肥胖及代谢相关疾病治疗新靶点GDF15/GFRAL信号通路的研究进展

徐传洋　王昭维　何磊　逄志骏　朱一超　李维娜　李正民

[摘要] 生长分化因子15（GDF15）是转化生长因子-β超家族的成员之一，参与能量稳态、体重调节和由癌症、慢性疾病导致的恶病质等多种生物过程。GDF15分子能够控制食物摄入和能量代谢，这使得其在肥胖症和厌食症等能量摄入紊乱疾病的治疗中具有重要意义。由于缺乏其确定的受体、信号传导机制和目标组织，该分子的生物学功能的进一步研究受到了限制。GDNF家族α样受体（GFRAL）最近被鉴定为GDF15分子的受体，负责介导控制能量摄入和能量代谢调节的生物学效应。GDF15/GFRAL信号通路的发现为肥胖及代谢相关疾病的治疗提供了新的思路。本文简要概述了GDF15能量维稳的生物学功能及GFRAL受体的发现对该领域的影响。

[关键词] 生长分化因子15;能量稳态;肥胖症;代谢疾病

[中图分类号] R723.14 Q51          [文献标识码] A          [文章编号] 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

生长分化因子15（growth differentiation factor 15，GDF15）是转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族成员之一。GDF15分子根据被发现时的组织来源或功能被赋予不同的名称：巨噬细胞抑制因子-1（MIC-1）、胎盘骨形态发生蛋白（PLAB）、胎盘转化生长因子-β（PTGF-β）、非甾体抗炎药激活基因-1（NAG-1）、前列腺衍生长因子（PDF）等[1-6]。研究[7]表明，体内GDF15水平在妊娠期、组织损伤、疾病发生时，明显升高，且与肿瘤、心血管以及肾脏等疾病的不良预后密切相关。GDF15转基因小鼠和基因敲除小鼠模型的构建首次发现体内GDF15水平高的小鼠体重低于体内GDF15低的小鼠的现象，促使了GDF15在厌食、癌症恶病質和肥胖等能量稳态中潜在作用的研究[8-9]。但由于GDF15机制研究还不完善，其介导的各种生物学效应的细胞受体和主要的靶向组织也尚不明确，其生物学功能的研究也受到了限制。在初步探索GDF15后，诺和诺德（Novo Nordisk）、杨森（Janssen）、礼来（Eli Lilly and Company）、默克（Merck）四家制药公司的实验室同时宣布了对GDF15识别受体——GDNF家族α样受体（GFRAL）的发现[10-14]。该受体的发现开启了对GDF15研究的新时代，包括阐明GDF15在细胞中相关下游信号的传导和体重调节中具体的作用机制。针对该途径治疗肥胖症、厌食症和恶病质的新型药理学研究将会成为研究热点。

1 GDF15的分子特征

GDF15保守的基因结构属于典型的TGF-β超家族成员类型，含两个外显子，并由一个约3 kb的内含子隔开。GDF15多肽包括信号肽、前肽区和羧基端的成熟区，与超家族其他成员不同的是具有相对较低的序列相似性和独特的链内羧基端的半胱氨酸结区域的二硫键。GDF15前体多肽通过羧基端的链间二硫键形成稳定的同源二聚体，水解除去氨基端前肽后，产生并分泌成熟的25 kD同源二聚体[15]。普遍认为GDF15启动子具有很多的調节位点，包括p53、EGR-1、Sp1、CHOP和SMAD2/3[16-21]。未加工GDF15的前肽可被分泌，并与细胞外基质结合储存，并能在适当的刺激下被快速释放[20]。GDF15在肾脏、肝脏、肌肉、脂肪以及女性怀孕期的胎盘等多种组织中高表达[1，6，18-19]。人体内GDF15水平介于100～1200 pg/mL，但运动、组织损伤以及癌症、心血管和肾脏疾病等会导致GDF15的升高。体内GDF15水平通常与体重减轻和预后不良有关[22]。由于这些较强的关联性，GDF15在多种疾病中作为标志物及其在癌症和炎症过程中的潜在作用已成为许多研究的热点[23-24]。

