生长分化因子11在延缓衰老中的作用

生长分化因子11在延缓衰老中的作用

刘晓光赵淋淋田向阳肖卫华

(上海体育学院运动科学学院，上海200438)

关键词〔〕生长分化因子11；大脑；心脏；骨骼肌；衰老

中图分类号〔〕R34〔文献标识码〕A〔

基金项目：国家自然科学基金(No.31300975)；教育部博士点基金(No.20133156120004)

通讯作者：肖卫华(1981-)，男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事运动健身与疾病康复的生物学机制研究。

第一作者：刘晓光(1990-)，男，硕士，主要从事运动健身与疾病康复的生物学机制研究。

人体的衰老表现为肌肉质量和数量减少，肌力下降，骨基质减少，骨密度降低，骨骼变的脆而薄，大脑记忆等功能减退，视听觉能力减弱，心脏收缩力量下降，心输出量减少等〔1～4〕。最新的研究表明生长分化因子(GDF)11可以逆转增龄引起的骨骼肌功能紊乱〔5〕，逆转因增龄引起的心脏肥大〔6〕，改善大脑的脉管系统和神经发生能力，使大脑年轻化〔7〕，促进成骨细胞的形成，抑制骨质疏松等〔8〕。目前国外对GDF11延缓衰老作用的研究大多是从单一角度进行的。本文将国外关于GDF11延缓衰老方面的最新进展加以梳理，使之系统化，为老年人健康促进提供理论支持。

1GDF11的结构与表达

1.1GDF11的结构GDF11也叫骨形态发生蛋白(BMP11)，人体GDF11蛋白包括407个氨基酸，大鼠有405个，都具有BMP家族成员的特征，有分泌型信号肽序列，有一个RXXR蛋白酶剪切位点，羧基末端有高度保守的半胱氨酸残基，C末端有9个半胱氨酸残基〔9〕。GDF11包含3个外显子和2个内含子，GDF11羧基端成熟区肽链有111个氨基酸〔10〕。GDF11和肌生成抑制蛋白(MSTN/GDF8)非常相似，他们来源于同一个祖先基因，在羧基末端有90%的氨基酸序列相同〔9〕。GDF11最先作为前体蛋白表达，然后经蛋白酶水解，才能生成GDF11蛋白与GDF11前肽〔11,12〕。GDF11属于转化生长因子(TGF)-β超家族中的一员,TGF-β超家族包括50多种结构相关的分泌蛋白，在细胞的增殖、分化和维持内环境稳态的过程中发挥着重要的作用。

1.2GDF11的表达小鼠GDF11基因的表达非常丰富，在脾脏中的表达量最高，它广泛存在于肌肉、脑、肾脏、肠胃、胰腺、尾芽、牙髓、神经组织、嗅觉上皮等〔5,6,9,13〕。Gamer等〔9〕发现在胚胎发育的过程中，小鼠的胚胎原位杂交发现GDF11的转录主要在三个地方，尾芽、四肢和脊背神经组织，另外在肾脏中也可以检测到GDF11的强烈表达。GDF11在胚胎期大脑和成体大脑中都表达，包括在丘脑、海马、纹状体、视前区、下丘的外层、中脑腹部的各种核团及后脑前部都可检测到GDF11〔13〕。在小鼠视网膜的发育过程中，GDF11的表达始于胚胎期，这时的视网膜神经节细胞(RGCs)刚刚开始分化。从此时起至出生后第1天，整个视网膜区域内均可检测到GDF11的表达〔14〕。Jeanplong〔15〕发现在小鼠腓肠肌快速增长期，GDF11的表达量明显升高。此外他还发现GDF11存在性别的差异性，其中雄性小鼠高于雌性小鼠。GDF11存在种属间的差异性，其中小鼠GDF11水平明显高于人类，斑马鱼体内GDF11水平明显的大于哺乳动物〔16〕。GDF11的表达有年龄的差异性，研究发现小鼠和人体GDF11的水平在老年时明显低于年轻时的水平〔8〕。

2GDF11对老年心脏的影响

2.1GDF11可逆转增龄引起的心脏肥大心脏是人体最重要的器官之一，主要负责提供血液流动的动力，使其流向全身各处。但是随着年龄的增长，心脏的功能也在减退，可能出现增龄性心肌肥大，使心肌收缩功能受损，甚至危及生命〔3,17〕。

