生長分化因子15與肥胖

郭 瑞,張啟春

(南京中醫(yī)藥大學(xué) 1.醫(yī)學(xué)院·整合醫(yī)學(xué)學(xué)院生理學(xué)系、2.藥學(xué)院藥理學(xué)系，江蘇 南京 210023)

近幾十年來，肥胖逐漸成為一個緊迫的全球性公共衛(wèi)生問題。最新的流行病學(xué)調(diào)查顯示，中國學(xué)齡兒童和青少年超重和肥胖的比例為19.4%，而成年人的比例則超過50%[1]。預(yù)計到2030年，這一比例將分別增加到31.8%和65.3%[2]。超重或肥胖既影響心理和精神狀態(tài)，又是多種常見慢性病(如心血管疾病、2型糖尿病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和部分腫瘤)的重要危險因素。每年有11.1%的慢性病死者歸因于超重或肥胖相關(guān)的疾病[1]，這使得預(yù)防、控制超重和肥胖成為一項迫切的社會需求。然而，現(xiàn)有的肥胖治療藥物的效果并不令人滿意，迫切需要找到新的靶點，開發(fā)更加有效的藥物。

在肥胖的調(diào)控因素研究中，生長分化因子15(growth differentiation factor 15，GDF15)正成為關(guān)注的熱點。GDF15是轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族的成員。大量臨床及動物實驗表明，肥胖使血漿GDF15濃度升高，同時也發(fā)現(xiàn)，GDF15對攝食、體質(zhì)量及能量代謝有顯著調(diào)節(jié)作用。

1 GDF15的發(fā)現(xiàn)

1997年，Bootcov等[3]用維A酸誘導(dǎo)U-937細(xì)胞分化，通過比對佛波酯處理或未處理細(xì)胞的基因表達(dá)差異，鑒定出一個與細(xì)胞活化相關(guān)的基因。該基因編碼一種分泌蛋白，因其可抑制LPS刺激的巨噬細(xì)胞分泌腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)，故命名為巨噬細(xì)胞抑制因子1(macrophage inhibitory cytokine 1)。同一年，Lu、Soares和Kato的實驗室亦自胎盤中分離出該基因，分別命名為胎盤骨形態(tài)發(fā)生蛋白(placental bone morphogenetic protein)和胎盤轉(zhuǎn)化生長因子-β(placental transforming growth factor beta)。此后，其他研究者又在不同實驗條件或組織中鑒定出相同基因，將其命名為前列腺源性因子(prostate-derived factor)、GDF15[4]和非甾體抗炎藥活化基因(nonsteroidal anti-inflammatory drug-activated gene)。GDF15是目前使用最廣泛的名稱。

2 GDF15的基因和蛋白結(jié)構(gòu)及組織表達(dá)

2.1 GDF15的基因和蛋白結(jié)構(gòu)人GDF15的編碼基因位于第19對染色體短臂p13.11，包含2個長度分別為309 bp和891 bp的外顯子，兩者被一個1 819 bp的內(nèi)含子隔開(Fig 1)。

Fig 1 Schematic of human GDF15 gene, mRNA and protein

人GDF15基因編碼一種含308個氨基酸的前體蛋白，由3部分構(gòu)成：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GDF15片段，后者的編碼序列完全位于外顯子2上(Fig 1)。小鼠和大鼠的GDF15前體蛋白含有303個氨基酸，包括32個氨基酸的信號肽，156個氨基酸的前肽和115個氨基酸的成熟GDF15片段[4]。大鼠和小鼠的成熟GDF15片段僅有4個氨基酸不同，相似度高達(dá)96.5%(Fig 2)。

