成纤维细胞生长因子 21：从生理作用到临床研究*

付坤综述，柳景华审校

成纤维细胞生长因子 21：从生理作用到临床研究*

付坤综述，柳景华审校

成纤维细胞生长因子 21(FGF21) 是FGF家族中的新成员。目前研究显示，FGF21 是一个新的糖脂代谢调节因子，有望成为治疗糖尿病等代谢性疾病的新型药物。FGF21能改善胰岛功能，促进葡萄糖的吸收，减少脂肪的堆积。FGF21是FGFs家族中没有促有丝分裂的基因，并且有明显的组织特异性，从而大大降低了临床用药的风险。随着代谢性疾病人群的增多，FGF已成为国际上的研究热点。本文描述FGF21的功能及研究进展。

FGF21；糖脂代谢；游离脂肪酸；胰岛素抵抗

1 成纤维细胞生长因子 21的结构

成纤维细胞生长因子 21( fibroblast growth factor，FGF21)是最新被发现的一个FGFs成员，属于FGF19亚族。所有旁分泌FGFs分子，调节生物应答是通过黏附和激活细胞表面络氨酸激酶受体。肝素或者类肝素硫酸盐作为辅因子[1]是区分内分泌FGFs与自分泌和旁分泌FGFs的关键。研究人员推测FGF19亚族不与硫酸肝素牢固结合，使得这些生长因子避免了被其生成组织的硫酸肝素滞留，从而具有了内分泌信号传递功能。FGF21主要在肝脏表达，在骨骼肌、胰腺β细胞和脂肪组织也有表达。柳景华等[2]研究表明心肌细胞与心脏微血管内皮细胞中FGF21基因有表达。人源FGF21基因位于19号染色体。FGF21其N端区域和C端区域发挥着不同的生物学功能， 即N端氨基酸参与FGF受体的相互作用，C端氨基酸则与β-Klotho蛋白的相互作用[3]，β-Klotho是FGF21调节血糖和脂质代谢所必须。FGF21通过β-Klotho作为一个锚定去激活FGFR介导的信号通路，完成相应的特异性功能。Smith等[4]应用Avimer蛋白代替FGF21的C端和β-Klotho结合区域。这种替换与野生型FGF21功能没有区别。这项研究对改造FGF21亲和力等具有相当意义。现在的研究已经阐明对于FGF21，FGFR1c 是一个优先受体。

2 成纤维细胞生长因子 21的生物学作用

在肝脏中FGF21调节糖脂代谢受到过氧化物酶体增 殖 物 激 活 受 体 α（peroxisome proliferator-activated receptors α，PPARα）调节，通过PPARα配体可以刺激FGF21表达。而在脂肪细胞中，FGF21受过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptors γ，PPARγ）调节。

2.1循环中的成纤维细胞生长因子 21

FGF21在多种组织培养和动物模型中具有潜在的生物学作用。FGF21在鼠类肝脏的表达可以通过禁食诱导，需要通过PPARα介导。在肝脏中FGF21诱导糖异生、脂肪酸氧化和生酮，但不刺激糖原分解。在禁食早期FGF21不发挥突出的作用，如果延长禁食和饥饿状态时FGF21刺激生酮和糖异生。实际上，在禁食72小时中血浆FGF21没有升高，但在人体研究中，在饥饿7天后FGF21会升高。给予PPARα激动剂可使血浆FGF21水平升高30%。Li等[5]研究发现在小鼠中维甲酸受体β（retinoic acid receptor beta，RARβ）刺激FGF21在肝脏中的表达，并提高脂肪酸氧化和能量代谢。这些表明FGF21有希望成为治疗2型糖尿病和代谢性疾病的药物。FGF21降低肝脏甘油三酯水平与肝脏脂肪基因表达下降相关[6]。普通剂量FGF21不能激活信号通路，大剂量FGF21才能激活信号通路。

