成纤维细胞生长因子5研究进展

雷蕾 包鹏甲 梁春年 褚敏 阎萍

（中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所 甘肃省牦牛繁育工程重点实验室，兰州 730050）

成纤维细胞生长因子5是一种由FGF5基因编码的分泌信号蛋白，属于成纤维细胞生长因子家族（FGFs）。FGF5最初被定义为一种人类致癌基因［1］，随后Hebert等［2］发现其对小鼠毛发生长具有抑制作用。后续的部分研究都相继证明了FGF5对于哺乳动物毛发生长的重要调节作用，即促进毛囊发育由生长期到退行期的转变，进而抑制毛发生长。

此外，FGF5与动物肢体的发育、人类高血压的形成及多种癌症有着密切联系。Clase等［3］研究发现，FGF5作为一种促细胞分裂剂来刺激间充质成纤维细胞的增殖，促进结缔组织如软骨膜的形成，并抑制分化的骨骼肌的发育。Allerstorfer等［4-5］研究发现，FGF5通过自分泌和旁分泌促进人多形性胶质母细胞瘤的恶化。Berger等［6］研究证明FGF5及其主要受体FGFR1介导的信号可作为人多形性胶质母细胞瘤的治疗靶点。Ghassemi等［7］在研究黑色素瘤时发现，FGF5基因在黑色素瘤组织中大量表达，并对黑色素瘤的增长存在着潜在的促进作用。Feng等［8］在对肝细胞癌的研究中发现，miR-188-5通过直接靶向FGF5基因抑制肝癌细胞的增殖和转移。Liu等［9］在对影响中国汉族人血压高低的基因研究中发现，FGF5基因的突变会引起人血压的变化和患高血压风险的增高。

本文主要对成纤维细胞生长因子5的生物学功能及其在疾病研究中的研究成果进行综述，以期为其在人类毛发生长、肢体发育以及肿瘤诊治等领域中的进一步研究及合理开发利用提供理论依据。

1 FGF5概述

迄今为止，已有包括FGF5在内的23种FGFs被鉴定出。FGF5是一种由268个氨基酸组成的蛋白质序列，分子量约为29.1 kD。同时FGF5基因通过mRNA选择性剪切，能生成由123个氨基酸组成的蛋白剪接变体FGF5s［10-11］。小鼠FGF5基因包括3个外显子，FGF5s由于选择性剪接和移码突变导致其缺乏与第二外显子对应的区域以及第三外显子对应的大部分区域［12］。大多数成纤维细胞生长因子广泛存在于各组织中，而FGF5在胎儿中表达量较高，成年个体中表达量较低。在对哺乳动物毛发生长的研究中，FGF5表达于毛囊的外根鞘内以及毛囊周围的巨噬细胞中，在毛发生长的末期，即休止期达到最高表达量［13-14］。

同大多数FGF家族成员一样，FGF5也是一种糖胺聚糖结合蛋白，与细胞分裂和细胞存活密切相关，并且参与多种生物过程，包括胚胎发育、细胞生长、形态发生、组织修复、肿瘤生长和侵袭［15］。与其他FGFs相同，在蛋白质或辅因子结合蛋白聚糖和胞外蛋白的调控作用下，FGF5与其特定的酪氨酸激酶受体相互作用，会激活多个包括P13K-KAT、PLCyRAS-MAPK和STAT在内的细胞信号通路，进而调节成熟组织的代谢功能、修复和再生［16-17］。

2 FGF5的生物学功能

2.1 FGF5与毛发生长

毛发生长周期由3个阶段组成：生长期，退行期和休止期［18］。FGF5是启动毛囊发育由兴盛期到退行期过渡的关键信号分子。最早的研究发现，通过对小鼠FGF5基因同源性的破坏，会导致小鼠长毛表型性状的出现。许多对具有长发表型动物的遗传研究中，FGF5基因的突变都会破坏其表达，导致毛囊发育兴盛期的延长，从而引起异常长毛的表型性状出现。这一现象通常被称为安哥拉突变，已在许多物种，包括猫［19］、狗［20］、小鼠［21］、仓鼠［22］、豚鼠［23］、兔子［24-25］、驴［26］、山羊［27］和绵羊［28］中得到了证实。在Wang等［27］的研究中，他们对克什米尔山羊胚胎显微注射Cas9mRNA和sgRNAs，靶向编辑MSTN和FGF5基因，进行山羊的基因改良。结果表明FGF5基因的敲除导致了克什米尔山羊皮肤组织中次级毛囊数量的增加和毛纤维的增长，同时未对山羊的其他性状造成影响。这项研究中成功利用基因编辑技术，在形态学和遗传水平上对山羊的表型性状进行了人为改良，为动物绒毛资源利用及品种培育开扩了新的思路。