Fig 2 Amino acid sequences of human, mice, and rat prepropeptide of GDF15

GDF15的氨基酸序列具有TGF-β家族的若干共同特征：1)前肽與成熟片段之間有保守的類弗林蛋白酶切位點：RXXR(Fig 2)；2)具有半胱氨酸結(jié)(cysteine knot)結(jié)構(gòu)。成熟GDF15片段含有9個半胱氨酸，除第6個半胱氨酸外，其余8個半胱氨酸兩兩之間形成二硫鍵(Fig 3)。兩個成熟片段的第6個半胱氨酸(成熟片段第77個氨基酸)之間形成二硫鍵，連接成二聚體(Fig 1)。因此，GDF15被歸為TGF-β超家族的一員。但是，通過分析成熟GDF15的氨基酸序列，并與TGF-β家族的其它成員比較后發(fā)現(xiàn)，GDF15僅C末端與其它家族成員有相似性，而N末端差異較大，這表明GDF15與TGF-β家族成員的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

在不同組織，GDF15的成熟過程依賴不同的蛋白水解酶。Li等[5]報道，在人胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞，基質(zhì)金屬蛋白酶-26(matrix metalloproteinase-26)與GDF15前體蛋白結(jié)合，切下前肽，促進(jìn)成熟GDF15的產(chǎn)生。而在心肌細(xì)胞，3個前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草溶菌素(proprotein convertase, subtilisin/kexin-type，PCSK)家族成員(PCSK3、PCSK5和PCSK6)負(fù)責(zé)切下前肽，促進(jìn)GDF15成熟及分泌[6]。

2.2 GDF15在組織的表達(dá)GDF15在全身多種組織有程度不等的表達(dá)。B?ttner等[4]用RT-PCR方法對成年小鼠組織GDF15的表達(dá)量進(jìn)行半定量分析，發(fā)現(xiàn)腎臟、肺、肝臟和脾臟的表達(dá)量最高，而心臟、胃腸道、骨骼肌、胸腺和垂體的表達(dá)量次之，大腦各區(qū)域的表達(dá)量最低。采用原位雜交對大鼠腦組織GDF15的表達(dá)定位分析顯示，GDF15主要表達(dá)在腦室脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞，而神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞未見表達(dá)[7]。在外周組織，前列腺和小腸粘膜上皮細(xì)胞均有較強表達(dá)，其中腸絨毛上皮細(xì)胞的表達(dá)量強于隱窩上皮細(xì)胞，腸壁的其它組織未見表達(dá)。大多數(shù)支氣管和小支氣管上皮細(xì)胞都表達(dá)GDF15。下頜下腺和乳腺的分泌細(xì)胞有較強表達(dá)，而小葉間導(dǎo)管及結(jié)締組織不表達(dá)GDF15。在腎臟，表達(dá)GDF15的細(xì)胞主要是近端小管S3段，集合管表達(dá)較少。腎上腺皮質(zhì)廣泛表達(dá)，而髓質(zhì)表達(dá)稀少。值得注意的是，腎上腺內(nèi)表達(dá)GDF15的細(xì)胞不是產(chǎn)生甾體激素或兒茶酚胺激素的內(nèi)分泌細(xì)胞，而是組織內(nèi)的巨噬細(xì)胞[7]。

Hromas等[8]采用Northern blot檢測成年人體組織GDF15的表達(dá)情況，結(jié)果顯示胎盤高表達(dá)GDF15，心臟、大腦、胰腺、肺和肝臟有程度不等的表達(dá)，但均顯著低于胎盤，骨骼肌則完全不表達(dá)。Paralkar等[9]用免疫組化方法證實胎盤絨毛上皮細(xì)胞和前列腺上皮細(xì)胞有較強表達(dá)。這些結(jié)果表明，在生理狀態(tài)下，GDF15雖有廣泛表達(dá)，但主要集中在胎盤和前列腺。

3 GDF15與疾病

3.1 GDF15與肥胖

3.1.1肥胖增加血漿GDF15 Patel等[10]發(fā)現(xiàn)，進(jìn)食本身并不影響血漿GDF15濃度，這表明GDF15并非一種飽覺激素，不參與進(jìn)食后飽腹感的產(chǎn)生。健康志愿者連續(xù)7 d或8周攝入過剩能量，志愿者的體質(zhì)量和血漿瘦素濃度都顯著增加，但血漿GDF15濃度未見升高。以高脂飲食喂養(yǎng)小鼠7 d同樣不影響血漿GDF15水平，繼續(xù)喂養(yǎng)3周后，血漿GDF15水平開始升高并持續(xù)增加至實驗結(jié)束(高脂喂養(yǎng)16周)[10]。臨床研究也發(fā)現(xiàn)，肥胖者的血漿GDF15濃度顯著高于正常體質(zhì)量者[11]。這些結(jié)果表明，長期能量過剩在增加體質(zhì)量的同時升高血漿GDF15，提示它可能參與機體能量代謝和體質(zhì)量調(diào)節(jié)。