Loffredo等〔6〕通过外科手术将两个小鼠连接在一起，使他们的血液能够相互循环，叫做异种同生〔18〕。如果这一对小鼠是相同年龄，那么他们叫做异种同时共生，如果是不同的年龄，就叫做异时异种共生。经过4w后发现，异时异种共生的老龄鼠和同时异种共生的老龄鼠相比心脏质量/胫骨长度明显变小，心肌细胞明显变小，心房利钠肽(ANP)和脑钠素(BNP)在心脏的转录水平明显降低，而心肌浆网钙ATP酶(SERCA-2)转录水平明显较高〔19，20〕。他们认为可能是年轻小鼠的某种系统因子抑制老年鼠心脏的肥大。随后他们发现老年小鼠和年轻小鼠相比机体GDF11的水平下降。异时异种共生的老龄鼠比异种同时共生的老龄鼠机体GDF11的水平高,且机体GDF11的水平随着老年人不断的衰老而持续下降。他们猜测可能是系统因子GDF11在对老年心脏起作用。于是他们给23个月的高龄小鼠注射rGDF11或者生理盐水，30d后发现，心脏重量和胫骨长度的比值明显比注射生理盐水的低，标志心脏肥大的分子明显比注射生理盐水组增高。这个结果和异时异种共生老龄鼠表现一致。这就表明，恢复机体GDF11水平，可以明显改善老年鼠心脏肥大，恢复老年鼠机体GDF11的水平可以延缓增龄引起的心脏肥大，因此GDF11作为预防和治疗增龄引起的老年人心脏肥大的药物具有很高的应用前景。

2.2心脏功能改善的细胞学基础心肌细胞是组成心脏的基础。Loffredo等〔6〕实验发现GDF11可以直接作用于心肌细胞，抑制叉头状转录因子的磷酸化。他们用亮氨酸渗入法培养新生的心肌细胞，在血清饥饿后，新生的小鼠心肌细胞用3种不同浓度的rGDF11或者MSTN处理24h，接着用3H标记亮氨酸和苯福林处理24h。发现加入50nmol/L的rGDF11和苯福林诱导的3H亮氨酸混合液抑制了心肌细胞分化，但是用相同浓度的MSTN处理并不能产生相同的结果。心肌细胞用无血清培养基培养15min，或者用含有rGDF11或者MSTN的培养基激活。GDF11和MSTN激活细胞表现为Psmad2和Psmad3大幅度增加，和激活TGF-β途径一致，抑制了叉头状转录因子的磷酸化。而且组织学研究发现GDF11存在于相邻的心肌细胞间的闰盘〔21,22〕。

3GDF11对老年大脑的影响

3.1GDF11可改善老年大脑脉管系统和神经再发生能力老年人大脑的功能会下降，可出现大脑动脉血管硬化，供血不足〔4〕、神经元数量降低，神经系统功能衰退等等，使肢体反应迟钝〔23〕。

Katsimpardi等〔7〕发现与同时异种联体共生的老年小鼠相比，异时异种联体共生的老年小鼠大脑神经干细胞再生能力和脉管系统都得到改善，促进了嗅觉神经发生，并且提高了嗅觉能力。而且发现注射GDF11的老龄鼠血管容量比注射PBS的老龄鼠增加了50%。

3.2老年大脑脉管系统和神经再发生能力改善的细胞学基础GDF11改善老年大脑脉管系统功能可能与血管内皮细胞有关。体外实验证明，GDF11可作用于大脑毛细血管内皮细胞，或者至少可部分作用于毛细血管内皮细胞。Katsimpardi等〔7〕发现，用rGDF11作用于内皮细胞,可激活这些细胞TGF-β信号通路，表现为SMAD级联磷酸化增加。然后用rGDF11(40ng/ml)作用于初级的大脑毛细血管内皮细胞，发现rGDF11可促进大脑毛细血管内皮细胞增殖。Katsimpardi等〔7〕的研究表明，GDF11能够直接作用于大脑毛细血管内皮细胞，并促进毛细血管内皮细胞的增殖，改善老年大脑的脉管系统，还能在一定程度上修复增龄引起的神经发生功能损害。

4GDF11对老年骨骼肌的影响

4.1GDF11可改善增龄引起的骨骼肌功能紊乱肌肉对维持人体稳定性和提供人类运动所需的动力发挥着至关重要的作用，而且肌肉组织占人体体重的大部分。随着年龄的增加，肌肉的机构和功能会发生改变，表现为肌肉质量和肌纤维数量减少，肌纤维向I型肌纤维转化，肌肉中线粒体的数量减少，功能紊乱〔1〕。肌卫星细胞的数量减少，功能下降〔24〕，从而影响老年人骨骼肌再生能力。

