肥胖及代謝相關疾病治療新靶點GDF15/GFRAL信號通路的研究進展

徐傳洋　王昭維　何磊　逄志駿　朱一超　李維娜　李正民

[摘要] 生長分化因子15（GDF15）是轉化生長因子-β超家族的成員之一，參與能量穩(wěn)態(tài)、體重調(diào)節(jié)和由癌癥、慢性疾病導致的惡病質等多種生物過程。GDF15分子能夠控制食物攝入和能量代謝，這使得其在肥胖癥和厭食癥等能量攝入紊亂疾病的治療中具有重要意義。由于缺乏其確定的受體、信號傳導機制和目標組織，該分子的生物學功能的進一步研究受到了限制。GDNF家族α樣受體（GFRAL）最近被鑒定為GDF15分子的受體，負責介導控制能量攝入和能量代謝調(diào)節(jié)的生物學效應。GDF15/GFRAL信號通路的發(fā)現(xiàn)為肥胖及代謝相關疾病的治療提供了新的思路。本文簡要概述了GDF15能量維穩(wěn)的生物學功能及GFRAL受體的發(fā)現(xiàn)對該領域的影響。

[關鍵詞] 生長分化因子15;能量穩(wěn)態(tài);肥胖癥;代謝疾病

[中圖分類號] R723.14 Q51 ? ? ? ? ?[文獻標識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2019）06（c）-0025-05

Research progress of new target GDF15/GFRAL signaling pathways for the treatment of obesity and metabolic related diseases

XU Chuanyang1 ? WANG Zhaowei1 ? HE Lei1 ? PANG Zhijun1 ? ZHU Yichao2 ? LI Weina1 ? LI Zhengmin3

1.School of Pharmacy， the Fourth Military Medical University， Shaanxi Province， Xi′an ? 710032， China; 2.Brigade of Undergraduates， the Fourth Military Medical University， Shaanxi Province， Xi′an ? 710032， China; 3.Department of Anesthesiology， Tangdu Hospital， the Fourth Military Medical University， Shaanxi Province， Xi′an ? 710038， China

[Abstract] Growth differentiation factor 15 （GDF15） is a member of the transforming growth factor β superfamily and is involved in various biological processes such as energy homeostasis， body weight regulation， and cachexia driven caused by cancer and chronic diseases. GDF15 is able to control food intake and energy metabolism， which makes it important in the treatment of disorders such as obesity and anorexia. Further research into the biological function of this molecule has been limited due to the lack of its defined receptors， signaling mechanisms and target tissues. The GDNF family α-like receptor （GFRAL） has recently been identified as a receptor for the GDF15 molecule and is responsible for mediating the biological effects of controlling energy intake and energy metabolism regulation. The discovery of the GDF15/GFRAL signaling pathway provides new insights into the treatment of obesity and metabolic related diseases. In this paper， the biological function of energy stabilization of GDF15 and the influence of the discovery of GFRAL receptor on this field are briefly summarized.

[Key words] Growth differentiation factor 15; Energy metabolism; Obesity; Metabolic diseases