肥胖狀態(tài)下升高的血漿GDF15可能來自多種組織。Xiong等[12]發(fā)現(xiàn)ob/ob小鼠的肝臟和脂肪組織GDF15表達(dá)升高。飲食誘導(dǎo)肥胖(diet-induced obesity，DIO)小鼠的附睪脂肪、棕色脂肪和肝臟GDF15的mRNA水平顯著高于普通飼料組，而皮下脂肪、腎臟和骨骼肌無差異。在附睪脂肪，GDF15的表達(dá)升高伴有巨噬細(xì)胞標(biāo)志物F4/80的同步增加，這提示脂肪組織內(nèi)的巨噬細(xì)胞可能是GDF15的重要來源。進(jìn)一步分離間質(zhì)血管成分(stromal vascular fraction，SVF)和脂肪細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)兩者GDF15表達(dá)都顯著升高[10]。Kim等[13]最近的報道與上述結(jié)果一致。他們發(fā)現(xiàn)高脂飲食使脂肪細(xì)胞和SVF的GDF15表達(dá)都增加，其中SVF的GDF15主要來自巨噬細(xì)胞。這些結(jié)果表明，在肥胖小鼠，脂肪細(xì)胞和脂肪組織浸潤的巨噬細(xì)胞都是GDF15的重要來源。肥胖狀態(tài)下，肝臟的GDF15表達(dá)也升高，不過尚不清楚確切的細(xì)胞來源。關(guān)于肥胖狀態(tài)下人體組織GDF15表達(dá)情況，Dostálová等[11]報道肥胖者和2型糖尿病患者的血漿GDF15濃度顯著高于正常體質(zhì)量者，但她們的皮下和內(nèi)臟脂肪的GDF15表達(dá)并無差異，這提示肥胖者和2型糖尿病患者血漿中升高的GDF15來自脂肪以外的組織。

3.1.2GDF15降低體質(zhì)量、改善代謝 2006年，Eling實驗室在研究GDF15對結(jié)腸腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響過程中意外發(fā)現(xiàn)，GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠的體質(zhì)量顯著低于野生型小鼠，體脂比例降低。此后，大量研究者采用各種增加血漿GDF15的方法都顯著降低實驗動物的體質(zhì)量，包括移植轉(zhuǎn)染GDF15的腫瘤細(xì)胞[14]、病毒表達(dá)[12]和注射重組GDF15(recombinant GDF15，rGDF15)[12]。所用實驗動物包括小鼠[14]、大鼠[15]和食蟹猴[16]。這些結(jié)果表明，GDF15降低體質(zhì)量的效應(yīng)不受給藥方式和動物種屬限制。

無論動物喂以普通飼料還是高脂飼料，注射rGDF15都可降低體質(zhì)量。Tsai等[17]發(fā)現(xiàn)，用微量泵持續(xù)給小鼠注射rGDF15，高脂飼料組的體質(zhì)量較注射前降低了21.1%，而普通飲食組只降低了9.98%，這表明GDF15對肥胖動物有更好的減重效果。值得注意的是，GDF15主要減少白色脂肪(包括附睪、腹膜后和腹股溝脂肪)，而對肌肉影響不大。