2 GDF15和体重调节

GDF15表达和循环水平与体重差异相关。GDF15在患有肥胖症的小鼠、大鼠和人体内循环水平升高[25-27]。与营养过剩状态下GDF15小幅上升相反，人体内GDF15水平的大幅上升与体重减轻有关[28]。肥胖患者在胃旁路手术前血浆GDF15水平较高，而术后体重减轻后GDF15水平会更高[29]。对这些看起来矛盾的结果的一种解释是，GDF15分子可能是肥胖症代偿机制中的一部分，限制了营养过剩时期的能量摄入。厌食症是癌症恶病质的组成部分，其导致的营养不良所致体重减轻是癌症晚期整体状况下降的重要因素。在检查恶病质患者体内GDF15的研究中，经历恶病质致使体重下降的患者较体重稳定的患者GDF15的水平更高[9，29-31]。恶病质和体重减轻也是肾脏和心脏慢性疾病患者的严重并发症。在慢性肾脏疾病透析患者的研究中，体重指数（BMI）较低的患者体内GDF15水平较高[9，32]，提示血浆GDF15与BMI呈负相关。同样，在慢性心力衰竭（CHF）中，BMI最低的患者中观察到最高水平的GDF15[29]。GDF15和体重减轻之间的关联性在啮齿动物中也是保守的，这使得GDF15水平成为影响体重的重要因素。过表达GDF15的转基因小鼠模型表现出较低的体重、较少的脂肪量和葡萄糖耐受的改善的现象[8-9]。在高脂饮食饲养中，GDF15的过表达还可以减轻小鼠肥胖、肝脏脂肪变性和葡萄糖的不耐受程度[33-34]。转染GDF15的异种移植前列腺肿瘤细胞的小鼠通过给予鼠源的GDF15抗体逆转了食物摄入减少和体重减轻的情况[9]。当提供饮食选择时，给予GDF15治疗的小鼠选择性地降低它们的脂肪而不是蛋白质或碳水化合物的摄入量，提示调节饮食偏好是GDF15调节能量摄入的一个组成部分[27]。GDF15能够在肠道神经元床上富集，并减缓胃排空，影响饱食感，进而减少食物摄入[10，27]。GDF15对食物偏好和胃动力的多效性具有重要意义。

3 GFRAL的鉴定

GDF15对体重影响的重要性使得众多实验室去寻求介导这种生物效应的受体。GDF15是TGF-β家族成员，但GDF15与任何已知的TGF-β受体都不能直接结合[10-12，35-37]。通过对人类细胞膜相关蛋白进行筛选，最终鉴定出神经胶质细胞系衍生的神经营养因子（glial-cellline-derived neurotrophic factor，GDNF）家族的GFRAL为GDF15的唯一受体[10-12，14]。GDF15以高亲和力结合GFRAL，但不与GDNF受体家族的其他成员结合[11-12，14]，而GFRAL也仅结合GDF15而不结合任何其他GDNF相关配体[10]。GFRAL在结合GDF15后与辅助受体RET结合形成复合物，能够观察到GDNF家族典型的细胞信号，包括RET、AKT、ERK和PLC-γ1的磷酸化[10-12]。GFRAL mRNA和蛋白仅限于脑干，特别是在成年小鼠、大鼠、猴子和人类极后区（area postrema，AP）的神经元中，也有报道[10-12，14]，GFRAL在孤束核（nucleus of the solitary tract，NTS）附近的核内表达。胚胎的神经中枢中GFRAL表达更广泛，提示其对生长发育有独特作用[38]。对成人脑干GFRAL定位与既往研究[39]结果一致，提示极后区和孤束核是GDF15发挥厌食作用所必需的。GDF-15结合区域和下游信号通路[40]见图1。