2.2成纤维细胞生长因子 21在脂肪组织中对糖脂代谢的作用

FGF21在脂肪组织受到PPARγ激动剂所诱导，这些激动剂包括一些脂肪酸和胰岛素增敏剂（噻唑啉二酮类如罗格列酮和吡格列酮）。Kharitonenkov等研究表明FGF21是通过增加3T3-L1 细胞和人前脂肪细胞中葡萄糖载体-1 (GLUT-1) 的表达来增加非胰岛素依赖的葡萄糖摄取的。与胰岛素介导的快速利用葡萄糖不同， FGF21葡萄糖摄取方面的效应可持续几个小时。FGF21对葡萄糖摄取的作用是非胰岛素依赖性的，而且与胰岛素共同作用时可以增加摄取葡萄糖的效应。在肥胖小鼠同时给予FGF21和胰岛素，降血糖幅度比单用胰岛素更大，这表明胰岛素和FGF21之间存在叠加作用。FGF21也能提高甘油三酯在脂肪细胞中的分解。在脂肪细胞中，FGF21与PPARγ形成一个闭合环，通过自分泌方式去放大PPARγ激活作用[7]。脂肪组织合成的FGF21以自分泌的方式发挥功能，不释放至血液中发挥内分泌作用，所以血浆中的FGF21水平保持不变。

2.3成纤维细胞生长因子 21在肝脏中对糖脂代谢的作用

肝脏来源的FGF21可以分泌至血液中，从而升高血浆中的FGF21水平而发挥全身作用，FGF21能被游离脂肪(free fatty acids，FFAs)、禁食和在进食后的碳水化合物所诱导。除此以外，葡萄糖也通过碳水化合物反应元件

结合蛋白（carbohydrate response element binding protein，ChREBP）激活诱导FGF21基因在肝脏的表达[8]。FGF21基因有PPARα反应元件，在禁食期间，FGF21在肝脏表达受到PPARα控制。PPARα、脂肪酸可以作为内源性的信号配体发挥作用。FGF21在禁食时提高脂肪酸氧化，转而生成酮体。丁酸钠是FGF21基因表达的一个新的诱导剂，可以在小鼠肝脏中通过抑制组蛋白脱乙酰基酶3（histone deacetylase 3，HDAC3）发挥作用。HDAC3通过从PPARα的编码基因移除乙酰基，抑制PPARα的表达。HDAC3活性受到抑制，使PPARα恢复表达，从而使FGF21基因的转录增加[9]。其他还有对FGF21基因表达有激活作用如在禁食时激活转录因子4（transcription factor 4，TF4）[10]。在小鼠糖异生的诱导中，可以诱导过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1α(peroxisome proliferators-activated receptor γcoactivator 1，PGC-1α)在肝脏中的转录。Arafat等[11]研究表明，胰高血糖素升高血浆中的FGF21不依赖于内源性胰岛素水平。FGF21参与胰高血糖素诱导的脂肪分解，也促进糖原分解。乳糜颗粒和极低密度脂蛋白颗粒水平是进食后FGF21浓度的很好的预测指标，比禁食或者饮食后使用血浆FFA预测更有价值[12]。

2.4成纤维细胞生长因子 21在生长中的作用

在哺乳动物中，减少热量的摄入会导致骨骼发育减慢和对生长激素（growth hormone，GH）不敏感，但潜在的分子机制没有完全阐明。在FGF21转基因小鼠中，循环中的胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）浓度大约减少50%。信号转导蛋白和转录激活物5（signal transducer and activator of transcription 5,STAT5），一个在GH应答中主要的IGF-1转录调节子，在FGF21转基因鼠的表达比野生型少40%～50%。生长滞后不能归因于生长激素浓度的减少，因为基础生长激素浓度仅轻度升高。这些数据表明FGF21导致的“生长激素抵抗”是机体通过抑制生长来作为适应饥饿的反应。FGF21抑制生长激素诱导的STAT5信号，而生长激素通过STAT5直接刺激FGF21基因在肝脏的转录，至少是部分[13]。但FGF21敲除小鼠与同窝野生小鼠比较，表现为更大胫骨和体重。在饮食受限后，每天注射合成的人FGF21可以抑制这些不同[14]。在人体中FGF21对生长激素激活作用仍然在研究。

