人成纖維細胞生長因子19的代謝調(diào)節(jié)功能

徐俊楠 印 慨 章衛(wèi)平

成纖維細胞生長因子家族(fibroblast growth factors，F(xiàn)GFs)作為一類最早發(fā)現(xiàn)其具有促進成纖維細胞生長的活性物質(zhì)，迄今在人或鼠的體內(nèi)共鑒定出23個家族成員。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GFs作為一種重要的細胞間信號分子在胚胎發(fā)育、細胞生長、器官形成、組織修復、炎癥反應和血管形成等生理過程中均可發(fā)揮重要作用［1］。其中人類的 FGF19(在嚙齒動物中為FGF15)，作為新近的研究熱點，發(fā)現(xiàn)其具有重要的代謝調(diào)節(jié)作用，本文就FGF19研究的相關(guān)進展做一綜述。

一、FGF19的概述

1．FGF19的發(fā)現(xiàn)與簡介:FGF19的基因最早是在人類的大腦中分離出來的，該基因位于染色體11q13．1位點，這一位點與一種稱為“骨質(zhì)疏松－假神經(jīng)膠質(zhì)瘤綜合征(osteoporosis－pseudoglioma syndrome)”的疾病相關(guān)，其患者伴有骨骼與視網(wǎng)膜缺陷，提示FGF19對于軟骨與視網(wǎng)膜的發(fā)育有著重要調(diào)節(jié)作用［2］。在胎兒的軟骨、皮膚、視網(wǎng)膜，以及成年人的膽囊和結(jié)腸起源的細胞中均可檢測到FGF19的表達，而以腸道中的表達水平為最高［3］。小鼠FGF15被認為是人FGF19的直系同源基因(orthologue)，兩者在氨基酸水平上有53%的同源性［2］。

在過去的10年中，隨著研究的深入，人們將FGF19與FGF21、FGF23共同劃分成一個被稱為“激素樣(hormone－like)FGFs”的相對獨立的亞群，因為人們發(fā)現(xiàn)這一亞群中的以FGF19為代表的3個成員對于脂質(zhì)、葡萄糖、膽汁酸、磷酸鹽和維生素D等物質(zhì)具有重要的調(diào)節(jié)功能［4］。

2．FGF19與FGFR(FGF受體):機體通過調(diào)控不同的FGFs與FGF受體(FGFR)這兩方面的表達來決定FGF家族成員的生物學特異性。目前已有4種高度相關(guān)的受體型酪氨酸激酶被證實可與FGF家族成員相結(jié)合。

FGF19在人體內(nèi)主要激活以FGFR4為代表的FGFRs(也有學者認為FGF19能且只能特異性的結(jié)合FGFR4)，F(xiàn)GF19是一種高親和力的、肝素依賴性的FGFR4的配體，并且是FGF家族中的第一個被證實可特異性結(jié)合 FGFR4 的成員［2，5，6］。FGF19 與FGFR4的結(jié)合需要細胞表面的硫酸乙酰肝素蛋白多糖(heparan sulfate proteoglycans，HSPG)的參與，細胞外間質(zhì)的HSPG可以把大量生物分子吸引至細胞表面，拉近FGF與FGFR的距離，使二者更易結(jié)合而完成信號傳遞，因此FGF19被稱為肝素依賴性的FGFR4的配體［7］。FGF19與FGFR4結(jié)合發(fā)揮生物學效應一般來講還需要一種被稱為βKlotho(一種跨膜蛋白)的共受體的參與，也就是說FGFR4與βKlotho共同形成“FGFR4－βKlotho受體復合物”后再與FGF19結(jié)合，從而發(fā)揮一系列生物學效應［6］。

FGF19的受體激活的機制要比其他的“激素樣”的FGFs(如前所述的 FGF21、FGF23)更為復雜:在FGF21與FGF23相對應的Klotho共受體缺乏的條件下，F(xiàn)GF21與FGF23是不能與FGFRs相結(jié)合的，也就是說它們的生物學作用是分別受到其相對應的Klotho共受體(βKlotho和Klotho)特異性調(diào)控的。而FGF19則可同時利用βKlotho和 Klotho作為自己的共受體，甚至可以在KLotho蛋白缺乏的情況下直接的特異性的結(jié)合 FGFR4［2，5，6，8，9］。