除減輕體質(zhì)量外，GDF15還能夠改善肥胖導(dǎo)致的胰島素敏感性降低和葡萄糖耐量異常。在DIO小鼠和食蟹猴模型中，Xiong等[12]發(fā)現(xiàn)，注射rGDF15降低血漿甘油三酯、膽固醇和胰島素濃度，改善糖耐量異常。Wang等[17]也發(fā)現(xiàn)GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠的胰島素敏感性提高，同時伴有白色脂肪內(nèi)浸潤的巨噬細(xì)胞減少，多種炎癥因子(IL-18、IL-1β和TNF-α)表達(dá)減少以及NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3)炎癥小體活性減弱。此外，rGDF15還減少了DIO小鼠肝臟內(nèi)的甘油三酯含量和浸潤的炎性細(xì)胞。

3.1.3GDF15降低體質(zhì)量的機制 GDF15降低體質(zhì)量、改善代謝的作用已經(jīng)得到大量實驗的證實，然而背后的機制尚未完全明了。目前已有的研究指向兩個主要方向：1)減少攝食；2)代謝增強和(或)脂肪分解增強。

3.1.3.1GDF15減少攝食 GDF15可快速抑制攝食。單次注射rGDF15，小鼠在6 h和24 h內(nèi)的攝食量顯著降低，攝食量的降低是由于每次進(jìn)食的量減少，而非進(jìn)食次數(shù)[16]。在隨后的24 h攝食量恢復(fù)到對照組水平，這可能是由于給藥24 h后血漿中已檢測不到rGDF15[18]。若使血漿GDF15水平長期維持較高水平，則GDF15可持久地抑制攝食[16]。人為地限制對照組的攝食量，使其與GDF15組相當(dāng)，則對照組的體質(zhì)量也降低到與GDF15組相近的程度[16]，這提示GDF15降低體質(zhì)量的主要原因是攝食減少。

截至目前，大部分研究都發(fā)現(xiàn)GDF15顯著減少攝食，但也有一些研究得到了不同的結(jié)果。GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠每天的攝食量與野生型小鼠相似，甚至略高[19]。在另一項研究中，F(xiàn)ung等給小鼠注射一種長效GDF15(Fc-GDF15，將抗體Fc段與GDF15融合的重組GDF15，可顯著延長GDF15的半衰期)，發(fā)現(xiàn)Fc-GDF15只降低了d 1的攝食量。上述研究均采用攝食量/體質(zhì)量來表示攝食量的變化，而其它研究使用攝食絕對量。Ellacott等[20]認(rèn)為，在比較攝食量時，采用絕對量更為恰當(dāng)。

GDF15還能延遲胃排空。Xiong等[12]給小鼠注射rGDF15，30 min后以酚紅灌胃，之后在不同時間點觀察胃內(nèi)酚紅剩余量。結(jié)果顯示，5、15和30 min時間點的胃排空均顯著減少。切斷迷走神經(jīng)后，GDF15抑制胃排空的效應(yīng)消失，這表明GDF15并非直接作用于胃腸道，而是通過迷走神經(jīng)抑制胃排空。不過，抑制胃排空并非GDF15抑制攝食、降低體質(zhì)量所必須[18]。

Xiong等[12]發(fā)現(xiàn)GDF15影響動物對某種食物的偏好。他們將含有煉乳的飼料和普通飼料按1 ∶1放入飼養(yǎng)籠中，小鼠攝入的食物約有80%為含煉乳的飼料。給小鼠注射GDF15可降低攝食總量，并且含煉乳飼料的比例降低到55%。若籠中僅有含煉乳的飼料或普通飼料，GDF15使兩種飼料的攝取量都減少。GDF15對飲水偏好也產(chǎn)生類似影響。通常，禁水過夜后重新給予飲水，小鼠更加偏好含糖精的飲水。Patel等[10]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過2次GDF15+糖精飲水預(yù)處理后再給予禁水過夜，小鼠幾乎不再攝入含糖精的飲水而只攝入普通飲水。這些結(jié)果提示，GDF15使小鼠產(chǎn)生了條件性味覺厭惡。條件性味覺厭惡是動物或人類將某種食物的味道與內(nèi)臟不適關(guān)聯(lián)起來，從而減少或避免繼續(xù)攝入該食物。最近，Borner等[18]對GDF15導(dǎo)致的條件性味覺厭惡進(jìn)行了深入研究，他們發(fā)現(xiàn)皮下或側(cè)腦室注射GDF15使大鼠攝食量減少，黏土攝入量增加(一種內(nèi)臟不適的指征)，體質(zhì)量減輕。先給予特定食物后注射GDF15，此后幾天大鼠不再攝入該食物，且在強制喂以該食物時表現(xiàn)出厭惡表情和行為。這些結(jié)果提示，當(dāng)血漿GDF15濃度升高時，動物產(chǎn)生內(nèi)臟不適感，它們將食物的味道與這種不適感關(guān)聯(lián)起來，對該食物產(chǎn)生排斥和厭惡，從而導(dǎo)致攝食減少。

