人成纤维细胞生长因子19的代谢调节功能

徐俊楠 印 慨 章卫平

成纤维细胞生长因子家族(fibroblast growth factors，FGFs)作为一类最早发现其具有促进成纤维细胞生长的活性物质，迄今在人或鼠的体内共鉴定出23个家族成员。研究发现，FGFs作为一种重要的细胞间信号分子在胚胎发育、细胞生长、器官形成、组织修复、炎症反应和血管形成等生理过程中均可发挥重要作用［1］。其中人类的 FGF19(在啮齿动物中为FGF15)，作为新近的研究热点，发现其具有重要的代谢调节作用，本文就FGF19研究的相关进展做一综述。

一、FGF19的概述

1．FGF19的发现与简介:FGF19的基因最早是在人类的大脑中分离出来的，该基因位于染色体11q13．1位点，这一位点与一种称为“骨质疏松－假神经胶质瘤综合征(osteoporosis－pseudoglioma syndrome)”的疾病相关，其患者伴有骨骼与视网膜缺陷，提示FGF19对于软骨与视网膜的发育有着重要调节作用［2］。在胎儿的软骨、皮肤、视网膜，以及成年人的胆囊和结肠起源的细胞中均可检测到FGF19的表达，而以肠道中的表达水平为最高［3］。小鼠FGF15被认为是人FGF19的直系同源基因(orthologue)，两者在氨基酸水平上有53%的同源性［2］。

在过去的10年中，随着研究的深入，人们将FGF19与FGF21、FGF23共同划分成一个被称为“激素样(hormone－like)FGFs”的相对独立的亚群，因为人们发现这一亚群中的以FGF19为代表的3个成员对于脂质、葡萄糖、胆汁酸、磷酸盐和维生素D等物质具有重要的调节功能［4］。

2．FGF19与FGFR(FGF受体):机体通过调控不同的FGFs与FGF受体(FGFR)这两方面的表达来决定FGF家族成员的生物学特异性。目前已有4种高度相关的受体型酪氨酸激酶被证实可与FGF家族成员相结合。

FGF19在人体内主要激活以FGFR4为代表的FGFRs(也有学者认为FGF19能且只能特异性的结合FGFR4)，FGF19是一种高亲和力的、肝素依赖性的FGFR4的配体，并且是FGF家族中的第一个被证实可特异性结合 FGFR4 的成员［2，5，6］。FGF19 与FGFR4的结合需要细胞表面的硫酸乙酰肝素蛋白多糖(heparan sulfate proteoglycans，HSPG)的参与，细胞外间质的HSPG可以把大量生物分子吸引至细胞表面，拉近FGF与FGFR的距离，使二者更易结合而完成信号传递，因此FGF19被称为肝素依赖性的FGFR4的配体［7］。FGF19与FGFR4结合发挥生物学效应一般来讲还需要一种被称为βKlotho(一种跨膜蛋白)的共受体的参与，也就是说FGFR4与βKlotho共同形成“FGFR4－βKlotho受体复合物”后再与FGF19结合，从而发挥一系列生物学效应［6］。

FGF19的受体激活的机制要比其他的“激素样”的FGFs(如前所述的 FGF21、FGF23)更为复杂:在FGF21与FGF23相对应的Klotho共受体缺乏的条件下，FGF21与FGF23是不能与FGFRs相结合的，也就是说它们的生物学作用是分别受到其相对应的Klotho共受体(βKlotho和Klotho)特异性调控的。而FGF19则可同时利用βKlotho和 Klotho作为自己的共受体，甚至可以在KLotho蛋白缺乏的情况下直接的特异性的结合 FGFR4［2，5，6，8，9］。

近些年，FGF19特异性激活βKlotho与FGFRs的相关特异性位点已经被确定:FGF19的C末端被认为是决定其与Klotho与βKlotho的特异性结合的位点，而N末端则被认为是决定FGF19结合FGFRs的关键性位点，与此同时，Klotho与βKlotho上的β－葡萄糖苷酶样结构域对于FGF19的生物学活性具有非常重要的作用［5］。

二、FGF19生物学作用的研究与进展

最初人们对于FGF19功能的认识仅仅停留在它对于鸡内耳发育的影响［10］;而随着FGF19转基因小鼠的研制成功，人们通过对这种转基因小鼠的表型观察发现FGF19对于代谢过程有着非常重要的调控作用。这些转基因小鼠体型普遍偏瘦，并且可以通过增加能量消耗、更为有效的脂质利用以及增加棕色脂肪比例等方式来更好的耐受高脂饮食所诱导的肥胖［11］;而血糖、血脂、总胆固醇以及肝脏脂肪含量在FGF19转基因小鼠中都显著降低;除此之外，诸如胰岛素、胰高血糖素、瘦素以及IGF－1等代谢相关激素水平(不包括生长激素)也是降低的。在分子水平上，肝脏转录产物如乙酰辅酶A羧化酶2(ACC2)、SCD1和CYP7A1这些涉及脂肪酸氧化、胆固醇/胆汁酸合成过程的酶也都下调，而瘦素受体的mRNA的水平却是显著升高的。用重组FGF19处理动物幼崽也可以观察到类似的表型［12］。