近些年，F(xiàn)GF19特異性激活βKlotho與FGFRs的相關(guān)特異性位點已經(jīng)被確定:FGF19的C末端被認為是決定其與Klotho與βKlotho的特異性結(jié)合的位點，而N末端則被認為是決定FGF19結(jié)合FGFRs的關(guān)鍵性位點，與此同時，Klotho與βKlotho上的β－葡萄糖苷酶樣結(jié)構(gòu)域?qū)τ贔GF19的生物學活性具有非常重要的作用［5］。

二、FGF19生物學作用的研究與進展

最初人們對于FGF19功能的認識僅僅停留在它對于雞內(nèi)耳發(fā)育的影響［10］;而隨著FGF19轉(zhuǎn)基因小鼠的研制成功，人們通過對這種轉(zhuǎn)基因小鼠的表型觀察發(fā)現(xiàn)FGF19對于代謝過程有著非常重要的調(diào)控作用。這些轉(zhuǎn)基因小鼠體型普遍偏瘦，并且可以通過增加能量消耗、更為有效的脂質(zhì)利用以及增加棕色脂肪比例等方式來更好的耐受高脂飲食所誘導的肥胖［11］;而血糖、血脂、總膽固醇以及肝臟脂肪含量在FGF19轉(zhuǎn)基因小鼠中都顯著降低;除此之外，諸如胰島素、胰高血糖素、瘦素以及IGF－1等代謝相關(guān)激素水平(不包括生長激素)也是降低的。在分子水平上，肝臟轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物如乙酰輔酶A羧化酶2(ACC2)、SCD1和CYP7A1這些涉及脂肪酸氧化、膽固醇/膽汁酸合成過程的酶也都下調(diào)，而瘦素受體的mRNA的水平卻是顯著升高的。用重組FGF19處理動物幼崽也可以觀察到類似的表型［12］。

值得注意的是，F(xiàn)GF21同樣具有上述FGF19的代謝調(diào)節(jié)作用，這也許是因為FGF19與FGF21都是通過一種βKlotho依賴性的機制在機體內(nèi)發(fā)揮作用［11，12］。然而，F(xiàn)GF19 與 FGF21 最大的區(qū)別之處在于:FGF21是一種“非促有絲分裂性”的因子，F(xiàn)GF21甚至可以延遲腫瘤的發(fā)生;而FGF19轉(zhuǎn)基因小鼠則有發(fā)生肝細胞癌的傾向。此外，在轉(zhuǎn)基因小鼠中觀察到FGF19并不具備調(diào)控磷酸鹽代謝的能力，這也是通過Klotho的發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導作用的一個重要特性;而在體外實驗中觀察到的FGF19與Klotho這兩種物質(zhì)之間相互識別的特異性以及生理學相關(guān)性仍然需要去進一步闡明［13］。

在FGF19所參與的諸多生理學過程中，研究得最透徹的是FGF19在膽汁酸負反饋通路中對于膽汁酸的合成調(diào)控作用。而FGF19對于肝糖原以及肝臟蛋白合成的調(diào)控作用也日益受到人們的關(guān)注。

1．FGF19對于膽汁酸穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用:機體主要通過兩條途徑生成膽汁酸:①由膽固醇7α－羥化酶(cholesterol 7alpha－h(huán)ydroxylase，CYP7A1)介導的經(jīng)典途徑;②由膽固醇27α－羥化酶(CYP27)介導的替代途徑;其中經(jīng)典途徑在膽汁酸生成過程中占主導地位。膽固醇在肝臟中氧化生成的膽汁酸，大部分膽汁酸又通過“腸肝循環(huán)”于小腸下段重吸收入肝，另外剩余的小部分膽酸經(jīng)腸道細菌作用后排出體外。腸肝系統(tǒng)主要通過膽汁酸水平的反饋抑制作用對膽汁酸合成進行嚴密調(diào)控。

