【综述】生长分化因子15与肥胖症及相关代谢性疾病的研究进展

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文章来源：中华糖尿病杂志, 2021,13(3) : 273-277

作者：郭筱楠 龚凤英

单位：中国医学科学院　北京协和医学院　北京协和医院内分泌科　卫健委内分泌重点实验室　协和转化医学中心

摘要

生长分化因子15（GDF15）是一种主要由活化的巨噬细胞分泌的蛋白质，能够参与调控肿瘤发生、炎症反应、组织损伤等多种生物学效应。近年来研究发现，脂肪细胞也能分泌GDF15，并在肥胖症及相关代谢性疾病中发挥重要作用。在肥胖症患者中，GDF15水平代偿性升高，其不仅能够作用于中枢神经系统抑制食欲、减少摄食，还能作用于周围神经系统激活迷走神经延缓胃肠排空，刺激交感神经促进脂肪分解和产热，从而达到减重的目的。另外，在肥胖症相关代谢性疾病的发生发展中，GDF15不仅能改善糖尿病患者的胰岛素抵抗和炎症反应，抑制胰岛β细胞凋亡；还能促进非酒精性脂肪性肝病患者肝脏脂肪分解和减轻肝脏炎症反应。因此，GDF15非常有望成为未来研发肥胖症及其相关代谢性疾病药物的重要靶点。

生长分化因子15（growth differentiation factor 15，GDF15）是一种应激反应诱导的主要由活化的巨噬细胞产生的细胞因子。早期研究发现，GDF15能够调控肿瘤的生长，抑制肿瘤的转移，保护心肌细胞免受损伤［1］。近年来研究表明，GDF15在肥胖症及其相关代谢性疾病中也起着重要作用。2019年，Patel等［2］在Cell Metabolism上指出，GDF15是一种病理性营养应激因子，长期高脂膳食会刺激GDF15的表达，并会引起条件性味觉厌恶反应（conditioned taste aversion，CTA），从而减少食物摄入，降低体重。因此，GDF15作为一种营养应激的内分泌信号分子，有望成为未来减重药物研发的靶点。本文中我们从GDF15的一般情况、表达调节、与肥胖症及其相关代谢性疾病的关系进行综述。

一、GDF15的概述

1. GDF15的结构、表达、受体：1997年，Bootcov等从人单核细胞系U937细胞株的cDNA库分离得到一种新的转录本，因其能抑制巨噬细胞的活性，故被命名为巨噬细胞抑制细胞因子1。之后又被命名为GDF15、胎盘转化生长因子、非甾体类抗炎因子1、前列腺衍生因子和胎盘骨形态发生蛋白等［1］。

人类GDF15基因位于染色体19p12.1~13.1，含有2 746个碱基，包括2个外显子和1个内含子，编码由308个氨基酸构成的分泌性蛋白质。GDF15前体蛋白首先在RXXR位点处被弗林样蛋白酶水解，然后通过羧基端的链间二硫键形成相对分子质量为25 000的同源二聚体后被分泌到细胞外［1］。GDF15是转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β超家族的成员，其包含有TGF-β家族成员中特有的呈高度保守的7个半胱氨酸残基序列。GDF15主要由活化的巨噬细胞分泌。近年来研究发现，脂肪细胞也能分泌GDF15，它在正常人血浆中的浓度为100~1 200 pg/ml［3］。在生理状态下，GDF15在肝、肺、肾等组织中少量表达，在胎盘滋养层细胞中大量表达。尽管GDF15是TGF-β超家族的成员，但是它与任何已知的TGF-β受体都不能结合。近年来研究人员用cDNA转染技术，从4 000多个备选受体中筛选出了与GDF15高亲和力结合的分子——神经胶质细胞源性神经营养因子家族受体α样蛋白（GDNF-family receptor α-like，GFRAL），其主要分布在成年小鼠、大鼠和人类的脑干后区和孤束核区，是迄今为止发现的GDF15的唯一受体［4］。

