楊曦 劉玉潔 馬慧娟

·綜述·

生長分化因子15與肥胖及糖尿病

楊曦 劉玉潔 馬慧娟

生長分化因子15(GDF15)屬于轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)超家族，主要表達(dá)于巨噬細(xì)胞、脂肪細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞中。作為一種新型脂肪細(xì)胞因子，GDF15具有抗炎，促進(jìn)氧化代謝，抑制食欲和減輕體重的作用，從而改善肥胖、胰島素抵抗和糖耐量。其有望成為治療肥胖和2型糖尿病的外周新靶點。

生長分化因子15；肥胖癥；糖尿病

生長分化因子15(GDF15)編碼基因是Bootcov等[1]于1997年首次從人骨髓單核細(xì)胞系統(tǒng)U937 cDNA文庫中分離出來的，最初命名為巨噬細(xì)胞抑制因子-1，由于其編碼的蛋白具有轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β超家族細(xì)胞因子的結(jié)構(gòu)學(xué)特征，因此將其歸為TGF-β超家族。大量研究發(fā)現(xiàn)，肥胖及2型糖尿病患者體內(nèi)GDF15水平升高[2-3]。本文對其在肥胖和糖尿病中的作用作一綜述。

1 GDF15的生物學(xué)特征

1.1 GDF15的基因定位和結(jié)構(gòu) GDF15基因定位于19p12-13.1，由兩個外顯子組成，這兩個外顯子被長約1 800 bp的固有序列隔開，其編碼序列具有多態(tài)性[4]。成熟的GDF15相對分子質(zhì)量為25 000，是由GDF15二聚體前體蛋白經(jīng)轉(zhuǎn)化酶裂解形成的，含有308個氨基酸，N端含有12個氨基酸的疏水性信號肽，中間為保守的蛋白酶水解位點，C端含有保守的胱氨酸結(jié)構(gòu)域。成熟型GDF15及其前體蛋白通過兩種不同的細(xì)胞通路分泌。成熟型GDF15快速進(jìn)入血循環(huán)，而GDF15前體蛋白以前肽序列的形式儲存于細(xì)胞基質(zhì)[5]。

1.2 GDF15的體內(nèi)分布和調(diào)節(jié) 除活化的巨噬細(xì)胞以外，GDF15還可以由調(diào)節(jié)代謝的器官和組織合成，主要為肝臟和脂肪組織。由此推斷，GDF15可能是一種代謝調(diào)節(jié)因子。在白色脂肪組織中，間質(zhì)血管的巨噬細(xì)胞和脂肪細(xì)胞都能分泌GDF15，表明它是一種脂肪因子。胰島素及脂肪因子如脂聯(lián)素、瘦素均能調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞對GDF15的分泌[6]。病理狀態(tài)下如氧化應(yīng)激、組織損傷、惡性腫瘤等，GDF15在病灶部位的表達(dá)顯著上調(diào)，血漿GDF15水平也顯著上升[4]。GDF15以蛋白單體、蛋白二聚體及分泌型蛋白二聚體等多種形式存在于血循環(huán)中，但各自的具體生物學(xué)功能尚不明確[7]。

2 GDF15與肥胖

GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠與野生型小鼠相比能預(yù)防遺傳性及飲食誘導(dǎo)的肥胖，有更高的胰島素敏感性和氧化代謝水平[8]。相同飲食條件下，GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠較野生型同胞小鼠體重明顯下降。其中腹膜后、性腺和腹股溝脂肪含量下降最顯著。對兩組小鼠血脂成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，普通飲食的GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠較同樣飲食的野生型小鼠血漿總膽固醇及低密度脂蛋白-膽固醇水平低。高脂飲食的GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠較同樣飲食野生型小鼠體內(nèi)低密度脂蛋白-膽固醇和甘油三酯水平降低。兩組游離脂肪酸水平差異無統(tǒng)計學(xué)意義[9]。