随后，在对中国美利奴羊的研究中也证实了基因编辑技术对优化羊毛产量的可行性，Li等［28］发现通过基因靶向阻断FGF5的活性可能会促进绵羊羊毛的生长，并导致羊毛纤维长度和油脂产量的增加。Zhang等［29］在针对山羊生产性状的全基因组的选择性扫描研究中发现，FGF5基因的第三外显子的一处同义突变与山羊的羊绒产量及体重相关，他们认为该突变可作为提高山羊产绒量的研究中的分子标记，或利用基因控制的方法培育高产绒性能山羊时的潜在靶点。miRNA在毛囊发育中的调控机制也是近年来有关提高经济动物绒毛产量研究中的热点之一。Ma等［30］研究发现，辽宁绒山羊毛囊发育不同时期，miR-let7a表达量有显著差异，同时与其靶基因FGF5的表达量呈负相关。该研究为绒山羊毛囊发育miRNA的调控机制奠定了基础，也进一步验证了FGF5是影响毛囊发育的重要基因之一。皖西安哥拉兔（长毛）和白獭兔（短毛）的杂交后会产生毛长不等的子代，Zhao等［31］以毛长有显著差异的两组子代为研究对象，采集皮肤组织进行转录组测序，对与毛囊发育相关候选基因进行RT-qPCR验证，发现FGF5，WNT5A，BMP4，BMP7四种基因在毛长不同的个体中的表达量具有显著差异。

FGF5基因的蛋白剪切变体FGF5s，在许多研究已经被确定为FGF5的拮抗剂，在Suzuki等［12］的研究中，对小鼠进行皮下注射FGF5蛋白和FGF5s蛋白后，发现FGF5蛋白在毛囊发育的兴盛期抑制了毛发的生长，同时促进了毛囊发育从兴盛期到退行期的过渡。FGF5s蛋白单独注射时不会影响毛发的生长，但将其与FGF5蛋白同时注射时，它能够显著抑制FGF5蛋白对毛囊退行期的促进作用。另有研究［23］显示，FGF5基因的隐形无义突变（c.403C＞T）与家养豚鼠的长毛表型相关。在对鲸类从陆地到水生环境的过渡过程中脱发机制的研究中，Chen等［32］发现FGF5基因的正向选择可能促进了毛发生长的终止及毛囊发育提前进入退行期，由此导致了毛囊生长循环周期的破坏，同时由于Hr（Hairless）基因功能的丧失，形成了鲸类在适应水生环境的变化中的无毛现象。

FGF5也被认为是人类毛发生长过程中的关键调节因子。在人类身体的不同部位，如睫毛、躯干或头皮，毛发纤维会生长成不同的长度，并且这些部位的毛囊的生长期也各不相同。例如，在头皮上，毛囊的生长期长达几年，而休止期仅持续3个月，这导致了较长毛发的生长。相反，其他身体部位的毛发较短，是由于毛囊生长期仅持续几周，而休止期持续数月［33-34］。Higgins等［35］以两个患有家族性睫毛粗长症的具有血缘关系的巴基斯坦家庭中的30个成员为研究对象，通过纯合子定位法，结合整个外显子序列测序，在FGF5基因中发现了不同的致病突变。同时在后续的毛囊器官培养中，发现FGF5促进了人毛囊发育由兴盛期到退行期的过渡。由此将FGF5定义为人类毛发生长的重要调节因子，并将其确定为选择性调节睫毛生长的治疗靶点。

人类脱发治疗也是一直以来备受关注的问题，科学有效的治疗方法较少。Burg等［36］将FGF5作为治疗靶点，筛选从植物中提取的分子，发现单萜族分离物对FGF5的抑制作用明显。这种抑制作用在临床研究中的表现为：毛囊生长期的延长，脱发现象的减少及头发密度的改善。