2. GDF15的表达调节：早期研究表明，GDF15是一种应激反应诱导的细胞因子，组织损伤、炎性刺激、肿瘤发生均能促进GDF15的表达。研究人员发现，用四氯化碳诱导小鼠肝细胞坏死、向小鼠注射脂多糖模拟炎症刺激等均能引起小鼠GDF15水平明显升高［5, 6］。此外，在前列腺癌的发展过程中，GDF15的水平呈现时间依赖性的升高［7］。在最近的研究中，Patel等［2］发现GDF15还是一种病理性营养应激因子，其表达与摄入的营养物质、摄入的时间长短有关。用高脂膳食喂养小鼠1周后，GDF15的血浆浓度无明显变化，继续喂养至4周后，浓度增加1倍［2］。用缺乏赖氨酸的食物喂养小鼠1 h后，GDF15的水平升高约33%，4 h后升高1倍［2］。提示长期的高脂膳食和缺乏赖氨酸膳食能够促进GDF15的表达。进一步的机制研究发现，GDF15的高表达来源于两种营养物质的摄入激活了细胞的综合应激反应［2］。用应激诱导剂衣霉素处理小鼠胚胎成纤维细胞，发现成纤维细胞内真核翻译起始因子2亚单位（eukaryotic translation initiation factor-2α，EIF-2α）的磷酸化水平明显升高，其下游信号转录激活因子4（activating transcription factor 4，ATF4）、增强子结合蛋白同源蛋白（enhancer binding protein homologous protein，CHOP）的表达水平和GDF15的表达量也随之升高。进一步用EIF-2α抑制剂处理小鼠，发现GDF15的表达量明显降低［2］。在ATF4、CHOP基因敲除小鼠中也观察到同样的效应［2］。以上研究结果表明，高脂膳食或者缺乏赖氨酸膳食的摄入能够激活综合应激反应，诱导EIF-2α磷酸化，上调转录调控因子ATF4和CHOP的水平，从而促进GDF15的表达。

二、GDF15与肥胖症的关系

人体研究显示，肥胖症患者GDF15的血浆浓度显著高于正常人群，并且GDF15的血浆浓度与体质指数（body mass index，BMI）和腰臀比呈显著正相关，即BMI值和腰臀比越高，血浆GDF15浓度也越高。提示，血浆GDF15浓度与肥胖程度相关［8, 9］。另外，与人体研究相似，动物实验发现ob/ob肥胖小鼠和高脂膳食诱导的肥胖小鼠GDF15的水平也明显高于对照组［10］。进一步用GDF15处理肥胖小鼠和大鼠，发现二者的体重均明显降低；而采用GDF15抗体中和GDF15的作用后，二者的体重和体脂率均明显增加［10, 11］。提示，GDF15能明显降低体重。Tran等［8］的实验也证实了这一结论。他们发现敲除GDF15基因的高脂膳食诱导的肥胖小鼠运动能力和新陈代谢能力均明显下降，更易发生肥胖［8］。综上，GDF15是肥胖症的一个代偿性保护因子，升高的GDF15能够降低肥胖动物的体重和脂肪含量。而关于肥胖症患者中GDF15的来源，已有研究报道，脂肪细胞能分泌GDF15，肥胖症患者脂肪含量明显增加［3］。由此推测，肥胖症患者中升高的GDF15可能是由脂肪细胞分泌的。

关于GDF15减重效应的机制，目前有如下解释。研究发现，GDF15过表达能明显减少小鼠摄食，并且GDF15过表达的小鼠下丘脑弓状核内刺激食欲的神经肽Y mRNA的表达水平下降34%，抑制食欲的阿片样促黑素细胞皮质素原mRNA的表达水平升高47%［12, 13］。提示，GDF15能作用于中枢神经系统，抑制摄食相关神经肽Y的表达，激活厌食相关促黑素细胞皮质素原的表达，抑制食欲，减少体重。Patel等［2］在最近的研究中发现，GDF15 还能通过引起CTA，减少摄食，降低体重。他们分别用GDF15和氯化锂（引起CTA的典型物质）处理小鼠，结果发现，与经典的能引起CTA的氯化锂一样，经GDF15处理的小鼠在进食后胃肠产生不适反应，随迷走神经上传至下丘脑另一类与食欲控制相关的脑区——室旁核，导致摄食减少［2］。提示，GDF15可能像氯化锂一样，能通过CTA抑制食欲，减少摄食，从而降低体重。Borner等［14］在2020年的研究中也得到类似结论，并且发现，GDF15还能通过引起恶心和呕吐反应进一步减少食物摄入，减轻体重。综上，GDF15能作用于中枢神经系统与食欲相关的神经元、引起CTA和恶心呕吐反应，从而抑制食欲，减少摄食，发挥减重作用。另外，研究发现，GDF15还能进一步作用于周围神经系统发挥减重作用。研究人员发现，用GDF15处理小鼠能激活下丘脑延髓背后区，进而激动分布在肠道上的迷走神经，从而延缓胃肠排空［10］。进一步研究发现，切断小鼠双侧膈下迷走神经，小鼠肠道排空率提高，摄食增加［10］。提示，GDF15能通过激活迷走神经延缓胃肠排空来减重。除此之外，研究发现GDF15还能激动周围交感神经发挥减重作用。已有研究报道，交感神经调控脂肪组织的产热和脂解［15］。研究人员发现，GDF15转基因小鼠脂肪组织中产热和脂解相关基因表达水平与对照组相比均明显上调［16］。而使用GFRAL拮抗剂处理小鼠，小鼠脂肪组织中脂肪分解的关键酶甘油三酯脂肪酶和激素敏感性脂肪酶的表达水平均明显下调［17］。以上结果提示，GDF15能通过激动周围交感神经，促进脂肪分解和产热，从而减轻体重。Suriben等［17］向小鼠腹腔注射神经毒素6-羟基多巴胺抑制交感神经传导，发现小鼠摄食量和体重均明显降低，进一步证明了GDF15能通过周围交感神经发挥减重作用。综上，GDF15能通过作用于中枢神经系统抑制食欲、减少摄食，还能进一步通过作用于周围神经系统延缓胃肠排空、促进脂解和产热，从而达到减重的目的。