3.1.3.2GDF15增加能量消耗和(或)脂肪分解 除攝食減少外，能量消耗增加可能是GDF15降低體質(zhì)量的另一原因。Chrysovergis等[19]發(fā)現(xiàn)，GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠在白天和夜間的O2消耗量、CO2產(chǎn)量和能量消耗都顯著高于野生型小鼠。然而，Macia等[21]同樣采用GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠卻未發(fā)現(xiàn)能量消耗有所差異。注射rGDF15也得到不一致的結(jié)果。Johnen等[14]在黑夜開始前給小鼠注射rGDF15，發(fā)現(xiàn)小鼠在夜間的能量消耗、耗氧量、活動和呼吸交換率(respiratory exchange ratio，RER)都顯著降低，而在白天無顯著差異。Yang等[15]觀察到rGDF15使小鼠夜間和白天的RER都降低，但不影響活動和能量消耗，而Hsu等[22]的結(jié)果顯示rGDF15只降低小鼠白天的RER值。出現(xiàn)這些差異的原因并不清楚，可能與所用的實驗動物品系或GDF15注射時間等因素有關(guān)。

最近，Kim等[13]發(fā)現(xiàn)肥胖患者和DIO小鼠脂肪組織浸潤的巨噬細(xì)胞高表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB，TFEB)。為了探究TFEB在肥胖發(fā)生、發(fā)展過程中的作用，他們在小鼠的巨噬細(xì)胞特異性高表達(dá)TFEB并喂以高脂飲食(以下簡稱TFEB小鼠)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TFEB小鼠體質(zhì)量顯著低于野生型小鼠，胰島素敏感性得到改善。他們發(fā)現(xiàn)TFEB小鼠的血漿GDF15濃度高于野生型小鼠，敲除GDF15可完全逆轉(zhuǎn)高表達(dá)TFEB的上述效應(yīng)。有趣的是，TFEB小鼠的攝食量并未出現(xiàn)減少，但其夜間產(chǎn)熱增加，體溫升高，這提示GDF15可能主要通過增加產(chǎn)熱來對抗高脂飲食導(dǎo)致的體質(zhì)量增加。同時，他們還發(fā)現(xiàn)TFEB小鼠脂肪組織(棕色和白色)內(nèi)的與脂肪分解和產(chǎn)熱有關(guān)的基因以及肝臟中與脂肪酸β氧化相關(guān)基因表達(dá)均升高，這些效應(yīng)也都依賴GDF15。他們的研究結(jié)果與之前的研究相符，即GDF15降低體質(zhì)量主要是減少脂肪，很少或不影響肌肉質(zhì)量。

在高脂飲食喂養(yǎng)的TFEB小鼠，白色脂肪和棕色脂肪都顯著減少，脂肪細(xì)胞的體積減小，這與這些組織內(nèi)的脂肪甘油三脂脂肪酶(adipose triglyceride lipase，ATGL)和激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive lipase，HSL)表達(dá)增加有關(guān)。當(dāng)敲除GDF15后，上述效應(yīng)被逆轉(zhuǎn)，表明GDF15可促進(jìn)ATGL和HSL表達(dá)[13]。這一結(jié)果與Suriben等[23]報道的結(jié)果一致：注射rGDF15 6 h后，白色脂肪組織ATGL和HSL的mRNA顯著增加，而敲除ATGL后，GDF15降低體質(zhì)量、減少脂肪的效應(yīng)大大減弱，證實ATGL介導(dǎo)的脂肪分解在其中發(fā)揮重要作用。

