生長分化因子15在非酒精性脂肪性肝病防治中的作用和機制

孫爍爍，韋曉，陳國芳，劉超

(南京中醫藥大學附屬中西醫結合醫院a.內分泌科，b.癭病證治重點研究室，南京 210028)

非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)是世界范圍內常見的慢性肝病，疾病譜主要包括非酒精性脂肪肝和非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis，NASH)。NASH可發展為更嚴重的肝臟疾病，如肝硬化和肝細胞癌[1]。除單獨發病外，NAFLD還易合并其他代謝性疾病，如肥胖、糖尿病和血脂異常，對人類健康造成嚴重威脅[2]。因此，積極防治NAFLD，延緩病情進展具有重要的臨床意義。NAFLD的治療主要通過生活方式干預聯合藥物治療，迄今尚無有效的治療手段。NAFLD患者可通過減重緩解病情，但長期堅持飲食和運動干預是一項巨大挑戰，易出現體重反彈。目前尚無治療NAFLD的特效藥，主要治療藥物包括抗氧化藥物、胰島素增敏劑、胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)受體激動劑、保肝藥、降脂藥、微生態制劑、膽汁酸受體激動劑等，但臨床療效有限，且存在相關不良反應，故未在臨床廣泛應用。

NAFLD的發病機制復雜，其主要發病機制是脂肪在肝臟的異常沉積，異常堆積的脂類物質會誘導炎癥和纖維化的發生，導致肝細胞形態和功能的損傷[3]，通過調節脂類代謝紊亂可延緩NAFLD進展。研究發現，生長分化因子15(growth differentiation factor 15，GDF15)在脂類代謝調節中發揮重要作用，可緩解NAFLD過程中的肝細胞損傷[4-6]。NAFLD動物模型中血清和肝臟GDF15表達水平代償性升高[7]，故GDF15可能是治療NAFLD的潛在靶點。探討GDF15高表達的調控因素及其在NAFLD中的作用，可為治療NAFLD提供科學依據。

1 GDF15概述

1.1GDF15的結構與分布 GDF15是轉化生長因子-β/骨形態發生蛋白超家族的成員[8]，也是一種應激反應細胞因子，又稱NSAID激活基因-1、巨噬細胞抑制細胞因子1，與多種生物學過程和疾病有關[4,9]。GDF15與其他家族成員類似，具有單個保守的鏈間二硫鍵，通常以224個氨基酸的二聚體蛋白形式分泌，分子量約為25 000[5]。GDF15以二聚體發揮作用，故其翻譯后修飾過程十分重要，分別形成前GDF15、GDF15二聚體、成熟的GDF15二聚體，后者被認為是GDF15的活性形式；且不同物種GDF15的表達部位和豐度存在差異[4]。研究發現，犬和小鼠肝、肺和腎臟中GDF15呈高表達[4]，且高脂環境下小鼠肝細胞GDF15表達水平顯著升高[10]。Kim等[7]發現，GDF15基因敲除小鼠表現出嚴重的NASH表型，其肝臟脂肪變性、炎癥和纖維化加重，肝損傷和代謝惡化，而GDF15過表達小鼠上述表型改善。由此可見，GDF15高表達可緩解NASH進展。然而，關于人體各臟器中GDF15表達的研究較少。有資料顯示，胎盤中GDF15呈高表達，而結腸、腎臟和前列腺中GDF15表達較低，且肝臟中GDF15呈差異性表達；但有研究認為，人肝臟中不表達GDF15[4-5]。因此，GDF15與人類NAFLD和NASH的關系尚不明確。

1.2GDF15的生物學功能 GDF15被認為是轉化生長因子-β超家族成員，但其特異性受體尚不清楚。神經膠質細胞源性神經營養因子α樣受體(glial cell-derived neurotrophic factor receptor alpha-like，GFRAL)具有很高的親和力，可與GDF15特異結合，是GDF15發揮生理活性的關鍵要素[11]。GFRAL的表達主要局限于中樞神經系統，特別是小鼠、大鼠、猴子及人類的腦干[12]極后區和孤束核。GFRAL下游途徑的激活需要輔助受體，原癌基因酪氨酸蛋白激酶受體RET是GFRAL的輔助受體，在極后區、孤束核和下丘腦的多個區域中表達[11]。多項研究表明，GDF15抑制攝食的作用依賴GFRAL的介導，GDF15與GFRAL結合，誘導輔助受體RET的激活和磷酸化，進而激活蛋白激酶B、胞外信號調節激酶1/2和磷脂酶C，減少食物攝入、促進體重減輕和改變能量穩態[5,11-14]。