現(xiàn)已證實，膽汁酸在這一負反饋過程中主要是通過下調(diào)CYP7A1的表達來發(fā)揮作用的。膽汁酸作為法尼醇X受體(farnsoid X receptor，F(xiàn)XR)的配體，可與FXR結(jié)合并激活FXR，而激活后的FXR可誘導核受體SHP的表達，SHP與LRH－1之間可通過相互作用來抑制 LRH －1 對 CYP7A1 的激活作用［12，14］。與此同時，SHP與LRH－1所形成的SHP/LRH－1復合物又可抑制SHP的表達，從而抑制這一反饋抑制作用。

有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR的激活劑如GW4064以及鵝脫氧膽酸均可誘導FGF19在體外原代肝細胞中的表達，說明FGF19的表達受FXR的直接調(diào)控［15］。雖然FGFR4在肝臟中表達，但在人與小鼠的肝臟中卻無法檢測到FGF19與FGF15的mRNA，僅在小腸上皮細胞中檢測到它們的存在［15，16］。在給予小鼠FGF15重組蛋白或表達FGF15的重組腺病毒處理后，野生小鼠肝臟內(nèi)CYP7A1表達受到明顯抑制，F(xiàn)GFR4敲除小鼠肝臟內(nèi)CYP7A1的表達不被抑制，類似的結(jié)果同樣出現(xiàn)在SHP基因敲除小鼠的研究中。這說明小鼠體內(nèi)的FGF15通過結(jié)合FGFR4從而激活下游信號通路，并在小異源二聚體伴侶受體(small heterodi mer partner，SHP)協(xié)同下抑制CYP7A1的表達從而進一步抑制膽汁酸的合成。與FGFR4敲除小鼠相類似，F(xiàn)GF15敲除小鼠肝臟的CYP7A1 mRNA和蛋白水平均上調(diào)，并且膽汁酸排泄量也有顯著提高;GW4064處理不能抑制FGF15敲除小鼠肝臟中CYP7A1的表達，這也從另一個角度證明了FGF15參與了FXR介導的膽汁酸對CYP7A1的反饋抑制［16］。此外，有研究表明在SHP基因沉默的肝細胞中，F(xiàn)GF19仍可以抑制CYP7A1的表達，說明有可能還存在一條不依賴于SHP的FGFR4介導的信號通路［16］。

綜上所述，膽汁酸與FXR結(jié)合，在肝臟內(nèi)誘導SHP的表達的同時在小腸內(nèi)誘導FGF19(FGF15)的表達。FGF19(FGF15)則以內(nèi)分泌的形式在肝臟激活FGFR4并聯(lián)合SHP，抑制CYP7A1的表達，從而抑制膽汁酸的合成。FGF19(FGF15)與FGFR4作為腸肝信號通路的重要組分，與SHP共同作用，維持膽汁酸的生理平衡［16］。此外有研究表明，F(xiàn)GF19除了對膽汁酸的合成代謝具有調(diào)控功能外，對膽囊的充盈同樣具有重要的調(diào)節(jié)作用。FGF15基因敲除小鼠注射人FGF19重組蛋白后15min內(nèi)其膽囊體積可增加10倍以上，并且FGF19可不依賴FGFR4來完成這種作用，但FGF19對于膽囊充盈調(diào)控的具體分子機制仍待進一步闡明。

2．FGF19對于肝臟糖原以及蛋白質(zhì)合成的影響:最近，Kir在研究中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF19對于代謝的影響不僅僅局限于對于膽汁酸穩(wěn)態(tài)的調(diào)控。他的研究結(jié)果顯示:FGF19可作為一種餐后的、胰島素非依賴性的激活物促進肝臟蛋白與糖原的合成。這一結(jié)論實際上包含了兩層含義:①FGF19可以促進肝臟蛋白與糖原的合成，并且不會促進脂質(zhì)的生成;②這樣的生物學功能是與胰島素的作用方式相獨立的。

