關(guān)丹丹 陳 代文 余 冰 虞 潔
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究所,動(dòng)物抗病營(yíng)養(yǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,雅安 625014)
成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21(fibroblastgrow th factor 21,F(xiàn)GF21)是一個(gè)新近發(fā)現(xiàn)的代謝調(diào)控因子,是FGF超家族的一個(gè)獨(dú)特成員,屬于FGF19亞家族[1]。FGF21與FGF家族其他成員不同,它缺乏與肝素特異性結(jié)合的區(qū)域,也沒(méi)有促進(jìn)有絲分裂的功能,對(duì)成纖維細(xì)胞沒(méi)有生理活性[2-4]。FGF21通過(guò)與成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體(fibroblast grow th factor receptor,F(xiàn)GFR)和 βKlotho(KLB)蛋白形成復(fù)合物并激活下游信號(hào)通路的方式發(fā)揮生理功能[5-6]。它可以通過(guò)多種途徑調(diào)節(jié)糖脂代謝,是一種有效的非胰島素依賴(lài)性葡萄糖攝取調(diào)節(jié)因子,可以特異性調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝?。?],改善葡萄糖耐受性和胰島β細(xì)胞的功能,顯著提高β細(xì)胞的存活率[8]。FGF21還可以調(diào)控脂肪合成與分解,在過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptor-α,PPARα)和過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ,PPARγ)介導(dǎo)下,成為穩(wěn)定的脂類(lèi)調(diào)節(jié)劑[9]。雖然目前針對(duì)FGF21已進(jìn)行了大量研究,但其在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究方面的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)外尚屬空白,本文旨在綜述FGF21對(duì)糖代謝和脂質(zhì)代謝的調(diào)控作用及其分子機(jī)制,并展望其在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究方面的前景。
鼠FGF21蛋白由210個(gè)氨基酸組成,其氨基端為一個(gè)約30個(gè)氨基酸組成的信號(hào)肽序列,而內(nèi)核區(qū)28個(gè)氨基酸殘基是高度保守的,其中的10個(gè)可以與FGFR相互作用。人類(lèi)FGF21位于19號(hào)染色體上,cDNA編碼的蛋白質(zhì)由209個(gè)氨基酸組成,裂解后的成熟蛋白質(zhì)由181個(gè)氨基酸組成,氨基端信號(hào)肽序列有28個(gè)氨基酸,人類(lèi)FGF21與鼠FGF21 有 75% 的 同 源 性[10-11]。FGF21 可 誘 導(dǎo)FGFR1和FGFR2酪氨酸磷酸化,但激活必須依賴(lài)羧基端與單跨膜蛋白KLB結(jié)合以及KLB與FGFR間相互作用,通過(guò)連續(xù)地截掉FGF21蛋白的氨基或羧基末端氨基酸,證明羧基末端對(duì)FGF21的活性以及與KLB的結(jié)合是必不可少的,氨基末端對(duì)FGFR的活性至關(guān)重要,且氨基端信號(hào)肽序列使得FGF21 容易從細(xì)胞中分泌出來(lái)[6,12]。
最初研究表明,肝臟是FGF21 mRNA表達(dá)的主要 組 織[10],隨 后 發(fā) 現(xiàn) FGF21 在 脂 肪[13]、肌肉[14]、胰腺和睪丸[15]也有表達(dá),此外,在胸腺[10]、心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞[10,16]中也有少量表達(dá)。進(jìn)一步研究表明,F(xiàn)GF21在肝臟和脂肪組織中的表達(dá)分別 受 PPARα 和 PPARγ 通路的 調(diào) 控[13,17],而FGF21在骨骼肌中的表達(dá)則是由磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶 B(protein kinase B,Akt)通路介導(dǎo)的[14]。