2.1 降低食欲 Tsai等[10]研究發(fā)現(xiàn)，與GDF15+/+小鼠相比，GDF15-/-小鼠體重顯著增加。將外源性GDF15經(jīng)滲透性微量泵注入GDF15+/+和GDF15-/-小鼠體內(nèi)，兩組體重均明顯降低，且伴有攝食量的顯著降低。將人前列腺癌細(xì)胞表達(dá)的GDF15異種移植到小鼠體內(nèi)，可導(dǎo)致小鼠體重下降、體重指數(shù)降低，這與食物攝取減少直接相關(guān)。這一過程受大腦主要攝食中樞內(nèi)細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3通路的調(diào)節(jié)[4]。Macia等[11]發(fā)現(xiàn)，GDF15降低食欲的作用47%直接作用于下丘腦弓形核，增加阿片-促黑素細(xì)胞皮質(zhì)素原的合成，34%通過作用于下丘腦 TGF-βⅡ受體，降低神經(jīng)肽Y(促進(jìn)食欲)的合成起作用。Dostlov等[12]的研究也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果。

2.2 促進(jìn)代謝活動、增加產(chǎn)熱 Chrysovergis 等[8]用間接測熱法比較GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠和野生型小鼠的產(chǎn)熱量。研究顯示，在呼吸交換率一致的條件下，不管白天還是夜間GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠的耗氧量、氣體交換及CO2的生成量均顯著高于野生型小鼠。GDF15的產(chǎn)熱量也顯著增加。GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠棕色脂肪中主要產(chǎn)熱基因，如解耦聯(lián)蛋白1、過氧化物酶體增殖物活化受體γ協(xié)同刺激因子1α、烯酯酰輔酶A水解酶1、環(huán)氧化酶8b、Ⅱ型脫碘酶、環(huán)己酮1、過氧化物酶體增殖物活化受體γ協(xié)同刺激因子1β和過氧化物酶體增殖物活化受體α的表達(dá)增加。耗氧及產(chǎn)熱量的增加表明GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠代謝更加活躍。GDF15通過增加氧耗和能量消耗，促進(jìn)氧化代謝，延緩高糖飲食誘導(dǎo)肥胖的進(jìn)展[13]。

2.3 促進(jìn)脂肪分解 體內(nèi)儲存的甘油三酯通過脂解作用分解為游離脂肪酸，進(jìn)而為機(jī)體提供能量，催化這一過程的酶包括：甘油三酯脂酶和激素敏感性脂肪酶[14]。用實時定量PCR技術(shù)測定GDF15轉(zhuǎn)基因及野生型小鼠體內(nèi)脂肪分解基因的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠白色脂肪組織中脂解基因β3腎上腺素能受體、甘油三酯脂酶和激素敏感性脂肪酶的表達(dá)增加，這與能量代謝增多一致，表明白色脂肪組織的脂解作用增強(qiáng)。其中甘油三酯脂酶的表達(dá)增加最顯著。GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠棕色脂肪中脂解標(biāo)志物的表達(dá)也增加[8]。

3 GDF15與糖尿病

糖尿病前期及糖尿病患者體內(nèi)GDF15水平均升高。其表達(dá)水平在正常糖耐量和空腹血糖受損人群中有顯著性差異。而且GDF15與胰島素抵抗密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，GDF15在改善糖尿病進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。由于糖尿病前期患者多進(jìn)展為2型糖尿病，因此對糖尿病前期的干預(yù)顯得尤為重要。有專家指出，GDF15可能成為檢測空腹血糖受損的新型標(biāo)志物[15]。

3.1 調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的表達(dá) 脂聯(lián)素是脂肪細(xì)胞分泌的主要產(chǎn)物之一，具有改善糖、脂代謝，增加胰島素敏感性及調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)等多種重要的生理功能[16]。用重組GDF15干預(yù)人脂肪細(xì)胞24 h發(fā)現(xiàn)，脂肪細(xì)胞脂聯(lián)素的分泌顯著增加，且在干預(yù)劑量為0.5 μg/L時增加最明顯[6]。進(jìn)一步研究表明，內(nèi)臟和皮下脂肪組織中GDF15 mRNA的水平與脂聯(lián)素mRNA水平呈正相關(guān)。

瘦素作為一種脂肪因子參與糖、脂肪及能量代謝的調(diào)節(jié)，促使機(jī)體減少攝食，增加能量釋放，抑制脂肪細(xì)胞的合成。糖尿病患者常伴有瘦素抵抗。Kim 等[17]對GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，這些小鼠體內(nèi)白色脂肪含量和瘦素水平顯著降低，兩者的減少量成正比關(guān)系。Wang 等[7]也發(fā)現(xiàn)，不論低脂飲食還是高脂飲食，GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠較野生型小鼠瘦素及胰島素水平均降低。由此推斷，GDF15可能通過改善瘦素抵抗，降低體內(nèi)瘦素水平。但其具體機(jī)制尚不明確。

