GDF11在細胞增殖及細胞分化中的作用

張楓，保志軍

1.復旦大學附屬華東醫院老年病科，消化內科，上海市老年醫學臨床重點實驗室，上海200040；2.復旦大學附屬華山醫院老年病科，上海200040

2013年哈佛大學進行的連體共生實驗讓我們看到了逆 轉衰老的希望[1]，連體共生實驗是兩種生物經外科手術腹側皮膚切開血管縫合后成為共用血液循環的共生體，最早是由一位法國動物學家Paul Bert 于1864年首次描述[2]。2013年哈佛大學Loffredo 等進行了改良版連體共生實驗，將青年小鼠（2月齡）及老年小鼠（23月齡）縫合形成連體共生系統，1 個月后他們發現連體共生的老年小鼠體力充沛，與對照組小鼠相比，增齡相關性心肌肥大出現縮小，不僅如此，心衰指標及心肌收縮力都有不同程度的恢復[1]。此外，Katsimpardi 等發現連體共生的老年小鼠海馬區神經干細胞、神經祖細胞、新生神經元及血管內皮細胞數量均較對照組增多[3]。Rebo 等[4]發現與青年小鼠交換血液的老年小鼠肝纖維化和脂肪肝逐漸恢復。以上一系列實驗說明與青年小鼠連體共生的老年小鼠，心肌、神經、肝臟等器官均出現逆齡性變化，那么是何原因導致這一驚人的抗衰老作用，經過比對青年小鼠及老年小鼠血液循環中的分子，人們將目光聚焦于在不同年齡組血液中含量相差最大的生長分化因子11（growth differentiation factor 11,GDF11），這是一種可以調控機體生長分化的蛋白質。而后專家學者們向老年生物體內注射GDF11，成功復制出了心臟、大腦等多器官的逆齡性改變[3,5-7]，這是令人驚喜的，說明GDF11具有抗衰老作用。

不僅動物實驗，臨床也發現在人類體內GDF11 隨著年齡增長而逐漸上升，在中年期達到峰值，然后在老年期快速下降（18～29 歲774.8pg/mL、30～39 歲1176.7pg/mL、40～49 歲963.8pg/mL、50～59 歲177.4pg/mL、大于60 歲52.5pg/mL）[8]。并且Elliott 等發現GDF11 在長期運動的老年人體內更高，對比不運動的老年人，GDF11 在基線時就較高，并且運動后更高。他們測定了11 名終身鍛煉的老年男性和13名終身久坐不動的老年男性在基線時和短期運動后GDF11的數值變化，基線時鍛煉組對比不鍛煉組（272.7pg/mL .70.7pg/mL）,運動后更高（305.0pg/mL .77.1pg/mL），并且短期運動可以使GDF11 升高[9]。適當運動是抗衰老機制之一，運動的人GDF11 升高，可以從側面反映GDF11 與抗衰老之間具有相關性。但是GDF11 到底因什么機制逆轉衰老，目前還是未知。為了尋找GDF11 抗衰老機制，本文對GDF11 相關論文進行綜述，以期明確GDF11 功能以及可能的抗衰老機制。

目前對于GDF11 功能研究比較清晰的是促進組織發育，在神經發生過程中，脊髓祖細胞數量和增殖能力的降低發生在GDF11 表達和神經元分化的高峰期。在沒有GDF11 的情況下，神經發生的進展被延遲，并且祖細胞在更長的時間內維持其增殖能力，導致產生更多的祖細胞[10]。由此，GDF11 的作用主要是抑制細胞增殖促進細胞分化，并且這是兩個耦合的過程，GDF11 抑制細胞增殖是為了促進細胞分化。

1 GDF11 與細胞增殖

GDF11 在各系統有抑制細胞增殖的作用。在視網膜，Gdf11（-/-）小鼠視網膜神經節細胞增加50%；GDF11 抑制劑卵泡抑素（follistatin,FST）缺乏的小鼠Fst（-/-），相當于GDF11 過表達，視網膜神經節細胞減少26%；同時體外實驗也出現同樣結果，加入GDF11 培養的視網膜外植體神經節細胞減少[11]。在嗅覺神經元發育中，Gdf11（-/-）小鼠嗅覺受體神經元及其直接神經祖細胞數量增加，體外GDF11培養直接神經祖細胞，數量不像對照組那樣成指數增長，而是沒有變化[12]。在脊髓神經發育中，與對照組相比，Gdf11（-/-）祖細胞數量較多（27% .40%），并且12.5 d 時Gdf11（-/-）脊髓中分裂期祖細胞百分比較高，說明在沒有GDF11情況下祖細胞增殖增加[10]。GDF11 在胰島 細胞同樣起抑制作用，Gdf11（-/-）小鼠胰島前體細胞數量增加300%[13]。

GDF11 對于細胞增殖的抑制作用有以下幾個特點：

1.1 GDF11 對于細胞周期的抑制是劑量依賴性的，并且是可逆的 在嗅覺神經元發育實驗中，外源性應用GDF11 培養直接神經祖細胞，細胞停止增殖，細胞數量沒有變化，去除一半GDF11 后，細胞再次出現增長，說明GDF11 對于細胞增殖的抑制作用是劑量依賴性的并且是可逆的[12]。

1.2 GDF11 抑制細胞增殖有選擇性GDF11 并非作用于原始干細胞，而是作用于較成熟的多能干細胞或祖細胞[13]。體外，GDF11 完全但可逆地阻止直接神經祖細胞分裂，但它對原始神經干細胞的增殖沒有影響，Gdf11（-/-）小鼠觀察到的神經元數量的增加伴隨著直接神經祖細胞的增加，但是Mash1+神經祖細胞或Sox2+神經干細胞數量不增加，說明GDF11 對于原始干細胞沒有細胞增殖抑制作用。這些數據意味著GDF11 主要抑制中間階段祖細胞的增殖[14]。