总而言之，FGF5在哺乳动物毛发生长周期中主要起着促进毛囊从生长期到退行期的过渡作用，通过体内或体外对其功能的破坏能够有效的延长毛囊生长期，从而改善毛发的生长。

2.2 FGF5与肢体发育

肢体的结缔组织包括肌腱、韧带、软骨膜、软骨和骨。这些不同类型的组织是由特定的前体细胞形成的，包括结缔组织成纤维细胞、软骨细胞和成骨细胞，而这些都是由间充质细胞分化而来［37］。由于成纤维细胞生长因子家族（FGFs）成员控制着许多类型的间充质细胞在培养过程中的增殖和分化，所以也常被作为调控肢体器官形成过程的候选基因。

此外，FGFs与其相关的受体在肢体器官发育过程中不同的部位都有表达［38］。FGF5基因在近腹侧部位间充质细胞的表达决定了肢体的发育，在腹侧部间充质细胞中的表达决定了股骨的形成。这种限制性的发育表达模式表明，FGF5可以定向促进肢体内特定细胞系的发育，从而控制肢体器官的形成。

Clase等［3］为了进一步研究FGF5在肢体发育过程中的作用，以鸡胚后肢为研究对象，利用逆转录病毒表达系统进行FGF5基因的异位表达，结果发现FGF5基因的异位表达能够抑制肢体骨骼肌的发育，同时促进一类特定类型的肢体结缔组织前体细胞，即成纤维细胞的增殖，从而导致了软骨膜的扩张。软骨膜及软骨膜细胞在骨和软骨生长发育及损伤修复中起着重要作用。这些研究证明FGF5在胚胎发育过程及肌肉老化和疾病调控中，能够有效调节骨骼肌肌肉的纤维化和骨骼肌肌纤维变性。

3 FGF5与疾病的关系

3.1 FGF5与多形性胶质母细胞瘤

多形性胶质母细胞瘤（Glioblastoma multiforme）多见于成人，是一种神经胶质瘤，具有极高的浸润性，可大范围转移，与健康的脑组织混合后几乎无法通过外科手术去除。多形性胶质母细胞瘤的形成与恶化受到一些生长因子及其相关受体的促进作用，最主要的包括表皮生长因子受体和血小板衍生生长因子受体［39］。

同时，在已有的研究中，成纤维细胞生长因子家族中的FGF2和FGF9及受体FGFR1和FGFR4的表达模式也与多形性胶质母细胞瘤的恶性程度相关。Allerstorfer等［40］在对49例多形性胶质母细胞瘤组织标本进行细胞培养的过程中发现，FGF5及其高亲和性受体FGFR1 IIIC同时具有高表达，且两者的表达水平随着肿瘤恶化程度的增强而升高。同时，在人血管内皮细胞增殖及血管形成试验中，他们发现FGF5基因对内皮细胞的增殖、迁移和血管形成均具有促进作用。

由此，FGF5被认为是一种致癌因子，并且能够刺激肿瘤新生血管的生成，促进多形性胶质母细胞瘤恶化。结合已有的关于其他成纤维细胞因子及其高亲和性受体的研究［41-42］，FGF5及其受体FGFR1作为治疗人多形性胶质母细胞瘤的有效靶点，具有非常广阔的研究前景。

3.2 FGF5与黑色素瘤

黑色素瘤是来源于黑色素细胞的一类恶性肿瘤，常见于皮肤，亦见于黏膜、眼脉络膜等部位。过去，FGFs中关于黑色素瘤的相关研究大多集中于FGF2［43-44］。Ghassemi等［7］研究发现，FGF5 在黑色素瘤组织中大量表达，并可能对体外黑色素瘤细胞的存活和侵袭以及体内黑色素瘤的生长有促进作用。同时其主要受体FGFR1在黑色素瘤细胞中表达量很高，很有可能是受FGF5转导的自分泌信号所刺激的。

人黑色素瘤细胞中低内源性FGF5的表达会加强黑色素瘤细胞的增殖和侵袭，而FGF5基因的沉默以及高内源性FGF5的表达则具有相反的结果。在免疫功能低下的小鼠的体内试验中，对人黑色素瘤移植瘤过表达FGF5，结果显示FGF5促进了肿瘤的生长，减少了细胞的凋亡同时促进了血管的生成。免疫组织化学结果显示在50%以上的样本中能检测到FGF5蛋白的表达，这些数据揭示了FGF5在黑色素瘤细胞中具有潜在的致癌作用及其作为黑色素瘤治疗靶点的可能性。