哈佛大学的Sinha教授发现，恢复老年小鼠机体GDF11的水平可以逆转因增龄引起的骨骼肌功能紊乱〔5〕。他们给小鼠注射rGDF11，28d后低温冻伤胫骨前肌，然后连续7d注射rGDF11。结果发现，补充rGDF11的老龄鼠的损伤肌肉中，再生肌纤维的数量和横断面积与对照组相比均增加。但在老年未损伤组，补充5wrGDF11，并未引起年轻和老年未损伤鼠肌纤维横断面积的增加。而且实验发现，用rGDF11治疗的老年鼠的耐力和握力明显比未接受rGDF11的老年鼠提高。40min剧烈运动后他们表现出清除机体乳酸的能力有所提高，和较低的血糖水平。

4.2骨骼肌功能改善的细胞学基础骨骼肌损伤的修复主要与肌卫星细胞有关〔25,26〕，GDF11对老年鼠骨骼肌的影响可能与肌卫星细胞有关。Sinha等〔5〕给老年鼠注射重组rGDF11,4w后用流式细胞术检测肌卫星细胞。发现肌卫星细胞的数量与注射前相比明显增加，且提高了DNA的完整性，但年轻小鼠则无此显著变化。体外用rGDF11培养老年肌卫星细胞发现多细胞核的肌管数量增加，线粒体的数量增多，功能增强。这说明恢复老年机体GDF11水平可以直接或者间接对肌卫星细胞起作用，使肌卫星细胞的数量增加。恢复机体的GDF11水平还能够改善线粒体的功能与结构，提高肌肉的持久性和耐力。但并非所有研究都认为GDF11可改善骨骼肌功能，如Jeanplong〔15〕发现GDF11可以通过自分泌或者旁分泌的形式抑制成肌细胞的分化，发挥着和MSTN相似的功能。表明GDF11在骨骼肌具有多重功能，对它的研究还有待进一步深入。

5GDF11对老年骨质的影响

5.1GDF11可促进成骨细胞形成，抑制老年鼠骨质疏松随着年龄的增加，老年人骨的骨质丢失，容易引起骨质疏松〔2〕。骨质疏松在老年人群中属于多发性疾病，会严重影响老年人的生活质量，并且增加死亡率〔27〕。老年人骨质疏松大部分是因为年龄的增加而引起的，主要表现为骨质减少，骨强度变低，骨的脆性增大〔28〕。

Zhang等〔8〕研究发现患有骨质疏松的患者机体GDF11的水平较正常人低，小鼠模型中也是这样。随着老年化的进行，在血浆和骨髓中GDF11水平急剧下降，获得骨质疏松的概率增加。药理学补充GDF11，恢复机体GDF11水平，GDF11能够促进过氧化物酶体增生物激活受体(PPAR)-γSUMO化修饰，抑制了PPAR-γ的活性，使骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，成骨细胞数量显著增加，抑制了骨髓间充质干细胞形成脂肪。

5.2骨质改善的细胞学基础Zhang等〔8〕用DMI做脂肪分化分析，发现经过GDF11作用，抑制了MDI混合液脂肪的分化，减少了脂肪特异性基因的表达。他们发现通过GDF11作用能够提高PPAR-γ的SUMOylation的水平〔29〕。他们发现通过GDF11作用能够抑制PPAR-γ作为一个转录因子的活性，因为GDF11过度表达抑制了PPAR-γ诱导激活293Tcell中的ACC和FABP4使他们的表达下降。因此GDF11通过促进PPAR-γSUMOylation抑制PPAR-γ的活性，进而抑制了骨髓间充质干细胞分化成脂肪，促进成骨细胞的形成，延缓了骨质疏松。

6总结

GDF11在体内发挥了多重生物学作用：GDF11可作用于心脏，延缓增龄引起的心脏肥大，提高老年鼠心脏功能；作用于大脑毛细血管内皮细胞，可改善大脑的脉管系统和神经发生能力；作用于骨骼肌卫星细胞，可促进老年鼠肌卫星细胞的增殖，提高老年鼠的握力和耐力；作用于骨骼，可促进成骨细胞的发生，抑制脂肪细胞的形成，延缓骨质疏松。因此，GDF11在衰老组织器官的修复方面能够发挥非常重要的作用，在老年人健康促进方面具有极好的应用价值。可以估计，GDF11将成为下一步科学研究的新热点，随着对它研究的深入，GDF11将为人类在抗衰老和治疗因衰老相关的疾病方面提供新思路、新策略。

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〔2015-01-11修回〕

(编辑滕欣航)