成纖維細(xì)胞生長因子 21：從生理作用到臨床研究*

付坤綜述，柳景華審校

成纖維細(xì)胞生長因子 21：從生理作用到臨床研究*

付坤綜述，柳景華審校

成纖維細(xì)胞生長因子 21(FGF21) 是FGF家族中的新成員。目前研究顯示，F(xiàn)GF21 是一個新的糖脂代謝調(diào)節(jié)因子，有望成為治療糖尿病等代謝性疾病的新型藥物。FGF21能改善胰島功能，促進(jìn)葡萄糖的吸收，減少脂肪的堆積。FGF21是FGFs家族中沒有促有絲分裂的基因，并且有明顯的組織特異性，從而大大降低了臨床用藥的風(fēng)險。隨著代謝性疾病人群的增多，F(xiàn)GF已成為國際上的研究熱點(diǎn)。本文描述FGF21的功能及研究進(jìn)展。

FGF21；糖脂代謝；游離脂肪酸；胰島素抵抗

1 成纖維細(xì)胞生長因子 21的結(jié)構(gòu)

成纖維細(xì)胞生長因子 21( fibroblast growth factor，F(xiàn)GF21)是最新被發(fā)現(xiàn)的一個FGFs成員，屬于FGF19亞族。所有旁分泌FGFs分子，調(diào)節(jié)生物應(yīng)答是通過黏附和激活細(xì)胞表面絡(luò)氨酸激酶受體。肝素或者類肝素硫酸鹽作為輔因子[1]是區(qū)分內(nèi)分泌FGFs與自分泌和旁分泌FGFs的關(guān)鍵。研究人員推測FGF19亞族不與硫酸肝素牢固結(jié)合，使得這些生長因子避免了被其生成組織的硫酸肝素滯留，從而具有了內(nèi)分泌信號傳遞功能。FGF21主要在肝臟表達(dá)，在骨骼肌、胰腺β細(xì)胞和脂肪組織也有表達(dá)。柳景華等[2]研究表明心肌細(xì)胞與心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞中FGF21基因有表達(dá)。人源FGF21基因位于19號染色體。FGF21其N端區(qū)域和C端區(qū)域發(fā)揮著不同的生物學(xué)功能， 即N端氨基酸參與FGF受體的相互作用，C端氨基酸則與β-Klotho蛋白的相互作用[3]，β-Klotho是FGF21調(diào)節(jié)血糖和脂質(zhì)代謝所必須。FGF21通過β-Klotho作為一個錨定去激活FGFR介導(dǎo)的信號通路，完成相應(yīng)的特異性功能。Smith等[4]應(yīng)用Avimer蛋白代替FGF21的C端和β-Klotho結(jié)合區(qū)域。這種替換與野生型FGF21功能沒有區(qū)別。這項(xiàng)研究對改造FGF21親和力等具有相當(dāng)意義?，F(xiàn)在的研究已經(jīng)闡明對于FGF21，F(xiàn)GFR1c 是一個優(yōu)先受體。

2 成纖維細(xì)胞生長因子 21的生物學(xué)作用

在肝臟中FGF21調(diào)節(jié)糖脂代謝受到過氧化物酶體增 殖 物 激 活 受 體 α（peroxisome proliferator-activated receptors α，PPARα）調(diào)節(jié)，通過PPARα配體可以刺激FGF21表達(dá)。而在脂肪細(xì)胞中，F(xiàn)GF21受過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptors γ，PPARγ）調(diào)節(jié)。

2.1循環(huán)中的成纖維細(xì)胞生長因子 21

FGF21在多種組織培養(yǎng)和動物模型中具有潛在的生物學(xué)作用。FGF21在鼠類肝臟的表達(dá)可以通過禁食誘導(dǎo)，需要通過PPARα介導(dǎo)。在肝臟中FGF21誘導(dǎo)糖異生、脂肪酸氧化和生酮，但不刺激糖原分解。在禁食早期FGF21不發(fā)揮突出的作用，如果延長禁食和饑餓狀態(tài)時FGF21刺激生酮和糖異生。實(shí)際上，在禁食72小時中血漿FGF21沒有升高，但在人體研究中，在饑餓7天后FGF21會升高。給予PPARα激動劑可使血漿FGF21水平升高30%。Li等[5]研究發(fā)現(xiàn)在小鼠中維甲酸受體β（retinoic acid receptor beta，RARβ）刺激FGF21在肝臟中的表達(dá)，并提高脂肪酸氧化和能量代謝。這些表明FGF21有希望成為治療2型糖尿病和代謝性疾病的藥物。FGF21降低肝臟甘油三酯水平與肝臟脂肪基因表達(dá)下降相關(guān)[6]。普通劑量FGF21不能激活信號通路，大劑量FGF21才能激活信號通路。