Kir實驗組使用重組人FGF19對小鼠進行誘導(不使用小鼠自身的FGF15是因為重組小鼠FGF15不夠穩(wěn)定而且生物學活性比較多變)，實驗結(jié)果顯示與對照組相比，F(xiàn)GF19處理后的小鼠總蛋白合成量的增加18%、白蛋白合成量增加了40%而血漿白蛋白水平則增加了10%。證實FGF19確實對肝臟蛋白的合成具有正向調(diào)控作用。

FGF19處理后的小鼠其肝臟內(nèi)磷酸化的ERK(P－ERK)以及ERK下游一系列的相關(guān)分子如PMnk1、P－eIF4E、P－p90RSK、P－rpS6/eIF4B 均不同程度的增加，其中eIF4E、eIF4B、rpS6都是與蛋白質(zhì)合成直接相關(guān)的因子。由于研究已證實胰島素主要依靠PI3K－Akt－p70S6K信號通路來調(diào)控蛋白質(zhì)合成，而經(jīng)過FGF19誘導后這條通路中的相關(guān)信號分子如 P－Akt、P－p70S6K等卻沒有增加。所以FGF19是通過Ras－ERK－Mnk1以及Ras－ERK－p90RSK信號通路調(diào)控肝臟蛋白合成，并且這條通路是與胰島素的信號通路獨立開來的。

FGF19對于蛋白質(zhì)的這種正向調(diào)控作用提示人們FGF19對于糖原合成也可能具有相同的影響，而最近的研究也恰恰證實了這一點。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)GF19可以通過誘導糖原合成激酶GSK3α(Ser21)和GSK3β(Ser9)的磷酸化來抑制其活性，而糖原合成的限速酶糖原合酶(GS)又恰恰可被GSK3α/3β磷酸化而失活，因此FGF19最終所起的作用便是通過抑制GSK3α/3β的活性從而達到增強GS活性的效果。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)GF19處理后小鼠肝糖原合成量可顯著增加30%，并且不伴有肝臟重量的增加。同時，F(xiàn)GF19并不會影響肝臟三酰甘油、膽固醇的含量以及血漿中胰島素、胰高血糖素的水平，這說明FGF19是直接作用于肝臟的。

人們通過使用p90RSK的抑制劑BI－D1870以及PI3K的抑制劑研究發(fā)現(xiàn)FGF19同樣是通過胰島素非依賴性的Ras－ERK－p90RSK通路來調(diào)控肝糖原合成的。

以上的研究結(jié)果總結(jié)起來，我們可以發(fā)現(xiàn)FGF19(FGF15)與胰島素之間有聯(lián)系也有區(qū)別。與胰島素相同的是，F(xiàn)GF19可以誘導肝臟糖原與蛋白的合成，而缺少FGF15生理分泌功能的FGF15敲除小鼠則存在著葡萄糖耐量受損以及肝糖原合成減少等表型。但是胰島素一般是在人餐后1h達到峰值，而對于FGF19來說則是3h，所以說FGF19與胰島素在不同時間點上相互協(xié)作來發(fā)揮其各自作用的。FGF19與胰島素所激活的不同的信號通路使它們在生理學效應有重合的同時也有著非常明顯的差別，比如，F(xiàn)GF19并不像胰島素那樣會增加肝臟甘油三酯的合成以及SREBP－1c依賴性脂質(zhì)合成基因的表達，因為這個過程需要PI3K－Akt－mTOR信號通路的參與。也就是說FGF19對于糖原合成的調(diào)控是與脂質(zhì)合成獨立開的。正常喂食的小鼠需要 FGF15(或FGF19)來維持其糖原合成能力，并且這一過程是通過Ras－ERK－p90RSK這樣一條通路來完成的。這些發(fā)現(xiàn)也許可以解釋為何IRS1－IRS2失效的小鼠(其肝臟中的胰島素信號通路是被完全阻斷的)在喂食以后其糖原儲存能力并未完全喪失這一有趣的現(xiàn)象。這些結(jié)果同樣可以用來解釋FGF19應用于糖尿病小鼠后所產(chǎn)生的降血糖和降胰島素的效果［12］。