3.2 改善胰島素抵抗 葡萄糖代謝旺盛最終促進(jìn)體內(nèi)活性氧簇的生成，活性氧簇通過損傷內(nèi)皮的抗氧化系統(tǒng)，增加脂質(zhì)過氧化，促進(jìn)糖尿病患者的胰島素抵抗[18]。高糖促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的損傷，其基本病因包括：刺激內(nèi)皮細(xì)胞中活性氧簇的生成、降低一氧化氮的生物利用度[19]。其中最主要的為活性氧簇。Li等[20]用高糖誘導(dǎo)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，高糖以活性氧簇和p53依賴的方式促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞GDF15的表達(dá)與分泌。GDF15通過激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B/內(nèi)皮型一氧化氮合酶信號通路,抑制核因子-κB/c-Jun氨基末端激酶信號通路對抗人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞凋亡過程。由此推測，GDF15以負(fù)反饋的方式下調(diào)高糖誘導(dǎo)的活性氧簇表達(dá)，從而間接改善胰島素抵抗。

3.3 增加糖耐量 GDF15在正常及高脂飲食情況下均增加糖耐量。Macia等[11]對GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行腹腔內(nèi)葡萄糖耐量試驗及胰島素耐量試驗。將GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠隨機(jī)分為正常飲食實驗組、正常飲食對照組、高脂飲食實驗組及高脂飲食對照組，實驗組給予葡萄糖靜脈注射(1 g/kg)刺激其過表達(dá)GDF15。結(jié)果顯示，實驗組較對照組糖耐量顯著增加。與對照組相比，實驗組葡萄糖曲線下面積減小更為顯著。在胰島素耐量試驗中，轉(zhuǎn)基因小鼠的血糖水平明顯下降，表明GDF15可能通過增加胰島素敏感性改善糖耐量。

總之，大量的研究證明GDF15與肥胖及2型糖尿病的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切。GDF15既能通過促進(jìn)氧化代謝、脂肪分解等機(jī)制抵抗肥胖，又能通過改善胰島素抵抗、增加糖耐量等機(jī)制延緩糖尿病的進(jìn)展。隨著研究的深入，GDF15可能為治療肥胖與糖尿病帶來新的方向。

[1] Bootcov MR, Bauskin AR, Valenzuela SM,et al. MIC-1, a novel macrophage inhibitory cytokine, is a divergent member of the TGF-beta superfamily[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 1997,94(21):11514-11519.

[2] Karczewska-Kupczewska M, Kowalska I, Nikolajuk A,et al. Hyperinsulinemia acutely increases serum macrophage inhibitory cytokine-1 concentration in anorexia nervosa and obesity[J].Clin Endocrinol (Oxf), 2012,76(1):46-50. DOI: 10.1111/j.1365-2265.2011.04139.x.

[3] Dostálová I, Roubícek T, Bártlová M,et al. Increased serum concentrations of macrophage inhibitory cytokine-1 in patients with obesity and type 2 diabetes mellitus: the influence of very low calorie diet[J].Eur J Endocrinol,2009,161(3):397-404. DOI: 10.1530/EJE-09-0417.

[4] Breit SN, Johnen H, Cook AD,et al. The TGF-β superfamily cytokine, MIC-1/GDF15: a pleotrophic cytokine with roles in inflammation, cancer and metabolism[J].Growth Factors, 2011,29(5):187-195. DOI: 10.3109/08977194.2011.607137.

[5] Bauskin AR, Jiang L, Luo XW,et al. The TGF-beta superfamily cytokine MIC-1/GDF15: secretory mechanisms facilitate creation of latent stromal stores[J].J Interferon Cytokine Res, 2010,30(6):389-397. DOI: 10.1089/jir.2009.0052.

[6] Ding Q, Mracek T, Gonzalez-Muniesa P,et al. Identification of macrophage inhibitory cytokine-1 in adipose tissue and its secretion as an adipokine by human adipocytes[J].Endocrinology, 2009,150(4):1688-1696. DOI: 10.1210/en.2008-0952.

[7] Wang X, Chrysovergis K, Kosak J,et al. hNAG-1 increases lifespan by regulating energy metabolism and insulin/IGF-1/mTOR signaling[J].Aging (Albany NY), 2014,6(8):690-704. DOI:10.18632/aging.100687.