2.2成纖維細(xì)胞生長因子 21在脂肪組織中對糖脂代謝的作用

FGF21在脂肪組織受到PPARγ激動劑所誘導(dǎo)，這些激動劑包括一些脂肪酸和胰島素增敏劑（噻唑啉二酮類如羅格列酮和吡格列酮）。Kharitonenkov等研究表明FGF21是通過增加3T3-L1 細(xì)胞和人前脂肪細(xì)胞中葡萄糖載體-1 (GLUT-1) 的表達(dá)來增加非胰島素依賴的葡萄糖攝取的。與胰島素介導(dǎo)的快速利用葡萄糖不同， FGF21葡萄糖攝取方面的效應(yīng)可持續(xù)幾個小時。FGF21對葡萄糖攝取的作用是非胰島素依賴性的，而且與胰島素共同作用時可以增加攝取葡萄糖的效應(yīng)。在肥胖小鼠同時給予FGF21和胰島素，降血糖幅度比單用胰島素更大，這表明胰島素和FGF21之間存在疊加作用。FGF21也能提高甘油三酯在脂肪細(xì)胞中的分解。在脂肪細(xì)胞中，F(xiàn)GF21與PPARγ形成一個閉合環(huán)，通過自分泌方式去放大PPARγ激活作用[7]。脂肪組織合成的FGF21以自分泌的方式發(fā)揮功能，不釋放至血液中發(fā)揮內(nèi)分泌作用，所以血漿中的FGF21水平保持不變。

2.3成纖維細(xì)胞生長因子 21在肝臟中對糖脂代謝的作用

肝臟來源的FGF21可以分泌至血液中，從而升高血漿中的FGF21水平而發(fā)揮全身作用，F(xiàn)GF21能被游離脂肪(free fatty acids，F(xiàn)FAs)、禁食和在進(jìn)食后的碳水化合物所誘導(dǎo)。除此以外，葡萄糖也通過碳水化合物反應(yīng)元件

結(jié)合蛋白（carbohydrate response element binding protein，ChREBP）激活誘導(dǎo)FGF21基因在肝臟的表達(dá)[8]。FGF21基因有PPARα反應(yīng)元件，在禁食期間，F(xiàn)GF21在肝臟表達(dá)受到PPARα控制。PPARα、脂肪酸可以作為內(nèi)源性的信號配體發(fā)揮作用。FGF21在禁食時提高脂肪酸氧化，轉(zhuǎn)而生成酮體。丁酸鈉是FGF21基因表達(dá)的一個新的誘導(dǎo)劑，可以在小鼠肝臟中通過抑制組蛋白脫乙?；?（histone deacetylase 3，HDAC3）發(fā)揮作用。HDAC3通過從PPARα的編碼基因移除乙?；种芇PARα的表達(dá)。HDAC3活性受到抑制，使PPARα恢復(fù)表達(dá)，從而使FGF21基因的轉(zhuǎn)錄增加[9]。其他還有對FGF21基因表達(dá)有激活作用如在禁食時激活轉(zhuǎn)錄因子4（transcription factor 4，TF4）[10]。在小鼠糖異生的誘導(dǎo)中，可以誘導(dǎo)過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α(peroxisome proliferators-activated receptor γcoactivator 1，PGC-1α)在肝臟中的轉(zhuǎn)錄。Arafat等[11]研究表明，胰高血糖素升高血漿中的FGF21不依賴于內(nèi)源性胰島素水平。FGF21參與胰高血糖素誘導(dǎo)的脂肪分解，也促進(jìn)糖原分解。乳糜顆粒和極低密度脂蛋白顆粒水平是進(jìn)食后FGF21濃度的很好的預(yù)測指標(biāo)，比禁食或者飲食后使用血漿FFA預(yù)測更有價值[12]。