更有意义的是，2020年美国糖尿病学会年会上“班廷奖”的获得者英国剑桥大学的Stephen O′Rahilly以及Gerstein 等学者的研究团队在最近的研究［18, 19, 20］中表明，GDF15还可以介导二甲双胍的减重效应，他们的研究发现，肥胖小鼠和肥胖症患者在分别口服二甲双胍4 h和2周后，GDF15的血浆浓度均明显升高［20］。进一步研究发现，高脂膳食喂养的野生型（GDF15+/+）小鼠口服二甲双胍11 d后，小鼠食物摄入量减少，体重降低［20］。但是当高脂膳食喂养的GDF15基因敲除的（GDF15-/-）小鼠口服二甲双胍后，结果发现，与不给药物的小鼠相比，体重并没有降低［20］。同样的效应在GDF15受体GFRAL基因敲除小鼠中也观察到，而且给小鼠注射GFRAL的抗体也能阻断二甲双胍的减重效应［20］。这些结果均提示，二甲双胍的减重作用需要GDF15及其受体的参与，其能通过升高GDF15的水平，抑制摄食，减轻体重。

三、GDF15与糖尿病的关系

1. GDF15与2型糖尿病的关系：众所周知，肥胖症与2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）关系密切，其能通过引起胰岛素抵抗导致T2DM的发生。人体研究显示，T2DM伴肥胖患者GDF15的血浆浓度显著高于正常人群，GDF15与稳态模型评估胰岛素抵抗指数（homeostasis model assessment of insulin resistance，HOMA-IR）、空腹胰岛素浓度等血糖控制相关指标呈显著正相关［9，21］。也就是说，血糖控制受损情况越严重，GDF15的血浆浓度就越高。进一步研究发现，调整BMI和腰臀比后，糖耐量异常者及T2DM患者GDF15的血浆浓度仍然高于正常人群，并且T2DM患者GDF15的浓度明显高于糖耐量异常者［9，21］。提示，不同于肥胖症患者GDF15可能主要来源于脂肪细胞，T2DM患者血浆中升高的GDF15可能还有除脂肪细胞以外的其他分泌来源。Li等［22］在体外培养的人脐静脉内皮细胞的研究中发现，高血糖能诱导内皮细胞合成和分泌GDF15，后者能激活磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/内皮型一氧化氮合酶信号通路，抑制核因子-κB/Jun氨基末端激酶信号通路，减少活性氧的产生，从而抑制高血糖导致的内皮细胞凋亡。由此推测，在糖耐量异常和T2DM患者血浆中观察到升高的GDF15除了由脂肪细胞分泌外，还可能由血管内皮细胞分泌，这可能是机体对T2DM发生过程中代谢紊乱和免疫紊乱所产生的一种代偿性保护机制［23］。众所周知，M1型巨噬细胞能通过分泌炎症因子引起胰岛素抵抗。在动物实验中，用GDF15处理全身胰岛素抵抗且脂肪组织中大量浸润M1型巨噬细胞的大鼠后，其HOMA-IR值下降40%［24］。进一步研究发现，与对照组相比，大鼠脂肪组织中促炎型M1型巨噬细胞比例降低，而抗炎型M2型巨噬细胞比例升高［24］。另外，还有研究发现，GDF15能抑制巨噬细胞表达M1型相关炎症分子，如肿瘤坏死因子-α，激活表达M2型相关抗炎分子，如TGF-β［25, 26］。这些研究结果提示，GDF15能通过减少促炎性M1型巨噬细胞，增加抗炎性M2型巨噬细胞，从而改善脂肪组织的胰岛素抵抗。综上，GDF15在T2DM患者中代偿性升高，其能通过抑制高血糖诱导的氧化应激、改善脂肪组织的胰岛素抵抗和炎症反应，从而影响T2DM的发生和发展。