GFRAL是GDF15产生初始的厌食作用所必需的。即刻早期基因FOS的诱导是神经元激活的标志物，不仅在极后区GFRAL阳性的神经元中表达以应答GDF15分子，而且存在于孤束核、下丘脑和降钙素基因相关肽（CGRP）阳性神经元、臂旁核和中央杏仁核中[9，12，31-41]，提示GDF15在已知控制摄食行为的中心具有触发神经元激活的能力。GDF15在缺乏瘦素、GLP-1和黑皮质素受体4（MC4R）的啮齿动物中依然能够诱导体重减轻，提示GDF15/GFRAL体系控制食物摄入的作用独立于其他途径[18]。在60%高脂饮食条件下，提高GDF15水平使缺乏GFRAL的小鼠比正常同窝小鼠消耗更多的食物并获得更多的脂肪量和体重[11，14]。敲除GFRAL，饮食诱导的肥胖则加剧了葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗。顺铂是已知会引起厌食的化疗药，在顺铂治疗中，GDF15升高和缺乏GFRAL的小鼠对治疗诱导的厌食和体重减轻具有抗性[12]。以上研究表明，内源性GDF15/GFRAL信号传导是应激条件下代谢稳态不可或缺的。

4 针对GDF15/GFRA信号通路的治疗机遇

4.1 GFRAL的激活

激活GFRAL减少食物摄入和减轻体重有望成为一种抵抗肥胖的策略，最直接的方法是提供配体GDF15。但天然GDF15半衰期在小鼠和非人灵长类动物体内约为3 h[27]。尽管存在这种限制，每日给予肥胖非人类灵长类动物天然GDF15，仍能有效降低体重，并改善代谢参数[27]。天然蛋白质的药代动力学特性可以通过增加分子大小或利用FcRn再循环机制来增强，这两种机制可以通过与人血清白蛋白（HSA）或免疫球蛋白G（IgG）的Fc部分融合來实现[42]。融合HSA或Fc的GDF15分子不影响其生物学功能，但将半衰期从数小时延长至数天。单次给予HSA-GDF15融合蛋白足以减少食物摄入[11]。每周重复给予肥胖灵长类动物Fc-GDF15融合蛋白，持续6周，会减少食物摄入和减轻体重，并降低三酰甘油以及改善葡萄糖稳态[27]。

4.2 GDF15/GFRAL的拮抗作用

GFRAL缺失后能够预防顺铂诱导的体重减轻，提示可以利用GDF15/GFRAL途径的抑制剂来限制慢性疾病、癌症或化疗引起的厌食或恶病质[12]。在多种人异种移植肿瘤诱导的癌症恶病质小鼠模型中，使用GDF15的抗体逆转了体重的减轻，并恢复了肌肉和脂肪组织的含量[9，24]。与对照组动物比较，施用抗GDF15抗体，阻断了GDF15对肥胖小鼠的影响，导致食物摄入量和体重的增加。上述实验提示利用GDF15/GFRAL途径的拮抗作用是有效的，但该途径不限于GDF15靶向，因为抗GFRAL抗体同样可以拮抗Fc-GDF15在大鼠中的厌食作用[14]。

5 总结与展望

GDF15分子能够控制食物摄入和能量代谢，这推动了靶向GDF15对病理状态下的营养过剩（肥胖）和营养不良（厌食/恶病质）潜在功能的研究。GFRAL是一种定位于极后区神经元、GDF15介导的厌食症所必需的受体，该配体-受体关系已经勾勒出一种控制能量稳态的新型通路。尽管与控制食物摄入的其他内分泌因子具有一些相同特征（在外周代谢组织中表达，在大脑中靶向神经元），但GDF15从其他几个角度来看似乎是有独特特征的。例如，GDF15/GFRAL的调节有利于在许多条件下增加和维持其广泛的组织表达水平。此外，与短暂的餐后厌食信号不同，餐后GDF15水平不会增加。在该研究领域还有很多令人感兴趣的问题，例如GDF15/GFRAL信号对癌症患者恶病质治疗效果以及对胃动力、能量消耗或恶心呕吐的影响等。GDF15/GFRAL的发现及研究将会给未来病理状态下营养过剩和营养不良的治疗带来新的思路和治疗靶点，而未来的研究也将会集中在肥胖或其他疾病中针对GDF15/GFRAL途径的治疗方法和具体影响。

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