生長分化因子15（growth differentiation factor 15，GDF15）是轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族成員之一。GDF15分子根據(jù)被發(fā)現(xiàn)時的組織來源或功能被賦予不同的名稱：巨噬細胞抑制因子-1（MIC-1）、胎盤骨形態(tài)發(fā)生蛋白（PLAB）、胎盤轉化生長因子-β（PTGF-β）、非甾體抗炎藥激活基因-1（NAG-1）、前列腺衍生長因子（PDF）等[1-6]。研究[7]表明，體內(nèi)GDF15水平在妊娠期、組織損傷、疾病發(fā)生時，明顯升高，且與腫瘤、心血管以及腎臟等疾病的不良預后密切相關。GDF15轉基因小鼠和基因敲除小鼠模型的構建首次發(fā)現(xiàn)體內(nèi)GDF15水平高的小鼠體重低于體內(nèi)GDF15低的小鼠的現(xiàn)象，促使了GDF15在厭食、癌癥惡病質和肥胖等能量穩(wěn)態(tài)中潛在作用的研究[8-9]。但由于GDF15機制研究還不完善，其介導的各種生物學效應的細胞受體和主要的靶向組織也尚不明確，其生物學功能的研究也受到了限制。在初步探索GDF15后，諾和諾德（Novo Nordisk）、楊森（Janssen）、禮來（Eli Lilly and Company）、默克（Merck）四家制藥公司的實驗室同時宣布了對GDF15識別受體——GDNF家族α樣受體（GFRAL）的發(fā)現(xiàn)[10-14]。該受體的發(fā)現(xiàn)開啟了對GDF15研究的新時代，包括闡明GDF15在細胞中相關下游信號的傳導和體重調(diào)節(jié)中具體的作用機制。針對該途徑治療肥胖癥、厭食癥和惡病質的新型藥理學研究將會成為研究熱點。

1 GDF15的分子特征

GDF15保守的基因結構屬于典型的TGF-β超家族成員類型，含兩個外顯子，并由一個約3 kb的內(nèi)含子隔開。GDF15多肽包括信號肽、前肽區(qū)和羧基端的成熟區(qū)，與超家族其他成員不同的是具有相對較低的序列相似性和獨特的鏈內(nèi)羧基端的半胱氨酸結區(qū)域的二硫鍵。GDF15前體多肽通過羧基端的鏈間二硫鍵形成穩(wěn)定的同源二聚體，水解除去氨基端前肽后，產(chǎn)生并分泌成熟的25 kD同源二聚體[15]。普遍認為GDF15啟動子具有很多的調(diào)節(jié)位點，包括p53、EGR-1、Sp1、CHOP和SMAD2/3[16-21]。未加工GDF15的前肽可被分泌，并與細胞外基質結合儲存，并能在適當?shù)拇碳は卤豢焖籴尫臶20]。GDF15在腎臟、肝臟、肌肉、脂肪以及女性懷孕期的胎盤等多種組織中高表達[1，6，18-19]。人體內(nèi)GDF15水平介于100～1200 pg/mL，但運動、組織損傷以及癌癥、心血管和腎臟疾病等會導致GDF15的升高。體內(nèi)GDF15水平通常與體重減輕和預后不良有關[22]。由于這些較強的關聯(lián)性，GDF15在多種疾病中作為標志物及其在癌癥和炎癥過程中的潛在作用已成為許多研究的熱點[23-24]。