研究表明，在人体中也发现，寒冷环境中FGF21能增加产热和脂肪分解。FGF21能够通过血脑屏障，FGF21在中枢神经系统中的作用和食物摄入及能量消耗调节相关。

3 成纤维细胞生长因子 21在病理状态中的作用

一些研究表明在人体中循环FGF21水平不能通过短期的禁食、生酮饮食或者因神经性厌食而升高，认为这里可能存在不同于啮齿动物和其他哺乳动物的FGF21调节。有代谢综合征的患者，体力活动和FGF21密切相关。这个相关性在年轻妇女参加2周的体育活动后也被证实，和基础水平比较，FGF21明显升高。FGF21的全身效应很复杂。在生理浓度FGF21能增加对营养的摄取。FGF21在调节进食和禁食通路中起非常重要作用，如甘油三酯的合成。在进食后，葡萄糖和脂肪酸被转化成甘油三酯，而禁食期间大多数游离脂肪酸又被重新酯化成甘油三酯。这也解释为什么FGF21被报道刺激或者抑制脂肪水解。Holland等[15]研究FGF21能刺激脂联素分泌，更为重要的是，脂联素敲除小鼠能抵消FGF21的代谢方面的作用。

3.1成纤维细胞生长因子 21与肥胖和胰岛素抵抗

胰岛素抵抗使脂肪细胞膜上胰岛素受体敏感性下降，细胞内糖代谢的能力下降，脂肪分解代谢抑制减弱[16]。Fisher等[17]研究表明肥胖和胰岛素抵抗导致FGF21抵抗在人群中发生。Hale等[18]发现FGF21血浆浓度在饮食诱导的肥胖小鼠和糖尿病小鼠中升高8～16倍，同时β-Klotho、FGFR-1c和FGFR-2c在这两种小鼠的白色脂肪组织中明显下调，但是内源性升高的FGF21水平低于rhFGF21治疗浓度的50%，所以作者认为在胰岛素抵抗和肥胖模型小鼠中，没有证据表明存在明显的FGF21抵抗。肝脏来源的FGF21表达升高可能是局部代谢变化的结果。FGF21水平升高的生理、病理状态中也有游离脂肪酸和葡萄糖的升高。因此FGF21升高的可能机制，尤其在病理条件，是为了提高FFA的氧化和葡萄糖利用来抵消其在体内组织的糖脂毒性。这点需要进一步的研究。

在动物模型中，超重和糖尿病与FGF21表达下降有关。许多研究表明FGF21水平在肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病中普遍升高，在脂肪肝和高甘油三酯血症也是一样。高FGF21水平常和疾病严重程度有相关性。在OB小鼠中肝脏FGF21 信使核糖核酸（mRNA）水平升高12倍。从这些研究中就有人提出FGF21抵抗的概念，这和高瘦素血症和高胰岛素血症类似。然而胰岛素抵抗小鼠的详细研究没有显示明显的FGF21抵抗，在小鼠中FGF21对代谢负荷的反应比在人体中明显，这说明存在明显的种属差异。同时这也受到很多激素影响，比如甲状腺激素刺激肝脏FGF21 mRNA表达和升高FGF21血浆水平，然而这点在人类中没观察到。

3.2成纤维细胞生长因子 21与其他疾病

肾功能不全可出现FGF21水平升高，这与肾小球滤过率呈负相关[19]。脉冲式分泌。Planavila等[20]研究，FGF21基因敲除小鼠中，心脏体积扩大，表现为心脏重量增加，心肌肥厚和心功能不全，而给予FGF21后能逆转这种变化。目前越来越多的人关注FGF21在碳水化合物和脂质代谢的作用。已经有报道其在胰腺炎和败血症中的保护作用，但在人类中这样治疗的相关性尚未明确[21]。

4 成纤维细胞生长因子 21临床应用

代谢综合征和2型糖尿病的发病率在全球范围逐渐增多。Bobbert等[22]对440名高加索人平均随访5年的研究发现，FGF21可以作为代谢综合征和2型糖尿病的独立预测因子。Lenart-Lipinska等[23]对87例糖尿病患者进行2年的随访发现，FGF21对2型糖尿病患者的心血管事件有预测价值。Li等[24]对808名中国人进行前瞻性的研究表明，FGF21浓度是非酒精性脂肪肝的一个独立预测因子，这对早期诊断和干预非酒精性脂肪肝具有价值。Tan等[25]研究发现，在妊娠期糖尿病妇女中，血浆FGF21水平高于对照组，但和对照组比较，脑脊液中的FGF21水平没有明显差异。有趣的是，妊娠期糖尿病妇女脑脊液FGF21水平与血浆FGF21水平的比值明显降低。Lee等[26]研究表明，在甲状腺功能低下的患者中，FGF21血浆浓度明显

