生長分化因子11在延緩衰老中的作用

生長分化因子11在延緩衰老中的作用

劉曉光趙淋淋田向陽肖衛華

(上海體育學院運動科學學院，上海200438)

關鍵詞〔〕生長分化因子11；大腦；心臟；骨骼肌；衰老

中圖分類號〔〕R34〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：國家自然科學基金(No.31300975)；教育部博士點基金(No.20133156120004)

通訊作者：肖衛華(1981-)，男，副教授，博士，碩士生導師，主要從事運動健身與疾病康復的生物學機制研究。

第一作者：劉曉光(1990-)，男，碩士，主要從事運動健身與疾病康復的生物學機制研究。

人體的衰老表現為肌肉質量和數量減少，肌力下降，骨基質減少，骨密度降低，骨骼變的脆而薄，大腦記憶等功能減退，視聽覺能力減弱，心臟收縮力量下降，心輸出量減少等〔1～4〕。最新的研究表明生長分化因子(GDF)11可以逆轉增齡引起的骨骼肌功能紊亂〔5〕，逆轉因增齡引起的心臟肥大〔6〕，改善大腦的脈管系統和神經發生能力，使大腦年輕化〔7〕，促進成骨細胞的形成，抑制骨質疏松等〔8〕。目前國外對GDF11延緩衰老作用的研究大多是從單一角度進行的。本文將國外關于GDF11延緩衰老方面的最新進展加以梳理，使之系統化，為老年人健康促進提供理論支持。

1GDF11的結構與表達

1.1GDF11的結構GDF11也叫骨形態發生蛋白(BMP11)，人體GDF11蛋白包括407個氨基酸，大鼠有405個，都具有BMP家族成員的特征，有分泌型信號肽序列，有一個RXXR蛋白酶剪切位點，羧基末端有高度保守的半胱氨酸殘基，C末端有9個半胱氨酸殘基〔9〕。GDF11包含3個外顯子和2個內含子，GDF11羧基端成熟區肽鏈有111個氨基酸〔10〕。GDF11和肌生成抑制蛋白(MSTN/GDF8)非常相似，他們來源于同一個祖先基因，在羧基末端有90%的氨基酸序列相同〔9〕。GDF11最先作為前體蛋白表達，然后經蛋白酶水解，才能生成GDF11蛋白與GDF11前肽〔11,12〕。GDF11屬于轉化生長因子(TGF)-β超家族中的一員,TGF-β超家族包括50多種結構相關的分泌蛋白，在細胞的增殖、分化和維持內環境穩態的過程中發揮著重要的作用。

1.2GDF11的表達小鼠GDF11基因的表達非常豐富，在脾臟中的表達量最高，它廣泛存在于肌肉、腦、腎臟、腸胃、胰腺、尾芽、牙髓、神經組織、嗅覺上皮等〔5,6,9,13〕。Gamer等〔9〕發現在胚胎發育的過程中，小鼠的胚胎原位雜交發現GDF11的轉錄主要在三個地方，尾芽、四肢和脊背神經組織，另外在腎臟中也可以檢測到GDF11的強烈表達。GDF11在胚胎期大腦和成體大腦中都表達，包括在丘腦、海馬、紋狀體、視前區、下丘的外層、中腦腹部的各種核團及后腦前部都可檢測到GDF11〔13〕。在小鼠視網膜的發育過程中，GDF11的表達始于胚胎期，這時的視網膜神經節細胞(RGCs)剛剛開始分化。從此時起至出生后第1天，整個視網膜區域內均可檢測到GDF11的表達〔14〕。Jeanplong〔15〕發現在小鼠腓腸肌快速增長期，GDF11的表達量明顯升高。此外他還發現GDF11存在性別的差異性，其中雄性小鼠高于雌性小鼠。GDF11存在種屬間的差異性，其中小鼠GDF11水平明顯高于人類，斑馬魚體內GDF11水平明顯的大于哺乳動物〔16〕。GDF11的表達有年齡的差異性，研究發現小鼠和人體GDF11的水平在老年時明顯低于年輕時的水平〔8〕。

2GDF11對老年心臟的影響

2.1GDF11可逆轉增齡引起的心臟肥大心臟是人體最重要的器官之一，主要負責提供血液流動的動力，使其流向全身各處。但是隨著年齡的增長，心臟的功能也在減退，可能出現增齡性心肌肥大，使心肌收縮功能受損，甚至危及生命〔3,17〕。