2 GDF15和體重調(diào)節(jié)

GDF15表達和循環(huán)水平與體重差異相關。GDF15在患有肥胖癥的小鼠、大鼠和人體內(nèi)循環(huán)水平升高[25-27]。與營養(yǎng)過剩狀態(tài)下GDF15小幅上升相反，人體內(nèi)GDF15水平的大幅上升與體重減輕有關[28]。肥胖患者在胃旁路手術前血漿GDF15水平較高，而術后體重減輕后GDF15水平會更高[29]。對這些看起來矛盾的結果的一種解釋是，GDF15分子可能是肥胖癥代償機制中的一部分，限制了營養(yǎng)過剩時期的能量攝入。厭食癥是癌癥惡病質的組成部分，其導致的營養(yǎng)不良所致體重減輕是癌癥晚期整體狀況下降的重要因素。在檢查惡病質患者體內(nèi)GDF15的研究中，經(jīng)歷惡病質致使體重下降的患者較體重穩(wěn)定的患者GDF15的水平更高[9，29-31]。惡病質和體重減輕也是腎臟和心臟慢性疾病患者的嚴重并發(fā)癥。在慢性腎臟疾病透析患者的研究中，體重指數(shù)（BMI）較低的患者體內(nèi)GDF15水平較高[9，32]，提示血漿GDF15與BMI呈負相關。同樣，在慢性心力衰竭（CHF）中，BMI最低的患者中觀察到最高水平的GDF15[29]。GDF15和體重減輕之間的關聯(lián)性在嚙齒動物中也是保守的，這使得GDF15水平成為影響體重的重要因素。過表達GDF15的轉基因小鼠模型表現(xiàn)出較低的體重、較少的脂肪量和葡萄糖耐受的改善的現(xiàn)象[8-9]。在高脂飲食飼養(yǎng)中，GDF15的過表達還可以減輕小鼠肥胖、肝臟脂肪變性和葡萄糖的不耐受程度[33-34]。轉染GDF15的異種移植前列腺腫瘤細胞的小鼠通過給予鼠源的GDF15抗體逆轉了食物攝入減少和體重減輕的情況[9]。當提供飲食選擇時，給予GDF15治療的小鼠選擇性地降低它們的脂肪而不是蛋白質或碳水化合物的攝入量，提示調(diào)節(jié)飲食偏好是GDF15調(diào)節(jié)能量攝入的一個組成部分[27]。GDF15能夠在腸道神經(jīng)元床上富集，并減緩胃排空，影響飽食感，進而減少食物攝入[10，27]。GDF15對食物偏好和胃動力的多效性具有重要意義。

3 GFRAL的鑒定

GDF15對體重影響的重要性使得眾多實驗室去尋求介導這種生物效應的受體。GDF15是TGF-β家族成員，但GDF15與任何已知的TGF-β受體都不能直接結合[10-12，35-37]。通過對人類細胞膜相關蛋白進行篩選，最終鑒定出神經(jīng)膠質細胞系衍生的神經(jīng)營養(yǎng)因子（glial-cellline-derived neurotrophic factor，GDNF）家族的GFRAL為GDF15的唯一受體[10-12，14]。GDF15以高親和力結合GFRAL，但不與GDNF受體家族的其他成員結合[11-12，14]，而GFRAL也僅結合GDF15而不結合任何其他GDNF相關配體[10]。GFRAL在結合GDF15后與輔助受體RET結合形成復合物，能夠觀察到GDNF家族典型的細胞信號，包括RET、AKT、ERK和PLC-γ1的磷酸化[10-12]。GFRAL mRNA和蛋白僅限于腦干，特別是在成年小鼠、大鼠、猴子和人類極后區(qū)（area postrema，AP）的神經(jīng)元中，也有報道[10-12，14]，GFRAL在孤束核（nucleus of the solitary tract，NTS）附近的核內(nèi)表達。胚胎的神經(jīng)中樞中GFRAL表達更廣泛，提示其對生長發(fā)育有獨特作用[38]。對成人腦干GFRAL定位與既往研究[39]結果一致，提示極后區(qū)和孤束核是GDF15發(fā)揮厭食作用所必需的。GDF-15結合區(qū)域和下游信號通路[40]見圖1。

GFRAL是GDF15產(chǎn)生初始的厭食作用所必需的。即刻早期基因FOS的誘導是神經(jīng)元激活的標志物，不僅在極后區(qū)GFRAL陽性的神經(jīng)元中表達以應答GDF15分子，而且存在于孤束核、下丘腦和降鈣素基因相關肽（CGRP）陽性神經(jīng)元、臂旁核和中央杏仁核中[9，12，31-41]，提示GDF15在已知控制攝食行為的中心具有觸發(fā)神經(jīng)元激活的能力。GDF15在缺乏瘦素、GLP-1和黑皮質素受體4（MC4R）的嚙齒動物中依然能夠誘導體重減輕，提示GDF15/GFRAL體系控制食物攝入的作用獨立于其他途徑[18]。在60%高脂飲食條件下，提高GDF15水平使缺乏GFRAL的小鼠比正常同窩小鼠消耗更多的食物并獲得更多的脂肪量和體重[11，14]。敲除GFRAL，飲食誘導的肥胖則加劇了葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗。順鉑是已知會引起厭食的化療藥，在順鉑治療中，GDF15升高和缺乏GFRAL的小鼠對治療誘導的厭食和體重減輕具有抗性[12]。以上研究表明，內(nèi)源性GDF15/GFRAL信號傳導是應激條件下代謝穩(wěn)態(tài)不可或缺的。