β-抑制蛋白1(β-arrestin 1，ARRB1)在GDF15與GFRAL的激活中發揮重要作用，可促進GDF15的成熟。ARRB1最初被認為是G蛋白偶聯受體信號轉導的負調控因子，現已證實，其作為分子支架與其他伴侶蛋白相互作用調節細胞功能，并參與多種生理過程，ARRB1可下調脂肪生成相關基因，且ARRB1可通過GDF15調控相應基因及蛋白的表達[15-16]。此外，激素受體樣激酶5-轉化生長因子-β受體Ⅱ復合物也介導GDF15在各種組織和細胞中的作用，提示GDF15可能通過其他受體以及GFRAL發揮代謝調節作用[7,17]。目前，GDF15/GFRAL的信號轉導途徑尚不完全清楚，需要進一步研究GDF15受體與成熟GDF15生物學活性之間的關系，以進一步探索GFRAL或激素受體樣激酶5-轉化生長因子-β受體Ⅱ復合物在GDF15改善NAFLD中的作用。

2 GDF15在肝臟中的表達

肝細胞內質網應激、肝細胞雌激素受體的激活、線粒體氧化磷酸化功能降低、DNA甲基化修飾等因素可調控GDF15在高脂環境下的表達。

2.1內質網應激誘導GDF15表達 肝臟脂質堆積會誘導內質網應激的出現，內質網應激長期存在會導致未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)途徑的激活[10]。UPR途徑由肌醇需求酶1α、蛋白激酶R樣內質網激酶、激活轉錄因子6α三種內質網跨膜壓力傳感器協同激活。肝細胞內質網應激可誘導GDF15表達水平升高。Li等[10]通過誘導小鼠原代肝細胞內質網應激激活UPR途徑的研究發現，血清和肝臟GDF15水平均顯著升高。

2.2雌激素受體(estrogen receptor，ER)α誘導GDF15表達 ERα是能量和糖代謝的關鍵調節因子，被認為是預防NAFLD的相關分子靶點。多項研究發現，ERα是預防脂肪變性的重要因素，在雌激素對高脂環境的調節中發揮關鍵作用[18-21]。GDF15與ERα相互關聯。Guillaume等[21]發現，選擇性ER調節劑通過激活肝細胞中的ERα促進小鼠肝臟和血清中GDF15的表達；進一步研究證實，肝細胞ERα誘導的GDF15持續表達足以對抗肥胖及其相關并發癥。

2.3線粒體氧化磷酸化功能降低誘導GDF15表達 線粒體氧化磷酸化功能缺陷可由線粒體遺傳性疾病引起，在代謝性疾病(如肥胖、2型糖尿病)患者中很常見。Choi等[22]研究發現，高脂喂養的脂肪細胞線粒體氧化磷酸化功能降低小鼠的GDF15表達水平升高，可保護飲食誘導的肥胖相關代謝缺陷。既往研究認為，各種炎癥性疾病中GDF15的誘導作用是機體對線粒體激活的應激反應信號通路的適應[23]。Chung等[24]報道，GDF15調節全身能量穩態，并在肌肉線粒體功能障礙和線粒體UPR激活的情況下抑制飲食誘導的肥胖和胰島素抵抗。類似于內質網應激相關UPR，線粒體UPR也可上調胞質內轉錄因子C/EBP同源蛋白的表達，誘導GDF15表達。

2.4DNA甲基化修飾影響GDF15表達 與正常對照小鼠相比，NAFLD模型小鼠的肝臟GDF15表達降低，且NAFLD模型小鼠肝臟整體DNA甲基化水平升高，包括GDF15基因啟動子區域，而GDF15啟動子區域的CpG島存在高甲基化修飾，提示DNA的甲基化修飾可抑制GDF15的表達，且這種DNA甲基化的表觀遺傳修飾具有潛在傳遞性，可影響NAFLD模型小鼠子代的GDF15表達；但是，DNA甲基化修飾對不同模型小鼠GDF15表達影響的研究結果不一致，如短期高脂飲食喂養小鼠中GDF15表達水平升高，而高脂飲食db/db或ob/ob小鼠的GDF15表達水平降低[25]。