2.4成纖維細(xì)胞生長因子 21在生長中的作用

在哺乳動物中，減少熱量的攝入會導(dǎo)致骨骼發(fā)育減慢和對生長激素（growth hormone，GH）不敏感，但潛在的分子機(jī)制沒有完全闡明。在FGF21轉(zhuǎn)基因小鼠中，循環(huán)中的胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）濃度大約減少50%。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白和轉(zhuǎn)錄激活物5（signal transducer and activator of transcription 5,STAT5），一個在GH應(yīng)答中主要的IGF-1轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子，在FGF21轉(zhuǎn)基因鼠的表達(dá)比野生型少40%～50%。生長滯后不能歸因于生長激素濃度的減少，因?yàn)榛A(chǔ)生長激素濃度僅輕度升高。這些數(shù)據(jù)表明FGF21導(dǎo)致的“生長激素抵抗”是機(jī)體通過抑制生長來作為適應(yīng)饑餓的反應(yīng)。FGF21抑制生長激素誘導(dǎo)的STAT5信號，而生長激素通過STAT5直接刺激FGF21基因在肝臟的轉(zhuǎn)錄，至少是部分[13]。但FGF21敲除小鼠與同窩野生小鼠比較，表現(xiàn)為更大脛骨和體重。在飲食受限后，每天注射合成的人FGF21可以抑制這些不同[14]。在人體中FGF21對生長激素激活作用仍然在研究。

研究表明，在人體中也發(fā)現(xiàn)，寒冷環(huán)境中FGF21能增加產(chǎn)熱和脂肪分解。FGF21能夠通過血腦屏障，F(xiàn)GF21在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用和食物攝入及能量消耗調(diào)節(jié)相關(guān)。

3 成纖維細(xì)胞生長因子 21在病理狀態(tài)中的作用

一些研究表明在人體中循環(huán)FGF21水平不能通過短期的禁食、生酮飲食或者因神經(jīng)性厭食而升高，認(rèn)為這里可能存在不同于嚙齒動物和其他哺乳動物的FGF21調(diào)節(jié)。有代謝綜合征的患者，體力活動和FGF21密切相關(guān)。這個相關(guān)性在年輕婦女參加2周的體育活動后也被證實(shí)，和基礎(chǔ)水平比較，F(xiàn)GF21明顯升高。FGF21的全身效應(yīng)很復(fù)雜。在生理濃度FGF21能增加對營養(yǎng)的攝取。FGF21在調(diào)節(jié)進(jìn)食和禁食通路中起非常重要作用，如甘油三酯的合成。在進(jìn)食后，葡萄糖和脂肪酸被轉(zhuǎn)化成甘油三酯，而禁食期間大多數(shù)游離脂肪酸又被重新酯化成甘油三酯。這也解釋為什么FGF21被報道刺激或者抑制脂肪水解。Holland等[15]研究FGF21能刺激脂聯(lián)素分泌，更為重要的是，脂聯(lián)素敲除小鼠能抵消FGF21的代謝方面的作用。

3.1成纖維細(xì)胞生長因子 21與肥胖和胰島素抵抗

胰島素抵抗使脂肪細(xì)胞膜上胰島素受體敏感性下降，細(xì)胞內(nèi)糖代謝的能力下降，脂肪分解代謝抑制減弱[16]。Fisher等[17]研究表明肥胖和胰島素抵抗導(dǎo)致FGF21抵抗在人群中發(fā)生。Hale等[18]發(fā)現(xiàn)FGF21血漿濃度在飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠和糖尿病小鼠中升高8～16倍，同時β-Klotho、FGFR-1c和FGFR-2c在這兩種小鼠的白色脂肪組織中明顯下調(diào)，但是內(nèi)源性升高的FGF21水平低于rhFGF21治療濃度的50%，所以作者認(rèn)為在胰島素抵抗和肥胖模型小鼠中，沒有證據(jù)表明存在明顯的FGF21抵抗。肝臟來源的FGF21表達(dá)升高可能是局部代謝變化的結(jié)果。FGF21水平升高的生理、病理狀態(tài)中也有游離脂肪酸和葡萄糖的升高。因此FGF21升高的可能機(jī)制，尤其在病理?xiàng)l件，是為了提高FFA的氧化和葡萄糖利用來抵消其在體內(nèi)組織的糖脂毒性。這點(diǎn)需要進(jìn)一步的研究。