值得注意的是，FGF21同样具有上述FGF19的代谢调节作用，这也许是因为FGF19与FGF21都是通过一种βKlotho依赖性的机制在机体内发挥作用［11，12］。然而，FGF19 与 FGF21 最大的区别之处在于:FGF21是一种“非促有丝分裂性”的因子，FGF21甚至可以延迟肿瘤的发生;而FGF19转基因小鼠则有发生肝细胞癌的倾向。此外，在转基因小鼠中观察到FGF19并不具备调控磷酸盐代谢的能力，这也是通过Klotho的发挥信号转导作用的一个重要特性;而在体外实验中观察到的FGF19与Klotho这两种物质之间相互识别的特异性以及生理学相关性仍然需要去进一步阐明［13］。

在FGF19所参与的诸多生理学过程中，研究得最透彻的是FGF19在胆汁酸负反馈通路中对于胆汁酸的合成调控作用。而FGF19对于肝糖原以及肝脏蛋白合成的调控作用也日益受到人们的关注。

1．FGF19对于胆汁酸稳态的调控作用:机体主要通过两条途径生成胆汁酸:①由胆固醇7α－羟化酶(cholesterol 7alpha－hydroxylase，CYP7A1)介导的经典途径;②由胆固醇27α－羟化酶(CYP27)介导的替代途径;其中经典途径在胆汁酸生成过程中占主导地位。胆固醇在肝脏中氧化生成的胆汁酸，大部分胆汁酸又通过“肠肝循环”于小肠下段重吸收入肝，另外剩余的小部分胆酸经肠道细菌作用后排出体外。肠肝系统主要通过胆汁酸水平的反馈抑制作用对胆汁酸合成进行严密调控。

现已证实，胆汁酸在这一负反馈过程中主要是通过下调CYP7A1的表达来发挥作用的。胆汁酸作为法尼醇X受体(farnsoid X receptor，FXR)的配体，可与FXR结合并激活FXR，而激活后的FXR可诱导核受体SHP的表达，SHP与LRH－1之间可通过相互作用来抑制 LRH －1 对 CYP7A1 的激活作用［12，14］。与此同时，SHP与LRH－1所形成的SHP/LRH－1复合物又可抑制SHP的表达，从而抑制这一反馈抑制作用。

有研究发现，FXR的激活剂如GW4064以及鹅脱氧胆酸均可诱导FGF19在体外原代肝细胞中的表达，说明FGF19的表达受FXR的直接调控［15］。虽然FGFR4在肝脏中表达，但在人与小鼠的肝脏中却无法检测到FGF19与FGF15的mRNA，仅在小肠上皮细胞中检测到它们的存在［15，16］。在给予小鼠FGF15重组蛋白或表达FGF15的重组腺病毒处理后，野生小鼠肝脏内CYP7A1表达受到明显抑制，FGFR4敲除小鼠肝脏内CYP7A1的表达不被抑制，类似的结果同样出现在SHP基因敲除小鼠的研究中。这说明小鼠体内的FGF15通过结合FGFR4从而激活下游信号通路，并在小异源二聚体伴侣受体(small heterodi mer partner，SHP)协同下抑制CYP7A1的表达从而进一步抑制胆汁酸的合成。与FGFR4敲除小鼠相类似，FGF15敲除小鼠肝脏的CYP7A1 mRNA和蛋白水平均上调，并且胆汁酸排泄量也有显著提高;GW4064处理不能抑制FGF15敲除小鼠肝脏中CYP7A1的表达，这也从另一个角度证明了FGF15参与了FXR介导的胆汁酸对CYP7A1的反馈抑制［16］。此外，有研究表明在SHP基因沉默的肝细胞中，FGF19仍可以抑制CYP7A1的表达，说明有可能还存在一条不依赖于SHP的FGFR4介导的信号通路［16］。

综上所述，胆汁酸与FXR结合，在肝脏内诱导SHP的表达的同时在小肠内诱导FGF19(FGF15)的表达。FGF19(FGF15)则以内分泌的形式在肝脏激活FGFR4并联合SHP，抑制CYP7A1的表达，从而抑制胆汁酸的合成。FGF19(FGF15)与FGFR4作为肠肝信号通路的重要组分，与SHP共同作用，维持胆汁酸的生理平衡［16］。此外有研究表明，FGF19除了对胆汁酸的合成代谢具有调控功能外，对胆囊的充盈同样具有重要的调节作用。FGF15基因敲除小鼠注射人FGF19重组蛋白后15min内其胆囊体积可增加10倍以上，并且FGF19可不依赖FGFR4来完成这种作用，但FGF19对于胆囊充盈调控的具体分子机制仍待进一步阐明。