3 GDF15與NAFLD

GDF15在NAFLD中的高表達促使其發揮代償性保護作用，可通過降低體重、促進肝臟脂肪代謝、抑制肝臟肥大、降低炎癥反應、抑制肝纖維化延緩NAFLD的發生發展。

3.1GDF15降低體重 肥胖患者體內GDF15代償性升高，與體質指數高度相關[6,26]。與野生型小鼠相比，GDF15基因缺陷小鼠的體重和脂肪含量略有增加；異種移植DU-145前列腺腫瘤細胞小鼠體內可見GDF15表達，且小鼠體重、脂肪組織含量及食物攝入量均偏低；肥胖小鼠模型GDF15高表達，小鼠體重降低、脂肪組織堆積減輕；給予高脂飲食誘導的C57BL/6肥胖小鼠模型外源性GDF15，可預防肥胖和肝脂肪變性[4]。

GDF15對體重和能量穩態的調節機制包括依賴神經系統的抑制食欲機制和不依賴神經系統的增加能量消耗機制[4]。在神經系統中，GDF15與其受體的結合通過控制進食量減輕體重。有研究發現，GFRAL基因敲除小鼠與野生型小鼠的體重或脂肪含量無明顯差異[6,13]，但高脂飲食GFRAL基因敲除小鼠的體重和脂肪含量更高[12]。因此，GFRAL在體重減輕中發揮重要作用，GDF15可通過激活GFRAL介導的攝食減少導致體重下降[12-13,27]。此外，表達GDF15異種移植小鼠的白色脂肪組織中的脂解基因表達以及棕色脂肪組織中的產熱基因表達均增加[4]。以上研究提示，GDF15作為一種體重調節器，可能通過減少食物攝入或增加氧化代謝發揮作用。另有研究發現，B16/F10黑色素瘤細胞異種移植的肥胖C57BL/6小鼠體重隨著腫瘤的生長和血清GDF15水平的升高而降低，但其進食量并無變化[28]，提示存在其他食欲非依賴性的調控機制。

3.2GDF15促進肝臟脂肪代謝 GDF15可促進肝臟脂肪酸β氧化[29]，增加肝臟的脂質消耗，減少脂肪積聚，減輕脂肪變性，延緩NAFLD的進展。在內質網應激下，肌醇需求酶1α催化編碼X盒結合蛋白1(X-box-binding protein 1，XBP1)的信使RNA非常規剪接，產生一種活性剪接形式——XBP1s[30]。Zhang等[26]發現，GDF15的表達受肌醇需求酶1α-XBP1s調控，并在禁食時促進小鼠肝脂肪酸β氧化和生酮作用。XBP1s可通過結合GDF15的啟動子區激活其轉錄，使肝內GDF15的表達水平升高。除肌醇需求酶1途徑外，激活蛋白激酶R樣內質網激酶途徑也可上調GDF15表達。蛋白激酶R樣內質網激酶激活可磷酸化真核翻譯起始因子eIF2的α亞基，磷酸化的真核翻譯起始因子eIF2的α亞基進一步促進激活轉錄因子4的表達，從而驅動C/EBP同源蛋白的表達。C/EBP同源蛋白在內質網應激條件下促使肝臟GDF15的轉錄，進而促進脂肪酸β氧化，減少肝臟脂質積聚，減緩肥胖小鼠肝臟脂肪變性的進展。

此外，Zhang等[15]發現，ARRB1可通過調節原代肝細胞中的GDF15抑制脂肪酸成脂相關蛋白，促進β氧化相關蛋白的表達，且ARRB1基因的敲除或過表達影響磷酸化激活的RET、蛋白激酶B、胞外信號調節激酶等的表達；該研究還顯示，ARRB1-GDF15-GFRAL-RET軸與肝細胞中脂肪酸的β氧化顯著相關，ARRB1可促進GDF15向高爾基體的轉運和成熟。