有研究表明，寒冷刺激激活支配脂肪組織的交感神經(jīng)，后者釋放的兒茶酚胺與脂肪細(xì)胞的腎上腺素能受體結(jié)合，誘導(dǎo)白色脂肪褐變，增加產(chǎn)熱。那么，交感神經(jīng)是否可能介導(dǎo)GDF15對脂肪組織的效應(yīng)？在TFEB高表達(dá)小鼠的棕色和白色脂肪中，參與兒茶酚胺合成的酶(酪氨酸羥化酶、多巴脫羧酶)的表達(dá)有增加的趨勢[13]。此外，Suriben等[23]之前發(fā)現(xiàn)用6-羥多巴胺破壞交感神經(jīng)可抑制GDF15的減少脂肪、降低體質(zhì)量效應(yīng)。以上結(jié)果提示交感神經(jīng)可能介導(dǎo)了GDF15的效應(yīng)。然而GDF15是否能夠激活交感神經(jīng)仍需更多證據(jù)支持。

除交感神經(jīng)外，糖皮質(zhì)激素也可能參與GDF15對脂肪的效應(yīng)。最近，Cimino等[24]報道注射rGDF15或者藥物誘導(dǎo)的內(nèi)源性GDF15可快速激活下丘腦-腺垂體-腎上腺皮質(zhì)軸，升高血漿糖皮質(zhì)激素濃度。他們發(fā)現(xiàn)，給小鼠皮下注射rGDF15(0.03 mg·kg-1)使血漿GDF15濃度達(dá)到約7 μg·L-1，而血漿糖皮質(zhì)激素濃度升高到約100 μg·L-1。在之前的研究中，rGDF15的劑量都遠(yuǎn)高于0.03 mg·kg-1。因此，注射rGDF15或用病毒表達(dá)GDF15在降低體質(zhì)量的同時必然伴有血漿糖皮質(zhì)激素濃度升高?？紤]到糖皮質(zhì)激素的促脂肪分解作用，有必要進(jìn)一步研究其在GDF15降體質(zhì)量效應(yīng)的作用。

3.1.3.3GDF15與中樞受體結(jié)合 下丘腦是重要的攝食和體質(zhì)量調(diào)節(jié)中樞，GDF15可能通過激活下丘腦的神經(jīng)元影響攝食和體質(zhì)量。Johnen等[14]給小鼠腹腔注射rGDF15，1 h后檢測大腦神經(jīng)元激活標(biāo)志物c-fos表達(dá)，他們發(fā)現(xiàn)弓狀核、室旁核、最后區(qū)(area postrema，AP)的神經(jīng)元都有顯著激活。2014年，Tsai等[25]也觀察到注射rGDF15 1 h后小鼠的AP和孤束核(nucleus tractus solitarius，NTS)內(nèi)側(cè)部的c-fos表達(dá)最強。AP缺乏完整的血腦屏障，可直接感受血液中的激素分子，可能成為GDF15直接作用的腦區(qū)。的確，Tsai等[25]損毀小鼠的AP和其附近的NTS后，rGDF15抑制食欲和體質(zhì)量的作用消失了。這些結(jié)果提示，AP和NTS的神經(jīng)元介導(dǎo)了GDF15對攝食和體質(zhì)量的效應(yīng)。然而，此時尚不清楚是何種受體介導(dǎo)了GDF15的效應(yīng)。