下降。关于FGF21在人类中的治疗试验还是很有限，由于循环中蛋白的半衰期短，使维持足够高的治疗浓度以达到预期效果很困难，这需要我们去研究一些在血液循环中具有更长半衰期的活性分子[27]。通过其他方式也可能成功，如设计抗体使FGFRs活性延长[28]。Smith等[29]通过新型抗FGFR1c/β-Klotho 双重特异性蛋白，能模拟FGF21的作用。

5 小结

随着代谢综合征患者的逐年增多，对于其相关药物的开发越来越受到重视。随着FGF21在动物实验及临床研究的深入，如改善β细胞功能和存活的作用，使其有望成为替代胰岛素治疗糖尿病的新药。但动物实验及临床实验中亦有相矛盾之处，这需要今后进一步的研究。血浆FGF21水平的升高可能表明FGF21抵抗或者对糖脂毒性的代偿作用，提示需要超生理剂量的FGF21去发挥其生物学作用。另外FGF21在代谢性疾病等血浆水平的升高，使其能否成为相关疾病早期诊断和评估的分子标记物，这也是需要进一步研究的方向。

[1] Itoh N, Ornitz DM. Fibroblast growth factors: from molecular evolution to roles in development, metabolism and disease. J Biochem, 2011, 149: 121-130.

[2] 柳景华, 吕昀, 张立克, 等. 成纤维细胞生长因子21基因在心脏中表达的研究. 心肺血管病杂志, 2009, 28: 415-418.

[3] Micanovic R, Raches DW, Dunbar JD, et al. Different roles of N- and C- termini in the functional activity of FGF21. J Cell Physiol, 2009, 219: 227-234.

[4] Smith R, Duguay A, Weiszmann J, et al. A novel approach to improve the function of FGF21. Bio Drugs, 2013, 27: 159-166.

[5] Li Y, Wong K, Walsh K, et al. Retinoic acid receptor beta stimulates hepatic induction of fibroblast growth factor 21 to promote fatty acid oxidation and control whole-body energy homeostasis in mice. J Biol Chem, 2013, 288: 10490-10504.

[6] Xu J, Lloyd DJ, Hale C, et al. Fibroblast growth factor 21 reverses hepatic steatosis, increases energy expenditure, and improves insulin sensitivity in diet-induced obese mice. Diabetes, 2009, 58: 250-259.

[7] Dutchak PA, Katafuchi T, Bookout AL, et al. Fibroblast growth factor-21 regulates PPARgamma activity and the antidiabetic actions of thiazolidinediones. Cell, 2012, 148: 556-567.

[8] Uebanso T, Taketani Y, Yamamoto H, et al. Paradoxical regulation of human FGF21 by both fasting and feeding signals: is FGF21 a nutritional adaptation factor? PLoS One, 2011, 6: e22976.

[9] Li H, Gao Z, Zhang J, et al. Sodium butyrate stimulates expression of fibroblast growth factor 21 in liver by inhibition of histone deacetylase 3. Diabetes, 2012, 61: 797-806.

[10] De Sousa-Coelho AL, Marrero PF, Haro D. Activating transcription factor 4-dependent induction of FGF21 during amino acid deprivation. Biochem J, 2012, 443: 165-171.

[11] Arafat AM, Kaczmarek P, Skrzypski M, et al. Glucagon increases circulating fibroblast growth factor 21 independently of endogenous insulin levels: a novel mechanism of glucagon-stimulated lipolysis? Diabetologia, 2013, 56: 588-597.

[12] Matikainen N, Taskinen MR, Stennabb S, et al. Decrease in circulating fibroblast growth factor 21 after an oral fat load is related to postprandial triglyceride-rich lipoproteins and liver fat. Eur J Endocrinol, 2012, 166: 487-492.