FGF21通過(guò)PI3K/Akt信號(hào)系統(tǒng),與上游激活物PPARα形成通路,參與機(jī)體葡萄糖代謝,同時(shí)改善胰島素和胰島β細(xì)胞功能、提高胰島β細(xì)胞存活率,進(jìn)而調(diào)控糖代謝[18]。
禁食可誘導(dǎo)FGF21的產(chǎn)生,而產(chǎn)生的FGF21誘導(dǎo)過(guò)氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子lα(peroxisome proliferator-activated receptorγ coactivator protein-1α,PGC-1α)基因表達(dá),增加了糖異生。但在長(zhǎng)期禁食條件下,小鼠卻缺乏足夠的FGF21來(lái)完全誘導(dǎo)PGC-lα基因表達(dá),從而減少了糖異生。對(duì)野生型和PGC-lα基因敲除小鼠注射FGF21后發(fā)現(xiàn),注射FGF21的野生型小鼠在禁食條件下顯著提高了葡萄糖-6-磷酸酶(glucose 6-phosphatase,G6Pase)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxylase kinase,PEPCK)基因的表達(dá),而PGC-1α基因敲除小鼠注射FGF21則沒(méi)有G6Pase、PEPCK的產(chǎn)生,說(shuō)明FGF21對(duì)糖異生關(guān)鍵酶基因表達(dá)的調(diào)控是依賴(lài)PGC-1α的[19]。近期研究表明,F(xiàn)GF21可能通過(guò)一個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的間接機(jī)制誘導(dǎo)PGC-1α產(chǎn)生,F(xiàn)GF21還可以通過(guò)翻譯后修飾調(diào)節(jié)PGC-1α的活性,增加糖異生[19-20]。也 有 研 究 發(fā) 現(xiàn),F(xiàn)GF21 在 肝 細(xì) 胞PEPCK mRNA表達(dá)顯著降低,F(xiàn)GF21基因敲除時(shí)PEPCK mRNA表達(dá)上調(diào),F(xiàn)GF21在肝細(xì)胞中通過(guò)調(diào)控PEPCK mRNA表達(dá)影響肝臟糖異生,發(fā)揮其維持葡萄糖代謝平衡的效應(yīng)[21-22]。
葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)是糖代謝的重要步驟,也是脂肪和糖原合成的限速步驟。FGF21能有效調(diào)控脂肪細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取,攝取作用不需要外源肝素,而且是非胰島素依賴(lài)性的。在3T3-L1脂肪細(xì)胞和人原代脂肪細(xì)胞上的研究表明,F(xiàn)GF21可通過(guò)誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體底物2(fibroblast grow th factor receptor substrate-2,F(xiàn)RS-2)的磷酸化和激活Ras/絲裂原活化蛋白激酶(m itogen-activated protein kinase,MAPK)信號(hào)通路以增加葡萄糖攝取[4]。與胰島素促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)表達(dá)不同,F(xiàn)GF21是通過(guò)上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(glucose transporter 1,GLUT1)的表達(dá)來(lái)促進(jìn)葡萄糖攝取,低劑量FGF21與胰島素一起注射后則可通過(guò)同時(shí)上調(diào)GLUT1、GLUT4的表達(dá)來(lái)加強(qiáng)葡萄糖攝取,增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)。而且近期研究也顯示,F(xiàn)GF21的促葡萄糖攝取作用與胰島素呈疊加效應(yīng),且該疊加效應(yīng)可能來(lái)源于其GLUT1依賴(lài)性的葡萄糖攝取作用以及上調(diào)胰島素受體底物1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)mRNA表達(dá),提高胰島素受體的生物學(xué)活性[20,22-23]。