2017年，4家獨立研究機構(gòu)同時發(fā)文證實孤兒受體膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子家族α樣受體(glial cell-derived neurotrophic factors family receptor α-like，GFRAL)是GDF15的天然受體[15-16,22,26]。膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial cell-derived neurotrophic factors，GDNF)家族是TGF-β超家族的一個亞家族，包括4個成員：GDNF、neurturin、artemin和persephin。它們通過與4個GDNF受體家族成員(GDNF receptor α1～4，GFR-α1～4)結(jié)合發(fā)揮作用，主要功能是參與維持中樞和外周神經(jīng)元的功能。GFR-α家族還包括2個遠(yuǎn)親，分別是GFRAL和growth arrest specific-1 (GAS1)，但GDNF家族的4個成員都不能與GFRAL和GAS1結(jié)合。除GFRAL外，GFR-α家族所有成員都通過糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol)固定在細(xì)胞膜上，GFRAL采用單次跨膜螺旋與細(xì)胞膜結(jié)合。與其它GFR-α家族成員一樣，GFRAL同樣需要輔助受體RET才能激活細(xì)胞內(nèi)的信號通路，這可能與其胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域過短，僅有23個氨基酸有關(guān)[15]。GDF15或GFRAL都不能單獨激活RET，而RET缺失也不影響GDF15與GFRAL的結(jié)合。GDF15與GFRAL結(jié)合，促使GFRAL形成二聚體，進(jìn)而招募RET以二聚體形式與GDF15-GFRAL復(fù)合物結(jié)合，RET發(fā)生自身磷酸化進(jìn)而激活下游信號通路。在整體動物，GDF15可通過GFRAL-RET激活ERK[22]，細(xì)胞實驗證實AKT和磷脂酶C也是GFRAL-RET的下游通路[16]。

GFRAL的表達(dá)非常局限，最先報道的4個實驗室都發(fā)現(xiàn)GFRAL僅在大腦AP和NTS表達(dá)，其他腦區(qū)和外周組織均不表達(dá)[15-16,22,26]。腹腔注射rGDF15，1 h后對AP和NTS進(jìn)行免疫熒光雙染，結(jié)果顯示大部分GFRAL神經(jīng)元表達(dá)c-fos，而敲除GFRAL完全消除c-fos表達(dá)。更重要的是，敲除GFRAL完全消除rGDF15產(chǎn)生的抑制攝食和降低體質(zhì)量效應(yīng)。上述結(jié)果表明，血漿中GDF15通過結(jié)合AP和NTS神經(jīng)元上的GFRAL受體，激活這些神經(jīng)元，進(jìn)而產(chǎn)生抑制攝食和降低體質(zhì)量效應(yīng)。

3.2 GDF15與腫瘤惡液質(zhì)惡液質(zhì)是一種由癌癥或其他慢性嚴(yán)重慢性疾病引起的一種復(fù)雜代謝紊亂綜合征，主要表現(xiàn)為厭食、肌肉流失(伴有或不伴有脂肪減少)。約有15%～40%的腫瘤患者伴有惡液質(zhì)，而在晚期癌癥患者這個比例可高達(dá)80%。惡液質(zhì)狀態(tài)嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量并縮短生存期，據(jù)估計約22%的腫瘤患者最終死于惡液質(zhì)。因此，闡明腫瘤惡液質(zhì)的機制對于改善患者生存質(zhì)量、延長生存期有重要現(xiàn)實意義。

Johnen等[14]發(fā)現(xiàn)伴有惡液質(zhì)的晚期前列腺癌患者血漿GDF15和IL-6顯著高于無惡液質(zhì)的患者，但只有GDF15與腫瘤導(dǎo)致的體質(zhì)量減輕有相關(guān)性。動物實驗亦表明GDF15參與腫瘤惡液質(zhì)發(fā)生、發(fā)展過程。Lerner等[27]將7種能顯著降低小鼠體質(zhì)量的腫瘤細(xì)胞和3種不能降低體質(zhì)量的腫瘤細(xì)胞種植到小鼠，隨后檢測了29種血漿蛋白，發(fā)現(xiàn)只有GDF15在前者呈現(xiàn)一致升高，而在后者的濃度極低或未檢出。注射GDF15中和抗體完全逆轉(zhuǎn)移植瘤引起的攝食減少、體質(zhì)量下降。更重要的是，與單用抗腫瘤藥物相比，聯(lián)合應(yīng)用抗腫瘤藥物和GDF15中和抗體顯著延長移植瘤小鼠的存活時間。