[13] Yu J, Zhao L, Wang A, et al. Growth hormone stimulates transcription of the fibroblast growth factor 21 gene in the liver through the signal transducer and activator of transcription 5. Endocrinology, 2012, 153: 750-758.

[14] Kubicky RA, Wu S, Kharitonenkov A, et al. Role of fibroblast growth factor 21 (FGF21) in undernutrition-related attenuation of growth in mice. Endocrinology, 2012, 153: 2287-2295.

[15] Holland WL, Adams AC, Brozinick JT, et al. An FGF21-adiponectinceramide axis controls energy expenditure and insulin action in mice. Cell Metab, 2013, 17: 790-797.

[16] 郑峥, 赵冬．代谢综合征 (1)代谢综合征的研究进展(续前). 中国循环杂志, 2011, 26: 87-88.

[17] Fisher FM, Chui PC, Antonellis PJ, et al. Obesity is a fibroblast growth factor 21 (FGF21)-resistant state. Diabetes, 2010, 59: 2781-2789.

[18] Hale C, Chen MM, Stanislaus S, et al. Lack of overt FGF21 resistance in two mouse models of obesity and insulin resistance. Endocrinology, 2012, 153: 69-80.

[19] Stein S, Bachmann A, Lossner U, et al. Serum levels of the adipokine FGF21 depend on renal function. Diabetes Care, 2009, 32: 126-128.

[20] Planavila A, Redondo I, Hondares E, et al. Fibroblast growth factor 21 protects against cardiac hypertrophy in mice. Nat Commun, 2013, 4: 2019.

[21] Adams AC, Coskun T, Rovira AR, et al. Fundamentals of FGF19 & FGF21 action in vitro and in vivo. PLoS One, 2012, 7: e38438.

[22] Bobbert T, Schwarz F, Fischer-Rosinsky A, et al. Fibroblast growth factor 21 predicts the metabolic syndrome and type 2 diabetes in Caucasians. Diabetes Care, 2013, 36: 145-149.

[23] Lenart-Lipinska M, Matyjaszek-Matuszek B, Gernand W, et al. Serum fibroblast growth factor 21 is predictive of combined cardiovascular morbidity and mortality in patients with type 2 diabetes at a relatively short-term follow-up. Diabetes Res Clin Pract, 2013, 101: 194-200.

[24] Li H, Dong K, Fang Q, et al. High serum level of fibroblast growth factor 21 is an independent predictor of non-alcoholic fatty liver disease: a 3-year prospective study in China. J Hepatol, 2013, 58: 557-563.

[25] Tan BK, Sivakumar K, Bari MF, et al. Lower Cerebrospinal Fluid/ Plasma Fibroblast Growth Factor 21 (FGF21) Ratios and Placental FGF21 Production in Gestational Diabetes. PLoS One, 2013, 8: e65254.

[26] Lee Y, Park YJ, Ahn HY, et al. Plasma FGF21 levels are increased in patients with hypothyroidism independently of lipid profile. Endocr J, 2013, 60: 977-983.

[27] Veniant MM, Komorowski R, Chen P, et al. Long-acting FGF21 has enhanced efficacy in diet-induced obese mice and in obese rhesus monkeys. Endocrinology, 2012, 153: 4192-4203.

[28] Wu AL, Kolumam G, Stawicki S, et al. Amelioration of type 2 diabetes by antibody-mediated activation of fibroblast growth factor receptor 1. Sci Transl Med, 2011, 3: 113 ra 126.

[29] Smith R, Duguay A, Bakker A, et al. FGF21 can be mimicked in vitro and in vivo by a novel anti-FGFR1c/beta-Klotho bispecific protein. PLoS One, 2013, 8: e61432.

2013-09-27)

（编辑：漆利萍）

国家自然科学基金（81070227）；北京市教育委员会科技计划面上项目（km201110025019）

100029 北京市，首都医科大学附属北京安贞医院 北京市心肺血管疾病研究所 心内科28病房

付坤 主治医师 硕士 主要从事冠心病介入治疗 Email:fukun0624@sina.cn 通迅作者：柳景华 Email: liujinghua@vip.sina.com

R541

A

1000-3614（2014）04-0309-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2014.04.019