3.3 FGF5与肝细胞癌

肝细胞癌是成人中最常见的原发性肝癌，也是肝硬化患者最常见的死亡原因［45］。Fang等［8］在对肝细胞癌转移相关miRNAs的研究中发现miR-188-5p的异位表达载体内外均能抑制肝癌细胞的增殖和转移。而在此项研究中，FGF5被认为是miR-188-5p主要的靶向基因，miR-188-5p的增强表达显著抑制FGF5基因的表达，恢复FGF5的表达反过来又能抵消miR-188-5p对肝癌细胞增势和转移的抑制作用。这项研究证明了miR-188-5p通过靶向FGF5基因对肝细胞癌具有一定的抑癌作用，具有作为肝细胞癌潜在的治疗靶点的可能性，也意味着FGF5作为成纤维细胞生长因子家族的一员，与FGF8和FGF19一样，在肝细胞癌研究领域存在着潜在的研究价值。

3.4 FGF5与高血压

高血压是一种常见的心血管疾病，是全球性的健康问题之一，在中国的发病率也在逐渐上升［46］。根据2007-2008年的中国糖尿病及代谢紊乱研究的数据，我国有26.6%的成年人患有高血压，造成了严重了经济负担与健康问题［47］。高血压的病因涉及多种因素之间相互作用。相关性较高的因素包括体重指数（BMI），吸烟，饮酒，盐的摄入及身体锻炼［48］。据估计，有30%-60%的高血压是由遗传因素造成的［49］。在多个群体中的全基因组关联研究已经确认了多个遗传变异。Liu等［9］对中国汉族人群（n=3210）的8个基因（FGF5、CYP17A1、MTHFR、ZNF652、PLCD3、ATP2B1和c10orf107）内或附近的变异位点进行了基因分型，利用Logistic回归分析结合广义线性分析，分别对各个突变位点与高血压，BMI，腰围及高敏C反应蛋白（hs-CRP）的相关性进行了检测。结果发现，FGF5基因的一个突变位点（FGF5-rs16998073）与高血压呈现出显著相关，与BMI，腰围及hs-CRP的变化没有明显的关联。同时，该位点的突变对汉族人群高血压的影响明显高于欧洲白种人。据此他们推断FGF5基因的突变可能会导致高血压的产生。在Li等［50］在对7 319名中国成年人的4种高血压易感基因变异体的遗传相关性的研究中发现，FGF5基因的一个突变位点（FGF5-rs1458038）与心脏的收缩压及舒张压显著相关，而且随着BMI的增高，变异效应增强。这项研究证明BMI越高，FGF5基因的位点突变引起高血压产生的效应就越明显。

在中国儿童群体中，一项关于高血压易感基因位点与肥胖之间的关联研究以及基因之间的互作研究显示，FGF5-rs16998073，MTHFR-rs1801133及CSK-rs1378942这三个突变位点的遗传风险评分与肥胖指数呈正相关。此外，这些位点间的互作分析显示MTHFR和FGF5基因之间存在着潜在的互作关系。该研究进一步验证了FGF5基因的突变与儿童高血压显著相关，同时遗传与环境因素对儿童肥胖也存在一定影响［51］。Ren等［52］在对原发性高血压患者外周血FGF5基因表达的研究中发现，与正常组相比，试验组患者外周血细胞及外周血中FGF5基因的mRNA的表达量及蛋白水平显著升高，相关性分析显示FGF5蛋白水平与收缩压及舒张压呈正相关，同时FGF5基因的一个突变位点（FGF5-rs16998073）的遗传变异也与舒张压及收缩压呈正相关。由此可见，FGF5作为高血压易感基因之一，有待更深入的研究，为心血管疾病治疗提供理论依据。

4 结语

FGF5作为成纤维细胞生长因子家族的一员，具备多种生物学功能。在哺乳动物毛发生长过程中，FGF5具备的关键调节作用已成为近年来的研究热点，无论是人毛发生长，还是动物品种培育及绒毛资源利用中都展现出极高的应用价值。同时，在动物肢体发育中，FGF5也具备一定的研究价值。最后，在人类肿瘤、癌症及高血压等疾病的研究中，FGF5作为一个潜在的治疗靶点，有待更深一步的探索，为人类健康研究提供新思路。