三、展 望

雖然在Kir等人的研究中并未檢測FGF19是否會影響肝臟中葡萄糖的生產(chǎn)量，但從目前來看糖尿病患者肝臟葡萄糖產(chǎn)出量的不正常升高是能夠被FGF19所抑制的，因為FGF19可以通過調(diào)控糖原的分解以及葡萄糖的從頭合成等過程來減少肝臟向血液釋放過量的葡萄糖。同時，由于FGF19利用的是與胰島素相獨立的信號通路來發(fā)揮其生物學效應，在促進糖原合成的同時并不會增加脂質(zhì)的生成，因此FGF19有助于解決胰島素治療中降血糖的同時會導致脂質(zhì)合成增加的問題，這在今后也許會成為糖尿病治療的一個新的突破口，甚至成為一條替代途徑。另外，由于FGF19在膽汁酸穩(wěn)態(tài)調(diào)控中作用，使其有助于人們?nèi)ミM一步揭示如脂肪肝、膽石癥、動脈粥樣硬化等相關(guān)疾病的發(fā)生機制，并可能成為這些疾病治療的新的靶點。

1 Popovici C，et al．An evolutionary history of the FGF superfamily［J］．Bioessays，2005，27(8):849 －857

2 Xie MH，et al．FGF－19，a novel fibroblast growth factor with unique specificity for FGFR4［J］．Cytokine，1999，11(10):729 －735

3 Nishimura T，et al．Structure and expression of a novel human FGF，F(xiàn)GF －19，expressed in the fetal brain［J］．Biochim Biophys Acta，1999，1444(1):148 －151

4 Kharitonenkov A．FGFs and metabolism［J］．Curr Opin Pharmacol，2009，9(6):805 －810

5 Wu X，et al．C－terminal tail of FGF19 determines its specificity toward Klotho co － receptors［J］．JBiol Chem，2008，283(48):33304－33309

6 Wu X，et al．Co－receptor requirements for fibroblast growth factor－19 signaling［J］．JBiol Chem，2007，282(40):29069 －29072

7 Ornitz DM．FGFs，heparan sulfate and FGFRs:complex interactions essential for development［J］．Bioessays，2000，22(2):108 － 112

8 Kurosu H，et al．Regulation of fibroblast growth factor－23 signaling by klotho［J］．JBiol Chem，2006．281(10):6120 －6123

9 Kharitonenkov A，et al．FGF －21/FGF －21 receptor interaction and activation is determined by betaKlotho［J］．JCell Physiol，2008，215(1):1－7

10 Ladher R K，et al．Identification of synergistic signals initiating inner ear development．Science，2000，290(5498):1965 －1967

11 Tomlinson E，et al．Transgenic mice expressing human fibroblast growth factor－19 display increased metabolic rate and decreased adiposity［J］．Endocrinology，2002，143(5):1741 －1747

12 Fu L，et al．Fibroblast growth factor 19 increases metabolic rate and reverses dietary and leptin － deficient diabetes［J］．Endocrinology，2004，145(6):2594 －2603

13 Long YC．Kharitonenkov，Hormone－like fibroblast growth factors and metabolic regulation［J］．Biochim Biophys Actas 1812(7):791 －795

14 Lu TT，et al．Molecular basis for feedback regulation of bile acid synthesis by nuclear receptors［J］．Mol Cell，2000，6(3):507 － 515

15 Holt JA，et al．Definition of a novel growth factor－ dependent signal cascade for the suppression of bile acid biosynthesis［J］．Genes Dev，2003，17(13):1581 －1591

16 Goetz R，et al．Molecular insights into the klotho － dependent，endocrine mode of action of fibroblast growth factor 19 subfamily members［J］．Mol Cell Biol，2007．27(9):3417 －3428