胰島素抵抗是指胰島素作用的靶器官對(duì)胰島素的敏感性下降。用FGF21治療肥胖小鼠,隨著Akt磷酸化及其下游靶物糖原合酶激酶3β的提高,胰島素敏感性得以改善。用不同濃度的FGF21治療喂食高果糖的SD大鼠,結(jié)果表明胰島素抵抗呈劑量依賴(lài)性顯著緩解[24-25]。在胰島素抵抗模型中,F(xiàn)GF21可顯著提高胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinases,ERK)1/2 磷酸化水平,而PD98059(ERK1/2特異性抑制劑)可抑制FGF21的促ERK1/2磷酸化效果,說(shuō)明在胰島素抵抗模型中,F(xiàn)GF21改善胰島素抵抗可能是通過(guò) ERK1/2信號(hào)途徑[26]。db/db小鼠注射FGF21可以下調(diào)FGF21受體復(fù)合物表達(dá),激活ERK磷酸化,顯著改善了胰島素抵抗[27]。此外,F(xiàn)GF21應(yīng)用于小鼠,使得參與脂聯(lián)素寡聚化和分泌的分子伴侶內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化還原酶1-Lα和二硫鍵A樣氧化還原酶蛋白表達(dá)升高,因此,F(xiàn)GF21作為小鼠脂聯(lián)素產(chǎn)生的上游調(diào)節(jié)子可以增加脂肪細(xì)胞脂聯(lián)素的表達(dá)與分泌,改善胰島素抵抗[28]。生酮飲食誘導(dǎo)產(chǎn)生的FGF21是胰島素敏感性的負(fù)調(diào)控因子,而且FGF21表達(dá)上調(diào)時(shí)可能通過(guò)IRS-1途徑改 善 胰島素敏感 性[22,29]。近 期 研 究 發(fā)現(xiàn),F(xiàn)GF21可改善常規(guī)飼料和高脂飲食飼養(yǎng)小鼠肝臟和外周的胰島素敏感性,這種胰島素敏感性改善與顯著降低肝細(xì)胞甘油二酯含量和肝臟蛋白激酶Cε活性以及骨骼肌蛋白激酶Cθ有關(guān)[24]。
胰島β細(xì)胞是胰島細(xì)胞的一種,能分泌胰島素,起調(diào)節(jié)血糖的作用。在小鼠胰島和胰島-1E細(xì)胞中,F(xiàn)GF21可以通過(guò)刺激FRS-2α磷酸化和激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶ERK1/2和Akt通路改善胰島β細(xì)胞功能,且FGF21顯著提高了正常小鼠胰島素mRNA和蛋白質(zhì)水平。此外,糖尿病動(dòng)物胰島在 FGF21作用下,胰島素分泌功能增強(qiáng)。FGF21還能減少大鼠胰島和胰島-1E細(xì)胞凋亡,顯著提高細(xì)胞存活率[8]。FGF21可以通過(guò)激活ERK1/2和Akt信號(hào)途徑改善胰腺β細(xì)胞功能及存活率[30]。也有研究認(rèn)為,F(xiàn)GF21通過(guò)激活胰島細(xì)胞株和胰島細(xì)胞外信號(hào),介導(dǎo)ERK1/2和Akt信號(hào)通路,在局部產(chǎn)生對(duì)抗高脂毒性及對(duì)抗細(xì)胞因子誘導(dǎo)凋亡的作用,改善胰腺β細(xì)胞的功能與活性,抑制胰腺β細(xì)胞凋亡[18]。
FGF21通過(guò)PPARα和PPARγ以及脂質(zhì)代謝相關(guān)酶調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝,以旁分泌或自分泌的方式促進(jìn)脂肪合成,以內(nèi)分泌的方式刺激脂肪分解,并促進(jìn)生酮作用。
PPARγ通過(guò)對(duì)脂肪酸代謝相關(guān)基因調(diào)控,下調(diào)線粒體內(nèi)的脂肪酸β-氧化,促使脂肪合成增加[31]。FGF21基因敲除小鼠表現(xiàn)出PPARγ信號(hào)通路缺陷,PPARγ依賴(lài)性基因表達(dá)顯著降低,進(jìn)一步研究表明,F(xiàn)GF21通過(guò)抑制PPARγ上K107泛素化修飾來(lái)增加PPARγ活性[32]。脂肪組織可合成FGF21,合成的FGF21以自分泌方式作用于脂肪組織,作為脂肪組織的自分泌因子,在前饋回路調(diào)節(jié)PPARγ的活性,對(duì)增加脂肪組織PPARγ的活性起著至關(guān)重要的作用[33]。此外,生長(zhǎng)激素通過(guò)一種依賴(lài)于脂肪細(xì)胞的脂類(lèi)分解機(jī)制誘導(dǎo)FGF21的產(chǎn)生,升高的FGF21反過(guò)來(lái)作為一個(gè)負(fù)反饋信號(hào)終止脂肪細(xì)胞的生長(zhǎng)激素刺激脂肪分解[34]。因此,F(xiàn)GF2l可能通過(guò)旁分泌或自分泌的方式調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞生物學(xué)功能,促進(jìn)脂肪合成[35]。