2. GDF15与1型糖尿病的关系：1型糖尿病是一种由促炎因素导致胰岛β细胞破坏，血糖升高的内分泌疾病［27］。2019年，Nakayasu等［28］在人体研究中发现，1型糖尿病患者胰腺组织中GDF15的水平明显下降。动物实验发现，GDF15过表达的小鼠1型糖尿病的发病率明显降低，小鼠胰腺组织内炎症程度以及淋巴细胞和单核细胞的浸润程度也明显减轻。细胞水平的研究发现，用GDF15干预胰岛β细胞能显著抑制促凋亡蛋白酶caspase-3的裂解。以上结果提示，GDF15能够通过减轻胰腺组织炎症，抑制胰岛β细胞凋亡，从而抑制1型糖尿病的发生和发展。

四、GDF15与非酒精性脂肪性肝病的关系

非酒精性脂肪性肝病（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）发病与肥胖相关，是一类包括单纯性非酒精性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎（nonalcoholic steatohepatitis，NASH）、脂肪性肝纤维化、肝硬化等疾病的临床综合征。人体研究显示，NAFLD伴肥胖患者GDF15的表达显著高于正常人群，NAFLD晚期纤维化患者GDF15的表达也明显高于NAFLD早期患者，并且GDF15的水平与肝脏硬度显著正相关［29］。进一步观察肝脏组织切片发现，肝细胞气球样变、小叶炎症以及纤维化的严重程度越高，GDF15的表达水平也越高。对BMI和HOMA-IR等因素调整后，NAFLD患者GDF15的表达仍然高于正常人群。提示，与糖尿病患者类似，NAFLD患者表达增多的GDF15除了由脂肪细胞分泌外，可能还有其他的分泌来源。Kazankov等［30］发现，NAFLD小鼠肝脏内巨噬细胞浸润增加。已有研究报道，活化的巨噬细胞能分泌GDF15［3］，由此推测，NAFLD患者中增多的GDF15还可能来自巨噬细胞。进一步的机制研究发现，GDF15转基因的NASH小鼠肝脏脂肪变性、炎症以及纤维化程度与对照组相比均明显改善［31］。Kim等［31］发现，GDF15过表达能促进脂肪酸β氧化基因的表达，抑制纤维化相关基因的表达，从而改善NASH。Li等［32］在GDF15转基因的单纯性非酒精性脂肪肝小鼠中也观察到同样的效应。此外，还有研究发现，GDF15能显著抑制白细胞整合素激活蛋白——Ras相关蛋白1的活化，减少肝脏内中性粒细胞的聚集，减轻肝脏的炎症反应［33］。综上，在NAFLD患者中，GDF15水平升高。其能促进肝脏脂肪分解，抑制肝脏纤维化，减轻炎症反应，从而抑制NAFLD的发展。

但是关于GDF15与NAFLD的关系，也有结论不一致的情况。Tanno等［34］认为，GDF15能明显抑制肝细胞内铁调节素的分泌，诱导肝细胞凋亡，导致NAFLD的发展。Koo等［29］发现，GDF15过表达能诱导人肝星形细胞纤维化因子磷酸化，诱导肝细胞纤维化，促进 NAFLD的发展。目前关于GDF15与NAFLD的关系，尚需要进一步深入的研究。

综上所述，GDF15是一种主要由活化的巨噬细胞分泌的蛋白质。研究发现，GDF15不但在肿瘤发生、炎症反应、组织损伤等过程中起到重要的调控作用，而且在肥胖症及其相关代谢性疾病的发生发展过程中也起到了关键性作用。在肥胖症患者中，GDF15的水平代偿性升高，其能通过中枢神经系统抑制食欲、减少摄食，通过周围神经系统延缓胃肠排空、促进脂肪分解和产热，从而发挥减重作用。另外，GDF15还能改善胰岛素抵抗，减轻炎症反应、抑制胰岛β细胞凋亡，从而抑制糖尿病的发生发展。此外，GDF15还能通过促进肝脏脂肪分解、抑制肝细胞纤维化、减轻炎症反应等机制参与NAFLD的发生发展。尤其是GDF15及其受体能够介导二甲双胍的减重作用，使我们对二甲双胍抑制食欲的减重机制有了更进一步的了解。因此，鉴于GDF15与肥胖症及其相关代谢性疾病之间的紧密关系，GDF15非常有望在未来成为研发肥胖症及其相关代谢性疾病药物的重要作用靶点。

参考文献  略

来源：中华糖尿病杂志