表達，最終刺激脂肪的生成。此外，信號是啟動3T3-L1 細胞分化的重要信號，阻斷信號可抑制信號啟動，從而影響3T3-L1 細胞分化。

miR-327 是前脂肪細胞分化為米黃色脂肪細胞的關鍵調(diào)控因子，它可以特異性阻斷/FGFR2b 和下游的AKT 信號通路，使得前脂肪細胞的分化受損，這也間接表明可能通過FGFR2-AKT 軸來促進脂肪細胞的分化。

脂蛋白脂肪酶（）主要表達于儲存大量脂肪酸的組織，如白色脂肪組織和褐色脂肪組織，是脂肪細胞分化的重要早期標記物。有研究表明，肌內(nèi)脂肪細胞中過表達可以增強脂蛋白脂肪酶等轉(zhuǎn)錄因子的表達，而通過RNA 干擾抑制的表達水平可以抑制脂蛋白脂肪酶的表達，影響脂蛋白脂肪酶誘導的脂質(zhì)積累。以上研究均表明，可能在調(diào)節(jié)脂肪細胞代謝中發(fā)揮作用，但是直接作用于脂蛋白脂肪酶還是通過PPAR在脂肪細胞代謝中發(fā)揮作用尚不清楚，需要更深入地研究在脂肪細胞代謝中的作用。

4 FGF10 基因在畜牧生產(chǎn)及其他領域中的作用

4.1基因在動物胚胎發(fā)育中的作用 在牛的卵泡膜細胞、黃體細胞和卵母細胞中檢測到有表達，的2 個主要受體FGFR1 和FGFR2 在存在于卵母細胞和顆粒細胞中，在卵母細胞成熟過程中起重要作用。關于在早熟和成熟的母牛卵母細胞體外發(fā)育作用的研究中發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)過程中阻斷內(nèi)源性作用會降低隨后的胚胎發(fā)育，并且影響胚胎質(zhì)量相關基因的表達，且能夠提高牦牛卵母細胞的成熟率，增加囊胚中的總細胞數(shù)，提高妊娠相關蛋白水平，并改善后期囊胚的質(zhì)量。相關研究也表明，可以增加牛卵丘細胞相關基因的表達。另有研究發(fā)現(xiàn)，可以增加冷凍精子的活力，還可以增強牦牛受精過程中精卵的相互作用以及提高DNA的甲基化水平，提高牦牛卵母細胞體外受精的能力。在一些哺乳動物卵巢中，是向發(fā)育中顆粒細胞發(fā)出旁分泌信號的候選基因，并且mRNA 水平和原始卵泡數(shù)量的增加在時間上正相關。Pan 等研究也發(fā)現(xiàn)，對受精能力的提升和囊胚質(zhì)量的改善有重要影響。Son 等研究結(jié)果表明，可顯著促進豬卵丘-卵母細胞復合物的體外成熟，促進卵丘細胞擴張、卵母細胞成熟和隨后的胚胎發(fā)育。

4.2在動物脂肪生成中的作用 在肌內(nèi)脂肪沉積方面，過表達和干擾基因可分別上調(diào)或下調(diào)、等分化標志基因的表達，但基因是否參與調(diào)控成肌細胞分化還不清楚。王雨雪等研究發(fā)現(xiàn)，基因在山羊成肌細胞分化過程中有先上升后下降的趨勢；通過形態(tài)學觀察發(fā)現(xiàn)，過表達基因可以抑制肌管的形成，而干擾基因能夠促進成肌細胞的肌管形成，因此推測基因可能是成肌細胞分化的負調(diào)控因子。許晴等研究發(fā)現(xiàn)，過表達的基因能促進山羊皮下前體脂肪細胞分化，并且能夠上調(diào)、和的表達水平，下調(diào)的表達水平。楊洋在實驗中構(gòu)建了從江香豬基因的過表達載體；徐敏等研究表明，上調(diào)基因后，與脂肪分化相關的基因的表達量均有所增加。以上研究結(jié)果表明，基因?qū)ωi脂肪的分化具有促進作用，可為深入研究基因?qū)χ境练e的調(diào)控機理提供參考 。

4.3基因的其他作用可調(diào)節(jié)大量發(fā)育過程，包括大腦模式、肢體發(fā)育和分支形態(tài)的發(fā)生，的一些細胞保護和血管生成治療應用已經(jīng)在研究中。有研究表明，可能通過促進上皮細胞增殖在前列腺癌的發(fā)病機制中發(fā)揮作用。Wang 等在對角膜內(nèi)皮創(chuàng)面愈合的影響研究中發(fā)現(xiàn)，能夠促進角膜透明度的恢復，降低促炎因子白細胞介素1（IL-1）和腫瘤壞死因子-（TNF-）的表達，也可以通過與其結(jié)合受體直接相互作用而增強線粒體的功能，因此有望成為一種治療角膜內(nèi)皮功能障礙的新型藥物制劑，此外可以通過抑制磷脂酰肌醇-3 激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）通路和防止過度氧化應激來促進神經(jīng)再生和功能修復，還可以抑制HMGB1-TLR4 通路在肺泡上皮細胞中發(fā)揮抗炎作用。

在畜牧生產(chǎn)中，對該基因的研究主要集中在胚胎發(fā)育，在脂肪細胞分化和代謝中的作用近幾年才受到關注。廣泛表達于白色脂肪組織?，F(xiàn)有研究表明，在肌內(nèi)脂肪細胞成脂過程中發(fā)揮作用，但相關調(diào)控機制有待進一步闡明。作為一種生長因子，能夠有效促進機體的生長發(fā)育，調(diào)控生長發(fā)育的各個階段，然而相關調(diào)控機制的研究仍存在很多未知。

5 小結(jié)與展望

在動物機體中具有重要的生理功能，它能影響肺的發(fā)育、脂肪的生成，提高經(jīng)濟動物的繁殖性狀和肉品質(zhì)性狀，有必要深入研究基因的生理功能及其作用的分子機制。目前，在畜禽肉品質(zhì)性狀上的研究尚且不深入，基因可能是影響畜禽肉品質(zhì)性狀的候選基因，這為尋找潛在的遺傳標記并進行畜禽選育提供了理論基礎。此外，深入研究多種生理功能的作用機制也可以為治療人類相關疾病提供新思路，為肥胖及相關代謝障礙的治療提供新的見解。