Loffredo等〔6〕通過外科手術將兩個小鼠連接在一起，使他們的血液能夠相互循環，叫做異種同生〔18〕。如果這一對小鼠是相同年齡，那么他們叫做異種同時共生，如果是不同的年齡，就叫做異時異種共生。經過4w后發現，異時異種共生的老齡鼠和同時異種共生的老齡鼠相比心臟質量/脛骨長度明顯變小，心肌細胞明顯變小，心房利鈉肽(ANP)和腦鈉素(BNP)在心臟的轉錄水平明顯降低，而心肌漿網鈣ATP酶(SERCA-2)轉錄水平明顯較高〔19，20〕。他們認為可能是年輕小鼠的某種系統因子抑制老年鼠心臟的肥大。隨后他們發現老年小鼠和年輕小鼠相比機體GDF11的水平下降。異時異種共生的老齡鼠比異種同時共生的老齡鼠機體GDF11的水平高,且機體GDF11的水平隨著老年人不斷的衰老而持續下降。他們猜測可能是系統因子GDF11在對老年心臟起作用。于是他們給23個月的高齡小鼠注射rGDF11或者生理鹽水，30d后發現，心臟重量和脛骨長度的比值明顯比注射生理鹽水的低，標志心臟肥大的分子明顯比注射生理鹽水組增高。這個結果和異時異種共生老齡鼠表現一致。這就表明，恢復機體GDF11水平，可以明顯改善老年鼠心臟肥大，恢復老年鼠機體GDF11的水平可以延緩增齡引起的心臟肥大，因此GDF11作為預防和治療增齡引起的老年人心臟肥大的藥物具有很高的應用前景。

2.2心臟功能改善的細胞學基礎心肌細胞是組成心臟的基礎。Loffredo等〔6〕實驗發現GDF11可以直接作用于心肌細胞，抑制叉頭狀轉錄因子的磷酸化。他們用亮氨酸滲入法培養新生的心肌細胞，在血清饑餓后，新生的小鼠心肌細胞用3種不同濃度的rGDF11或者MSTN處理24h，接著用3H標記亮氨酸和苯福林處理24h。發現加入50nmol/L的rGDF11和苯福林誘導的3H亮氨酸混合液抑制了心肌細胞分化，但是用相同濃度的MSTN處理并不能產生相同的結果。心肌細胞用無血清培養基培養15min，或者用含有rGDF11或者MSTN的培養基激活。GDF11和MSTN激活細胞表現為Psmad2和Psmad3大幅度增加，和激活TGF-β途徑一致，抑制了叉頭狀轉錄因子的磷酸化。而且組織學研究發現GDF11存在于相鄰的心肌細胞間的閏盤〔21,22〕。

3GDF11對老年大腦的影響

3.1GDF11可改善老年大腦脈管系統和神經再發生能力老年人大腦的功能會下降，可出現大腦動脈血管硬化，供血不足〔4〕、神經元數量降低，神經系統功能衰退等等，使肢體反應遲鈍〔23〕。

Katsimpardi等〔7〕發現與同時異種聯體共生的老年小鼠相比，異時異種聯體共生的老年小鼠大腦神經干細胞再生能力和脈管系統都得到改善，促進了嗅覺神經發生，并且提高了嗅覺能力。而且發現注射GDF11的老齡鼠血管容量比注射PBS的老齡鼠增加了50%。

3.2老年大腦脈管系統和神經再發生能力改善的細胞學基礎GDF11改善老年大腦脈管系統功能可能與血管內皮細胞有關。體外實驗證明，GDF11可作用于大腦毛細血管內皮細胞，或者至少可部分作用于毛細血管內皮細胞。Katsimpardi等〔7〕發現，用rGDF11作用于內皮細胞,可激活這些細胞TGF-β信號通路，表現為SMAD級聯磷酸化增加。然后用rGDF11(40ng/ml)作用于初級的大腦毛細血管內皮細胞，發現rGDF11可促進大腦毛細血管內皮細胞增殖。Katsimpardi等〔7〕的研究表明，GDF11能夠直接作用于大腦毛細血管內皮細胞，并促進毛細血管內皮細胞的增殖，改善老年大腦的脈管系統，還能在一定程度上修復增齡引起的神經發生功能損害。

4GDF11對老年骨骼肌的影響

4.1GDF11可改善增齡引起的骨骼肌功能紊亂肌肉對維持人體穩定性和提供人類運動所需的動力發揮著至關重要的作用，而且肌肉組織占人體體重的大部分。隨著年齡的增加，肌肉的機構和功能會發生改變，表現為肌肉質量和肌纖維數量減少，肌纖維向I型肌纖維轉化，肌肉中線粒體的數量減少，功能紊亂〔1〕。肌衛星細胞的數量減少，功能下降〔24〕，從而影響老年人骨骼肌再生能力。