1.3 GDF11 抑制細胞增殖的機制GDF11 對于細胞周期的可逆性抑制是通過上調細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p21Cip1/p27Kip1 使細胞周期停止于G1 期[12]。Gdf11（-/-）小鼠胰腺p21Cip1/p27Kip1 表達減少[13]。嗅覺神經培養物加入GDF11 觀察p21Cip1/p27Kip1 免疫反應性的實驗中，對照組僅有2.5%的神經元細胞顯示出p21Cip1/p27Kip1 免疫反應性，相比之下，GDF11 處理的培養物中p21Cip1/p27Kip1 免疫反應性增加了5 倍以上（14.3% 2.5%），說明GDF11 會導致嗅覺神經細胞中p21Cip1/p27Kip1 表達的增加[15]。另一個實驗中用GDF11siRNA 感染骨骼肌來源的干細胞后16 h，p21Cip1/p27Kip1 水平明顯下調并與細胞周期蛋白依賴性激酶（cyclin-dependent kinase,CDK）2/4 活性增加一致，并且細胞周期蛋白D1 的蛋白質水平顯著增加，說明GDF11 存在利用p21Cip1/p27Kip1 抑制細胞周期蛋白D1-CDK2/4 復合物，使細胞周期停滯于G1 期[16]。

2 GDF11 與細胞分化

很多研究發現GDF11 在神經、胰腺、血管等組織系統有促進細胞分化的作用。在小鼠視網膜神經節細胞剛剛分化并開始延長生長時，編碼GDF11 的mRNA 在整個神經節細胞層上表達，說明GDF11 促進神經樹突的分化；體外實驗也得到相同結果，向解離的視網膜培養物中加入GDF11可以刺激體外神經節細胞樹突起始分化[17]。在視網膜中，視網膜神經節細胞是視網膜神經發生過程中最早分化的細胞類型，其后還有棒狀光感受器和無長突細胞等。缺乏GDF11 導致視網膜神經節細胞數量增加，但是這種增加是以減少晚期分化細胞棒狀光感受器和無長突細胞為代價的[18]。說明GDF11 有抑制中間階段祖細胞增殖，促進晚期成熟細胞分化的功能。在胰腺中缺乏GDF11 或GDF11 下游SMAD2的小鼠中，觀察到與缺乏GDF11 膜受體類似的胰島分化缺陷，包括 細胞發育不全和胰島素合成受損[14]。在血管系統，給21～23月齡老年小鼠每天注射重組GDF11（0.1mg/kg），與PBS 處理的對照組小鼠相比，GDF11 處理組的血管體積增加了50%[3]。另外一個實驗也證實GDF11 處理增加了內皮祖細胞體外萌芽形成[19]。

GDF11 細胞分化的促進功能有以下特點：

2.1 細胞分化的濃度依賴性 過高或過低濃度GDF11 都會抑制神經前體細胞分化，只有適當的濃度才可以激活祖細胞分化。在GDF11 體外刺激神經節細胞樹突分化實驗中觀察到GDF11 劑量-反應曲線，低（1ng/mL）和高（100ng/mL）GDF11 濃度樹突分化都沒有顯著變化，而10～50ng/mL 濃度顯然刺激了樹突分化[17]。在嗅覺神經分化體外實驗中也有類似現象，在GDF11 含量較低的情況下（10ng/mL），高達75%直接神經祖細胞分化為嗅覺神經元細胞，但是在高濃度GDF11（60ng/mL）該比例下降至10%以下[14]。

2.2 GDF11 信號通路 SMAD 信號通路是GDF11 經典信號通路，GDF11 是細胞外信號分子，需要通過細胞膜上的受體將信號傳導入細胞內，SMAD 是GDF11 的胞內信使,通過將GDF11 的信號傳遞進細胞核，指導某些基因的轉錄和翻譯，調控細胞功能[20]。SMAD 是轉錄激活因子，結合某些基因啟動子附近的SMAD 結合原件（SMAD binding element,SBE），指導轉錄[21]。通常情況下，多數與分化發育相關的基因處于抑制狀態，需要在特定的發育階段激活，基因調節蛋白或轉錄因子便充當這種激活物。GDF11 下游SMAD 信號通路可通過協同不同轉錄因子調控細胞特異性基因表達，指導細胞分化。

GDF11 調節細胞分化的下游效應物可經GDF11 信號通路磷酸化抗體陣列檢測分析鑒定。有實驗分別鑒定了GDF11下游SMAD信號通路磷酸化水平增加或降低了50%以上的蛋白質譜，這些蛋白質對于細胞增殖和分化是重要的，包括MYC、ERK1/2、SMAD1、AKT 和細胞周期蛋白D1[22]，這些因子是GDF11/SMAD 信號通路的重要下游效應物。

3 小結

綜上，GDF11 抑制細胞增殖促進細胞分化的作用，主要通過上調p21cip1/p27kip1 抑制細胞周期進程于G1 期并促進細胞分化。GDF11 實際上通過降低祖細胞的自體復制比率并提高其分化的比率起作用[14]。并且GDF11 促進細胞分化的作用是通過SMAD 信號通路及下游轉錄因子調控細胞特異性基因表達，指導細胞分化。

GDF11 抑制細胞增殖促進細胞分化的作用可能可以部分解釋其逆轉衰老的作用，但是具體的抗衰老機制還需進一步研究探索，不過作為新一代抗衰老因子，GDF11 具有很好的應用前景，希望通過更深入的研究，可以早日服務于臨床造福廣大老年患者。