最近，Suriben等[23]開發(fā)了一種針對GFRAL的抗體：3P10。它抑制GDF15-GFRAL復(fù)合物與RET結(jié)合，阻斷RET下游信號通路激活。他們發(fā)現(xiàn)移植瘤使小鼠體質(zhì)量持續(xù)降低，在移植后d 13注射3P10逆轉(zhuǎn)移植瘤導(dǎo)致的體質(zhì)量降低。有趣的是，注射3P10后，小鼠的攝食量僅輕度增加，這難以解釋體質(zhì)量的大幅恢復(fù)。為了進(jìn)一步明確攝食量的影響，他們在注射3P10后，把小鼠的攝食量限制在注射3P10前1 d的水平，使小鼠在注射3P10后無法增加攝食量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3P10組小鼠的體質(zhì)量仍不斷增加，治療8 d后體質(zhì)量恢復(fù)到接種移植瘤之前的水平。這表明攝食量減少并非移植瘤降低體質(zhì)量的主要原因，激活GDF15-GFRAL信號通路對腫瘤惡液質(zhì)的發(fā)生、發(fā)展至關(guān)重要，中和GDF15或阻斷GRRAL可能成為治療腫瘤惡液質(zhì)的重要靶點。

3.3 GDF15與鉑類化合物鉑類化合物是臨床治療卵巢癌、睪丸癌、宮頸癌、肺癌、頭頸部癌和膀胱癌的常用藥[28]，然而它們在抑制腫瘤生長的同時也產(chǎn)生許多副作用，其中惡心、嘔吐、厭食是最為常見的副作用，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和治療依從性。目前臨床采用5-羥色胺受體3阻斷劑、神經(jīng)激肽-1受體阻斷劑、地塞米松和奧氮平治療鉑類藥物導(dǎo)致的惡心和嘔吐，不過仍有約10%～30%的患者治療無效。

Breen等[29]發(fā)現(xiàn)接受鉑類藥物治療的非小細(xì)胞肺癌、結(jié)直腸癌和卵巢癌患者，其血漿GDF15水平高于非鉑類藥物治療的患者。動物實驗也表明，順鉑升高小鼠血漿GDF15濃度，減少攝食和體質(zhì)量，且攝食和體質(zhì)量的減少與血漿GDF15濃度呈正相關(guān)[30]。順鉑引起的體質(zhì)量降低主要是脂肪組織減少，肌肉減少并不顯著[29]。其他鉑類化合物也表現(xiàn)出相似效應(yīng)[29]。這些結(jié)果提示GDF15可能參與鉑類化合物導(dǎo)致的厭食和體質(zhì)量減輕。

敲除GDF15或其受體GFRAL抑制順鉑導(dǎo)致的攝食減少和體質(zhì)量減輕[22, 29]，針對GDF15或GFRAL的中和抗體也產(chǎn)生了同樣的保護(hù)效應(yīng)[29-30]。此外，在食蟹猴模型，GDF15中和抗體還減輕了順鉑導(dǎo)致的嘔吐[29]。以上結(jié)果表明，GDF15參與鉑類化合物導(dǎo)致的嘔吐、厭食和體質(zhì)量減輕，GDF15或GFRAL的中和抗體可能用于臨床預(yù)防、治療鉑類化合物導(dǎo)致的此類副作用。

4 結(jié)語

已有的動物實驗都顯示，GDF15能有效降低體質(zhì)量，一些臨床試驗也提示GDF15與體質(zhì)量下降顯著相關(guān)，顯示了其在治療肥胖方面的巨大潛力。然而，GDF15在中樞的作用通路仍未完全明了，其是否能安全有效地治療人類肥胖也有待臨床試驗證實。另一方面，拮抗GDF15/GFRAL已經(jīng)在動物實驗中展現(xiàn)了其在改善腫瘤惡液質(zhì)以及鉑類化療藥物導(dǎo)致的厭食、體質(zhì)量減輕方面的良好前景，相關(guān)臨床試驗也已啟動，期待GDF15/GFRAL拮抗藥物成為未來治療腫瘤惡液質(zhì)及改善鉑類化療藥物副作用的重要手段。