哈佛大學的Sinha教授發現，恢復老年小鼠機體GDF11的水平可以逆轉因增齡引起的骨骼肌功能紊亂〔5〕。他們給小鼠注射rGDF11，28d后低溫凍傷脛骨前肌，然后連續7d注射rGDF11。結果發現，補充rGDF11的老齡鼠的損傷肌肉中，再生肌纖維的數量和橫斷面積與對照組相比均增加。但在老年未損傷組，補充5wrGDF11，并未引起年輕和老年未損傷鼠肌纖維橫斷面積的增加。而且實驗發現，用rGDF11治療的老年鼠的耐力和握力明顯比未接受rGDF11的老年鼠提高。40min劇烈運動后他們表現出清除機體乳酸的能力有所提高，和較低的血糖水平。

4.2骨骼肌功能改善的細胞學基礎骨骼肌損傷的修復主要與肌衛星細胞有關〔25,26〕，GDF11對老年鼠骨骼肌的影響可能與肌衛星細胞有關。Sinha等〔5〕給老年鼠注射重組rGDF11,4w后用流式細胞術檢測肌衛星細胞。發現肌衛星細胞的數量與注射前相比明顯增加，且提高了DNA的完整性，但年輕小鼠則無此顯著變化。體外用rGDF11培養老年肌衛星細胞發現多細胞核的肌管數量增加，線粒體的數量增多，功能增強。這說明恢復老年機體GDF11水平可以直接或者間接對肌衛星細胞起作用，使肌衛星細胞的數量增加。恢復機體的GDF11水平還能夠改善線粒體的功能與結構，提高肌肉的持久性和耐力。但并非所有研究都認為GDF11可改善骨骼肌功能，如Jeanplong〔15〕發現GDF11可以通過自分泌或者旁分泌的形式抑制成肌細胞的分化，發揮著和MSTN相似的功能。表明GDF11在骨骼肌具有多重功能，對它的研究還有待進一步深入。

5GDF11對老年骨質的影響

5.1GDF11可促進成骨細胞形成，抑制老年鼠骨質疏松隨著年齡的增加，老年人骨的骨質丟失，容易引起骨質疏松〔2〕。骨質疏松在老年人群中屬于多發性疾病，會嚴重影響老年人的生活質量，并且增加死亡率〔27〕。老年人骨質疏松大部分是因為年齡的增加而引起的，主要表現為骨質減少，骨強度變低，骨的脆性增大〔28〕。

Zhang等〔8〕研究發現患有骨質疏松的患者機體GDF11的水平較正常人低，小鼠模型中也是這樣。隨著老年化的進行，在血漿和骨髓中GDF11水平急劇下降，獲得骨質疏松的概率增加。藥理學補充GDF11，恢復機體GDF11水平，GDF11能夠促進過氧化物酶體增生物激活受體(PPAR)-γSUMO化修飾，抑制了PPAR-γ的活性，使骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化，成骨細胞數量顯著增加，抑制了骨髓間充質干細胞形成脂肪。

5.2骨質改善的細胞學基礎Zhang等〔8〕用DMI做脂肪分化分析，發現經過GDF11作用，抑制了MDI混合液脂肪的分化，減少了脂肪特異性基因的表達。他們發現通過GDF11作用能夠提高PPAR-γ的SUMOylation的水平〔29〕。他們發現通過GDF11作用能夠抑制PPAR-γ作為一個轉錄因子的活性，因為GDF11過度表達抑制了PPAR-γ誘導激活293Tcell中的ACC和FABP4使他們的表達下降。因此GDF11通過促進PPAR-γSUMOylation抑制PPAR-γ的活性，進而抑制了骨髓間充質干細胞分化成脂肪，促進成骨細胞的形成，延緩了骨質疏松。

6總結

GDF11在體內發揮了多重生物學作用：GDF11可作用于心臟，延緩增齡引起的心臟肥大，提高老年鼠心臟功能；作用于大腦毛細血管內皮細胞，可改善大腦的脈管系統和神經發生能力；作用于骨骼肌衛星細胞，可促進老年鼠肌衛星細胞的增殖，提高老年鼠的握力和耐力；作用于骨骼，可促進成骨細胞的發生，抑制脂肪細胞的形成，延緩骨質疏松。因此，GDF11在衰老組織器官的修復方面能夠發揮非常重要的作用，在老年人健康促進方面具有極好的應用價值。可以估計，GDF11將成為下一步科學研究的新熱點，隨著對它研究的深入，GDF11將為人類在抗衰老和治療因衰老相關的疾病方面提供新思路、新策略。

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〔2015-01-11修回〕

(編輯滕欣航)