2．FGF19对于肝脏糖原以及蛋白质合成的影响:最近，Kir在研究中发现，FGF19对于代谢的影响不仅仅局限于对于胆汁酸稳态的调控。他的研究结果显示:FGF19可作为一种餐后的、胰岛素非依赖性的激活物促进肝脏蛋白与糖原的合成。这一结论实际上包含了两层含义:①FGF19可以促进肝脏蛋白与糖原的合成，并且不会促进脂质的生成;②这样的生物学功能是与胰岛素的作用方式相独立的。

Kir实验组使用重组人FGF19对小鼠进行诱导(不使用小鼠自身的FGF15是因为重组小鼠FGF15不够稳定而且生物学活性比较多变)，实验结果显示与对照组相比，FGF19处理后的小鼠总蛋白合成量的增加18%、白蛋白合成量增加了40%而血浆白蛋白水平则增加了10%。证实FGF19确实对肝脏蛋白的合成具有正向调控作用。

FGF19处理后的小鼠其肝脏内磷酸化的ERK(P－ERK)以及ERK下游一系列的相关分子如PMnk1、P－eIF4E、P－p90RSK、P－rpS6/eIF4B 均不同程度的增加，其中eIF4E、eIF4B、rpS6都是与蛋白质合成直接相关的因子。由于研究已证实胰岛素主要依靠PI3K－Akt－p70S6K信号通路来调控蛋白质合成，而经过FGF19诱导后这条通路中的相关信号分子如 P－Akt、P－p70S6K等却没有增加。所以FGF19是通过Ras－ERK－Mnk1以及Ras－ERK－p90RSK信号通路调控肝脏蛋白合成，并且这条通路是与胰岛素的信号通路独立开来的。

FGF19对于蛋白质的这种正向调控作用提示人们FGF19对于糖原合成也可能具有相同的影响，而最近的研究也恰恰证实了这一点。研究结果显示，FGF19可以通过诱导糖原合成激酶GSK3α(Ser21)和GSK3β(Ser9)的磷酸化来抑制其活性，而糖原合成的限速酶糖原合酶(GS)又恰恰可被GSK3α/3β磷酸化而失活，因此FGF19最终所起的作用便是通过抑制GSK3α/3β的活性从而达到增强GS活性的效果。实验结果表明，FGF19处理后小鼠肝糖原合成量可显著增加30%，并且不伴有肝脏重量的增加。同时，FGF19并不会影响肝脏三酰甘油、胆固醇的含量以及血浆中胰岛素、胰高血糖素的水平，这说明FGF19是直接作用于肝脏的。

人们通过使用p90RSK的抑制剂BI－D1870以及PI3K的抑制剂研究发现FGF19同样是通过胰岛素非依赖性的Ras－ERK－p90RSK通路来调控肝糖原合成的。

以上的研究结果总结起来，我们可以发现FGF19(FGF15)与胰岛素之间有联系也有区别。与胰岛素相同的是，FGF19可以诱导肝脏糖原与蛋白的合成，而缺少FGF15生理分泌功能的FGF15敲除小鼠则存在着葡萄糖耐量受损以及肝糖原合成减少等表型。但是胰岛素一般是在人餐后1h达到峰值，而对于FGF19来说则是3h，所以说FGF19与胰岛素在不同时间点上相互协作来发挥其各自作用的。FGF19与胰岛素所激活的不同的信号通路使它们在生理学效应有重合的同时也有着非常明显的差别，比如，FGF19并不像胰岛素那样会增加肝脏甘油三酯的合成以及SREBP－1c依赖性脂质合成基因的表达，因为这个过程需要PI3K－Akt－mTOR信号通路的参与。也就是说FGF19对于糖原合成的调控是与脂质合成独立开的。正常喂食的小鼠需要 FGF15(或FGF19)来维持其糖原合成能力，并且这一过程是通过Ras－ERK－p90RSK这样一条通路来完成的。这些发现也许可以解释为何IRS1－IRS2失效的小鼠(其肝脏中的胰岛素信号通路是被完全阻断的)在喂食以后其糖原储存能力并未完全丧失这一有趣的现象。这些结果同样可以用来解释FGF19应用于糖尿病小鼠后所产生的降血糖和降胰岛素的效果［12］。

三、展 望

虽然在Kir等人的研究中并未检测FGF19是否会影响肝脏中葡萄糖的生产量，但从目前来看糖尿病患者肝脏葡萄糖产出量的不正常升高是能够被FGF19所抑制的，因为FGF19可以通过调控糖原的分解以及葡萄糖的从头合成等过程来减少肝脏向血液释放过量的葡萄糖。同时，由于FGF19利用的是与胰岛素相独立的信号通路来发挥其生物学效应，在促进糖原合成的同时并不会增加脂质的生成，因此FGF19有助于解决胰岛素治疗中降血糖的同时会导致脂质合成增加的问题，这在今后也许会成为糖尿病治疗的一个新的突破口，甚至成为一条替代途径。另外，由于FGF19在胆汁酸稳态调控中作用，使其有助于人们去进一步揭示如脂肪肝、胆石症、动脉粥样硬化等相关疾病的发生机制，并可能成为这些疾病治疗的新的靶点。

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