脂肪分解是脂肪組織甘油三酯(triglyceride,TG)水解、脂肪酸釋放的過(guò)程。FGF21是一種由肝臟分泌的營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)激素,且FGF21蛋白在人和動(dòng)物血液中存在[17,36]。瘦素缺陷的 ob/ob小鼠連續(xù)2周注射FGF21,體重減輕,肥胖小鼠則能量消耗和體力活動(dòng)明顯增加,F(xiàn)GF21呈劑量依賴(lài)性地降低體重和全身脂肪沉積[37-38]。FGF21 基因敲除小鼠生酮飲食18~20周產(chǎn)生脂肪肝[39]。肝臟FGF21 mRNA表達(dá)和血清FGF21濃度與肝內(nèi)TG濃度呈正相關(guān)[40],而且血清FGF21濃度與脂肪細(xì)胞脂肪酸結(jié)合蛋白呈正相關(guān)[35]。研究表明,肝臟脂肪內(nèi)分泌軸由FGF21-KLB系統(tǒng)介導(dǎo),禁食后肝臟分泌的FGF21作用于白色脂肪組織促進(jìn)脂肪分解;在肝臟-白色脂肪組織內(nèi)分泌軸,禁食增加了脂肪酸的釋放,釋放的脂肪酸與PPARα結(jié)合,配體結(jié)合PPARα與維甲酸X受體形成異源二聚體,作為轉(zhuǎn)錄因子增加肝細(xì)胞FGF21的表達(dá),分泌的FGF21在脂肪細(xì)胞激活FGFR1c與KLB結(jié)合,促進(jìn)脂肪分解[41-42]。用 FGF21或 β-腎上腺素能受體激動(dòng)劑異丙腎上腺素處理3T3-L1脂肪細(xì)胞發(fā)現(xiàn),與異丙腎上腺素單獨(dú)作用相比,F(xiàn)GF21和異丙腎上腺素協(xié)同作用脂肪分解并未增加,表明這2種激素可以通過(guò)一個(gè)共同的通路起作用[9]。而且,作為內(nèi)分泌激素,F(xiàn)GF2l增加了能量的產(chǎn)生和利用[33]。
已有研究表明,F(xiàn)GF21是啟動(dòng)酮體生成的主要因素。轉(zhuǎn)錄因子PPARγ可促進(jìn)FGF21的循環(huán)生成,從而促進(jìn)脂肪分解及脂肪酸釋放,然后脂肪酸被肝臟攝取并轉(zhuǎn)化成酮體。FGF21轉(zhuǎn)基因小鼠在進(jìn)食條件下,肝臟生酮作用顯著提高,三羧酸循環(huán)通量有升高的趨勢(shì),說(shuō)明生酮作用與能量需要緊密相聯(lián)。動(dòng)物試驗(yàn)表明,在進(jìn)食條件下,F(xiàn)GF21轉(zhuǎn)基因小鼠比野生型小鼠β-羥丁酸濃度提高了5倍,顯著降低了血清和肝臟TG濃度,表明FGF21誘導(dǎo)生酮作用[9]。在禁食條件下,當(dāng)內(nèi)源性FGF21明顯升高時(shí),野生型和FGF21轉(zhuǎn)基因小鼠只有血清TG濃度顯著改變,說(shuō)明FGF21有助于禁食引起的生酮作用[17,43]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),PPARα通過(guò)誘導(dǎo)FGF21促進(jìn)酮體生成??赡軝C(jī)制是:在肝臟,PPARα通過(guò)轉(zhuǎn)錄后機(jī)制提高肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶 1α(carnitine palm itoyl transferase-1α,CPT-1α)和3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合成酶2以及其他與脂肪酸吸收和代謝有關(guān)基因的蛋白質(zhì)水平,同時(shí),PPARα也誘導(dǎo)了肝臟FGF21的表達(dá),兩者作用結(jié)果是通過(guò)增加肝臟游離脂肪酸的供應(yīng)和酮體生成所需蛋白質(zhì)的濃度促進(jìn)生酮作用[9]。
FGF21被發(fā)現(xiàn)至今不過(guò)10余年,一直都被認(rèn)為是肥胖和糖尿病等代謝疾病的潛在解決方案,得到了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究人員的廣泛關(guān)注。雖然目前尚缺乏FGF21在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)方面中的研究,其應(yīng)用效果、使用方法、劑量以及成本等問(wèn)題還不清楚,但現(xiàn)有研究成果提示FGF21完全有可能在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究的某些領(lǐng)域中得到應(yīng)用,從而有助于提高養(yǎng)殖效率,改善動(dòng)物健康。