4 針對GDF15/GFRA信號通路的治療機遇

4.1 GFRAL的激活

激活GFRAL減少食物攝入和減輕體重有望成為一種抵抗肥胖的策略，最直接的方法是提供配體GDF15。但天然GDF15半衰期在小鼠和非人靈長類動物體內(nèi)約為3 h[27]。盡管存在這種限制，每日給予肥胖非人類靈長類動物天然GDF15，仍能有效降低體重，并改善代謝參數(shù)[27]。天然蛋白質的藥代動力學特性可以通過增加分子大小或利用FcRn再循環(huán)機制來增強，這兩種機制可以通過與人血清白蛋白（HSA）或免疫球蛋白G（IgG）的Fc部分融合來實現(xiàn)[42]。融合HSA或Fc的GDF15分子不影響其生物學功能，但將半衰期從數(shù)小時延長至數(shù)天。單次給予HSA-GDF15融合蛋白足以減少食物攝入[11]。每周重復給予肥胖靈長類動物Fc-GDF15融合蛋白，持續(xù)6周，會減少食物攝入和減輕體重，并降低三酰甘油以及改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)[27]。

4.2 GDF15/GFRAL的拮抗作用

GFRAL缺失后能夠預防順鉑誘導的體重減輕，提示可以利用GDF15/GFRAL途徑的抑制劑來限制慢性疾病、癌癥或化療引起的厭食或惡病質[12]。在多種人異種移植腫瘤誘導的癌癥惡病質小鼠模型中，使用GDF15的抗體逆轉了體重的減輕，并恢復了肌肉和脂肪組織的含量[9，24]。與對照組動物比較，施用抗GDF15抗體，阻斷了GDF15對肥胖小鼠的影響，導致食物攝入量和體重的增加。上述實驗提示利用GDF15/GFRAL途徑的拮抗作用是有效的，但該途徑不限于GDF15靶向，因為抗GFRAL抗體同樣可以拮抗Fc-GDF15在大鼠中的厭食作用[14]。

5 總結與展望

GDF15分子能夠控制食物攝入和能量代謝，這推動了靶向GDF15對病理狀態(tài)下的營養(yǎng)過剩（肥胖）和營養(yǎng)不良（厭食/惡病質）潛在功能的研究。GFRAL是一種定位于極后區(qū)神經(jīng)元、GDF15介導的厭食癥所必需的受體，該配體-受體關系已經(jīng)勾勒出一種控制能量穩(wěn)態(tài)的新型通路。盡管與控制食物攝入的其他內(nèi)分泌因子具有一些相同特征（在外周代謝組織中表達，在大腦中靶向神經(jīng)元），但GDF15從其他幾個角度來看似乎是有獨特特征的。例如，GDF15/GFRAL的調(diào)節(jié)有利于在許多條件下增加和維持其廣泛的組織表達水平。此外，與短暫的餐后厭食信號不同，餐后GDF15水平不會增加。在該研究領域還有很多令人感興趣的問題，例如GDF15/GFRAL信號對癌癥患者惡病質治療效果以及對胃動力、能量消耗或惡心嘔吐的影響等。GDF15/GFRAL的發(fā)現(xiàn)及研究將會給未來病理狀態(tài)下營養(yǎng)過剩和營養(yǎng)不良的治療帶來新的思路和治療靶點，而未來的研究也將會集中在肥胖或其他疾病中針對GDF15/GFRAL途徑的治療方法和具體影響。

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