[8] Chrysovergis K, Wang X, Kosak J, et al. NAG-1/GDF-15 prevents obesity by increasing thermogenesis, lipolysis and oxidative metabolism[J].Int J Obes (Lond), 2014,38(12):1555-1564. DOI: 10.1038/ijo.2014.27.

[9] Johnen H, Lin S, Kuffner T,et al. Tumor-induced anorexia and weight loss are mediated by the TGF-beta superfamily cytokine MIC-1[J].Nat Med, 2007,13(11):1333-1340.DOI:10.1038/nm1677.

[10] Tsai VW, Macia L, Johnen H,et al. TGF-b superfamily cytokine MIC-1/GDF15 is a physiological appetite and body weight regulator[J].PLoS One, 2013,8(2):e55174. DOI: 10.1371/journal.pone.0055174.

[11] Macia L, Tsai VW, Nguyen AD,et al. Macrophage inhibitory cytokine 1 (MIC-1/GDF15) decreases food intake, body weight andimproves glucose tolerance in mice on normal amp; obesogenic diets[J].PLoS One, 2012,7(4):e34868. DOI: 10.1371/journal.pone.0034868.

[12] Dostálová I, Kaválková P, Papezová H,et al. Association of macrophage inhibitory cytokine-1 with nutritional status, body composition andbone mineral density in patients with anorexia nervosa: the influence of partialrealimentation[J].Nutr Metab (Lond), 2010,7:34. DOI: 10.1186/1743-7075-7-34.

[13] Bartke A, Westbrook R. Metabolic characteristics of long-lived mice[J].Front Genet, 2012,3:288. DOI: 10.3389/fgene.2012.00288.

[14] Heeren J, Münzberg H. Novel aspects of brown adipose tissue biology[J].Endocrinol Metab Clin North Am, 2013,42(1):89-107. DOI: 10.1016/j.ecl.2012.11.004.

[15] Hong JH, Chung HK, Park HY,et al. GDF15 is a novel biomarker for impaired fasting glucose[J].Diabetes Metab J, 2014,38(6):472-479. DOI: 10.4093/dmj.2014.38.6.472.

[16] Lim S, Quon MJ, Koh KK. Modulation of adiponectin as a potential therapeutic strategy[J].Atherosclerosis, 2014,233(2):721-728. DOI 10.1016/j.atherosclerosis.2014.01.051.

[17] Kim JM, Kosak JP, Kim JK,et al. NAG-1/GDF15 transgenic mouse has less white adipose tissue and a reduced inflammatory response[J].Mediators Inflamm, 2013,2013:641851.DOI: 10.1155/2013/641851.

[18] Afanas'ev I. Signaling of reactive oxygen and nitrogen species in Diabetes mellitus[J].Oxid Med Cell Longev, 2010,3(6):361-373.

[19] van den Oever IA, Raterman HG, Nurmohamed MT,et al. Endothelial dysfunction, inflammation, and apoptosis in diabetes mellitus[J].Mediators Inflamm, 2010,2010:792393. DOI: 10.1155/2010/792393.

[20] Li J, Yang L, Qin W,et al. Adaptive induction of growth differentiation factor 15 attenuates endothelial cell apoptosis in response to high glucose stimulus[J].PLoS One, 2013,8(6):e65549. DOI: 10.1371/journal.pone.0065549.

Growthdifferentiationfactor-15andobesity,diabetesmellitus

YangXi*,LiuYujie,MaHuijuan.

*GraduateInstituteofHebeiMedicalUniversity,Shijiazhuang050017,China

Correspondingauthor:MaHuijuan,Email:huijuanma76@163.com

Growth differentiation factor-15 is a divergent member of the transforming growth factor-beta (TGF-β) superfamily, which mainly expressed in the macrophage cells, adipocytes and endothelial cells. As a novel adipokine, GDF15 shows many effects in anti-inflammatory, promoting oxidative metabolism, inhibiting appetite and weight loss, which can improve obesity, insulin resistance and glucose tolerance. GDF15 represents a new target for the treatment of obesity and type 2 diabetes.

Growth differentiation factor-15; Obesity; Diabetes mellitus

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2016.06.07

050017 石家莊，河北醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院(楊曦，劉玉潔)，內(nèi)科學(xué)教研室(馬慧娟)；050051 石家莊，河北省人民醫(yī)院內(nèi)分泌科(馬慧娟)

馬慧娟，Email:huijuanma76@163.com

2015-10-19)