研究發(fā)現(xiàn),位于FGF21基因座上的rs818388被確定與減少蛋白質(zhì)和脂肪攝入,增加碳水化合物攝入有關(guān),而且,F(xiàn)GF21上的rs818388單核苷酸多態(tài)性解釋了碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪攝入量變動(dòng)的原因[44]。已有研究表明,飲食誘導(dǎo)的肥胖大鼠連續(xù)腦室內(nèi)注入FGF21可以增加食物攝入,F(xiàn)GF21轉(zhuǎn)基因鼠的食物消耗量也比野生型增加了1 倍[4,38,45],因此,可以通過(guò)使用 FGF21 增加畜禽在應(yīng)激或疾病條件下的采食量,防止畜禽在非正常條件下的失重,根據(jù)FGF21對(duì)營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入量的調(diào)節(jié),按照飼養(yǎng)目的,在不同飼養(yǎng)階段調(diào)整飼料配方,減少飼料浪費(fèi),降低養(yǎng)殖成本。
FGF21生酮飲食小鼠,β-羥丁酸水平顯著降低,酮病減弱[39]。在進(jìn)食條件下,F(xiàn)GF21可顯著降低野生型和PPARα-/-小鼠肝臟脂肪生成基因的表達(dá),從而改善肝臟脂肪變性;禁食顯著提高了野生型小鼠血清β-羥丁酸濃度,F(xiàn)GF21顯著提高了禁食條件下PPARα-/-小鼠血清β-羥丁酸濃度,并且顯著降低了肝臟TG的聚集,推測(cè)FGF21可以部分逆轉(zhuǎn)PPARα-/-小鼠在禁食期間發(fā)生的低酮血癥和脂肪肝[9]。在肝臟,F(xiàn)GF21通過(guò)上調(diào)解偶聯(lián)蛋白1的表達(dá),下調(diào)解偶聯(lián)蛋白3的表達(dá),顯著提高甘油三酯脂肪酶、激素敏感性脂肪酶的mRNA水平,誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞脂肪酸結(jié)合蛋白2、碳水化合物結(jié)合蛋白、硬脂酰輔酶A去飽和酶1、二脂酰甘油?;D(zhuǎn)移酶1、乙酰輔酶A羧化酶1、乙酰輔酶A羧化酶2和PPARα的產(chǎn)生,增加能量消耗、促進(jìn)脂肪利用[38]。豬飼喂氧化脂質(zhì)增加了肝臟PPARα靶基因?;o酶A氧化酶、CPT-1和新型有機(jī)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)體2的轉(zhuǎn)錄水平,激活PPARα,而且肝臟FGF21 mRNA豐度和FGF21濃度增加,F(xiàn)GF21蛋白濃度在血漿中有增加的趨勢(shì)[46]。FGF21在飼喂氧化脂肪的豬肝臟表達(dá)和濃度的增加,推測(cè)FGF21在氧化脂肪代謝中有一定作用,且通過(guò)激活PPARα誘導(dǎo)FGF21的產(chǎn)生,調(diào)節(jié)氧化脂肪的代謝。因此,動(dòng)物脂質(zhì)代謝紊亂,出現(xiàn)肝臟脂肪變性時(shí),使用FGF21可以改善動(dòng)物肝臟脂肪變性。當(dāng)動(dòng)物應(yīng)激或患病采食量顯著降低時(shí),使用FGF21可以預(yù)防低酮血癥;動(dòng)物出現(xiàn)酮病,可以通過(guò)使用外源制劑抑制PPARα活性,降低內(nèi)源性FGF21的產(chǎn)生,減少β-羥丁酸的生成,降低或消除酮病對(duì)動(dòng)物的影響。動(dòng)物飼糧中含有氧化脂質(zhì)時(shí),F(xiàn)GF21參與氧化脂質(zhì)代謝,降低氧化脂質(zhì)對(duì)動(dòng)物的危害。
FGF21是新發(fā)現(xiàn)的糖脂代謝調(diào)控因子,目前其對(duì)能量代謝的調(diào)控作用研究主要集中在人和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上,還缺乏在畜禽上的試驗(yàn),僅有的研究?jī)H報(bào)道了不同條件下豬和奶牛的FGF21表達(dá)規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)GF21可促進(jìn)饑餓條件下的糖異生,增加脂肪細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取,改善胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞功能,提高β細(xì)胞存活率;FGF21還可以調(diào)控脂肪合成與分解,促進(jìn)酮體生成。根據(jù)已有資料推測(cè),F(xiàn)GF21不僅與動(dòng)物養(yǎng)分?jǐn)z入以及氧化脂質(zhì)的代謝有關(guān),還可以通過(guò)飲食調(diào)控FGF21來(lái)防止酮病和肝臟脂肪變性的發(fā)生。但是FGF21在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)方面的研究還是空白。本綜述將為FGF21在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)方面的研究和應(yīng)用提供新的信息與思路。
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