由上所述，XBP1s及轉錄因子C/EBP同源蛋白可與啟動子結合激活GDF15轉錄，使肝內GDF15高表達，促進肝臟脂肪酸β氧化，減少肥胖小鼠肝臟脂質積聚[10,26]。ARRB1可通過調節GDF15抑制脂肪酸成脂相關蛋白的表達，并誘導β氧化相關蛋白表達的增加[15]。

3.3GDF15抑制肝臟肥大 Kim等[7]對蛋氨酸和膽堿缺乏飲食誘導的NASH小鼠模型的研究發現，在飲食喂養后，GDF15基因敲除小鼠肝臟重量(調整體重和血清丙氨酸轉氨酶/天冬氨酸轉氨酶水平)增加，提示GDF15可調節NASH時的肝臟大小，抑制肝臟肥大。Choi等[22]也發現，在高脂飲食8周后，與單純脂肪細胞線粒體氧化磷酸化功能降低小鼠相比，脂肪細胞線粒體氧化磷酸化功能降低合并GDF15基因敲除小鼠的肝臟脂肪堆積更明顯，表明脂肪細胞線粒體氧化磷酸化功能降低可使GDF15增加，對抑制肝臟肥大起到代償性保護作用。

3.4GDF15降低炎癥反應 免疫細胞在肝臟炎癥、脂肪性肝炎和肝纖維化疾病的發展中起重要作用[23,31]，故抑制免疫細胞分泌促炎細胞因子是治療慢性肝病的重要靶點[23]。在活化的組織巨噬細胞中，GDF15表達明顯增加[32]。Chung等[23]發現，GDF15是一種負性肝臟炎癥調節因子，可能通過抑制肝內巨噬細胞產生促炎細胞因子，調節肝臟免疫微環境。在與人NASH具有相似代謝特征的NASH小鼠模型中，GDF15可通過減少巨噬細胞的募集改善炎癥狀態[7,33]。體外實驗亦證實，GDF15可降低巨噬細胞對高糖高脂刺激的炎癥反應[34]。

3.5GDF15抑制肝纖維化 在NASH中，GDF15可調節骨橋蛋白及肝纖維化相關基因的表達。有文獻報道，骨橋蛋白在人類和小鼠NASH中均被誘導，且蛋氨酸和膽堿缺乏飲食誘導NASH小鼠模型肝纖維化加重[7,35]。Kim等[7]發現，蛋氨酸和膽堿缺乏飲食喂養GDF15基因敲除小鼠肝臟中與纖維化相關的基因(Tgfb1、Col1a1、Timp1和Acta2)及骨橋蛋白基因的表達均增加，且GDF15可通過抑制肝星狀細胞的活化發揮抗纖維化作用，與其他GDF15對酒精性肝損傷抗纖維化作用的研究[23]結果一致。但有研究報道，GDF15可使肝星狀細胞纖維化基因表達增加[32]，與上述研究結果不一致。

Smad家族蛋白2和Smad家族蛋白3在肝星狀細胞激活和纖維化發生中起關鍵作用。Koo等[32]的臨床研究發現，GDF15可通過增加Smad家族蛋白2和Smad家族蛋白3的磷酸化激活人肝星狀細胞并誘導纖維化。GDF15可能是NAFLD晚期纖維化的一個新的生物標志物，與NAFLD患者的晚期纖維化風險相關[32,36]。此外，肝脂質積聚和炎癥可觸發NASH進展中的纖維化反應，尚不能排除GDF15抗纖維化作用部分繼發于肝脂質積聚和炎癥減少的可能性[7]。因此，GDF15緩解NAFLD纖維化的機制需要進一步研究。

4 小 結

NAFLD中GDF15的高表達和保護作用提供了NAFLD的潛在治療靶點及新的治療策略，并有利于NAFLD及相關代謝紊亂的藥物研發，且多項GDF15受體的研究正在開展[11-14,37]。重組GDF15或GDF15受體調節劑是治療或預防代謝性疾病的潛在臨床手段[22]。然而，目前對于GDF15在NAFLD中表達水平升高的機制尚不明確，GDF15在NAFLD發生發展過程中的具體功能和重要性尚未得到驗證，且現階段研究多集中于動物實驗，較少涉及臨床研究，故GDF15在NAFLD發生發展和防治中的作用和意義尚需進行更多研究。