在動物模型中，超重和糖尿病與FGF21表達(dá)下降有關(guān)。許多研究表明FGF21水平在肥胖、胰島素抵抗和2型糖尿病中普遍升高，在脂肪肝和高甘油三酯血癥也是一樣。高FGF21水平常和疾病嚴(yán)重程度有相關(guān)性。在OB小鼠中肝臟FGF21 信使核糖核酸（mRNA）水平升高12倍。從這些研究中就有人提出FGF21抵抗的概念，這和高瘦素血癥和高胰島素血癥類似。然而胰島素抵抗小鼠的詳細(xì)研究沒有顯示明顯的FGF21抵抗，在小鼠中FGF21對代謝負(fù)荷的反應(yīng)比在人體中明顯，這說明存在明顯的種屬差異。同時這也受到很多激素影響，比如甲狀腺激素刺激肝臟FGF21 mRNA表達(dá)和升高FGF21血漿水平，然而這點(diǎn)在人類中沒觀察到。

3.2成纖維細(xì)胞生長因子 21與其他疾病

腎功能不全可出現(xiàn)FGF21水平升高，這與腎小球?yàn)V過率呈負(fù)相關(guān)[19]。脈沖式分泌。Planavila等[20]研究，F(xiàn)GF21基因敲除小鼠中，心臟體積擴(kuò)大，表現(xiàn)為心臟重量增加，心肌肥厚和心功能不全，而給予FGF21后能逆轉(zhuǎn)這種變化。目前越來越多的人關(guān)注FGF21在碳水化合物和脂質(zhì)代謝的作用。已經(jīng)有報道其在胰腺炎和敗血癥中的保護(hù)作用，但在人類中這樣治療的相關(guān)性尚未明確[21]。

4 成纖維細(xì)胞生長因子 21臨床應(yīng)用

代謝綜合征和2型糖尿病的發(fā)病率在全球范圍逐漸增多。Bobbert等[22]對440名高加索人平均隨訪5年的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF21可以作為代謝綜合征和2型糖尿病的獨(dú)立預(yù)測因子。Lenart-Lipinska等[23]對87例糖尿病患者進(jìn)行2年的隨訪發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF21對2型糖尿病患者的心血管事件有預(yù)測價值。Li等[24]對808名中國人進(jìn)行前瞻性的研究表明，F(xiàn)GF21濃度是非酒精性脂肪肝的一個獨(dú)立預(yù)測因子，這對早期診斷和干預(yù)非酒精性脂肪肝具有價值。Tan等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在妊娠期糖尿病婦女中，血漿FGF21水平高于對照組，但和對照組比較，腦脊液中的FGF21水平?jīng)]有明顯差異。有趣的是，妊娠期糖尿病婦女腦脊液FGF21水平與血漿FGF21水平的比值明顯降低。Lee等[26]研究表明，在甲狀腺功能低下的患者中，F(xiàn)GF21血漿濃度明顯

下降。關(guān)于FGF21在人類中的治療試驗(yàn)還是很有限，由于循環(huán)中蛋白的半衰期短，使維持足夠高的治療濃度以達(dá)到預(yù)期效果很困難，這需要我們?nèi)パ芯恳恍┰谘貉h(huán)中具有更長半衰期的活性分子[27]。通過其他方式也可能成功，如設(shè)計(jì)抗體使FGFRs活性延長[28]。Smith等[29]通過新型抗FGFR1c/β-Klotho 雙重特異性蛋白，能模擬FGF21的作用。

5 小結(jié)

隨著代謝綜合征患者的逐年增多，對于其相關(guān)藥物的開發(fā)越來越受到重視。隨著FGF21在動物實(shí)驗(yàn)及臨床研究的深入，如改善β細(xì)胞功能和存活的作用，使其有望成為替代胰島素治療糖尿病的新藥。但動物實(shí)驗(yàn)及臨床實(shí)驗(yàn)中亦有相矛盾之處，這需要今后進(jìn)一步的研究。血漿FGF21水平的升高可能表明FGF21抵抗或者對糖脂毒性的代償作用，提示需要超生理劑量的FGF21去發(fā)揮其生物學(xué)作用。另外FGF21在代謝性疾病等血漿水平的升高，使其能否成為相關(guān)疾病早期診斷和評估的分子標(biāo)記物，這也是需要進(jìn)一步研究的方向。

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2013-09-27)

（編輯：漆利萍）

國家自然科學(xué)基金（81070227）；北京市教育委員會科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（km201110025019）

100029 北京市，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院 北京市心肺血管疾病研究所 心內(nèi)科28病房

付坤 主治醫(yī)師 碩士 主要從事冠心病介入治療 Email:fukun0624@sina.cn 通迅作者：柳景華 Email: liujinghua@vip.sina.com

R541

A

1000-3614（2014）04-0309-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2014.04.019