GDF15及其受体GFRAL在肥胖治疗上的相关研究进展

刘凌志，林春瑜，汪建华，张惟材，游松，熊向华

1.沈阳药科大学，辽宁 沈阳 110016；2.军事科学院 军事医学研究院 生物工程研究所，北京 100071

世界卫生组织用体重指数（body mass index，BMI）划分超重和肥胖 ，BMI≥25 kg/m2时为 超重，≥30 kg/m2时为肥胖。世卫组织2016年发布工作报告指出，全世界约有13% 的成人肥胖，在全球18岁及以上的成年人中超过19亿人超重，其中6亿人肥胖。而肥胖的发病率也在不断攀升，全球肥胖流行率在1975年到2016年增长近3倍[1-2]。上述数据表明，肥胖作为一种病症已经成为全球重要的公共卫生问题。现代医学治疗肥胖症的主要手段为手术，手术能够快速降低体重，但易复发和产生较大的副反应，因此存在局限性[3-4]。药物治疗肥胖症也受到很大关注，主要以小分子化学药物为主，副作用较多，而生物药治疗效果良好，不良反应少，成为治疗肥胖症的热点。近年来，生长与分化因子15（growth and differentiation factor 15，GDF15）因具有良好的降低体重效果而受到广泛关注。GDF15是一种主要在肝脏组织和脂肪组织中分泌的细胞因子，与特异性受体胶质细胞源性神经营养因子家族受体α相似蛋白（GDNF family receptor alpha-like，GFRAL）形成复合物，共同改变身体能量代谢状况，具有良好的改善能量平衡作用[5-7]。由于肥胖症是一种营养物质过剩导致体内脂肪堆积引起的代谢性疾病，因此GDF15及其受体GFRAL拥有成为治疗肥胖症新型药物的潜力。

1 GDF15与肥胖症的相关性

GDF15也被称为巨噬细胞抑制因子1，1997年首次从组织淋巴瘤细胞系U937 cDNA文库中分离。由于GDF15与转化生长因子（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族细胞因子的蛋白质结构类似，因此将GDF15归为TGF-β超家族。GDF15由308个氨基酸残基组成，相对分子质量为25 029。GDF15的N端含有12个氨基酸残基的疏水性信号肽，中间是蛋白酶水解位点，C端的半胱氨酸残基构成链间二硫键，形成二聚体。GDF15被蛋白酶切割后信号肽被分离，形成成熟蛋白并快速入血，半衰期较短[8]。

1.1 GDF15显著降低体重

肥胖症是一种由于营养物质过剩导致体内脂肪堆积而引起的代谢性疾病，很大程度上与能量代谢异常相关[9]。Kali等[10]对GDF15与小鼠能量代谢水平进行相关性研究，通过比较GDF15过表达的小鼠和普通实验小鼠的产热量、耗氧量和CO2生成量，发现在呼吸交换率相同的情况下，GDF15过表达的小鼠在上述3个指标上均较普通实验小鼠有显著性升高。Kowalska等[8]研究了GDF15与肥胖模型大鼠体重之间的关系。过表达GDF15的肥胖大鼠4周后在摄食量上与过表达之前相比降低了30% ，100 d后与过表达之前相比体重降低了38% 。而在过表达GDF15的肥胖大鼠中加入中和GDF15的抗体后，大鼠在食物摄取和体重上都明显回升。Villanueva等[11]在不同肥胖症模型大鼠及正常实验大鼠中重复上述实验，结果均表明GDF15具有良好的降低体重的效果。Macia等[7]对GDF15与大鼠体脂率之间的关系进行相关性研究，发现GDF15过表达的肥胖症大鼠与正常大鼠相比其体重与体脂率均有明显下降，而GDF15基因敲除大鼠与正常大鼠相比体重与脂肪含量明显上升。综上所述，证实GDF15与肥胖症存在明显的相关性。

1.2 GDF15与脑干最后区神经相结合

Xiong等[3]研究了GDF15对实验大鼠胃排空的影响。研究者用染色的饲料对实验组（皮下注射GDF15的大鼠）和对照组（皮下注射PBS的大鼠）进行灌胃，15 min后对照组大鼠的胃排空率为20% ～31% ，而实验组胃排空率下降至13% ～18% 。迷走神经兴奋会导致胃排空速度加快[12-13]。因此将实验组大鼠的迷走神经切断后同对照组进行试验，结果显示切断迷走神经后GDF15对大鼠的胃排空率并不起作用。据此认为GDF15通过作用于迷走神经而改变小鼠胃排空率。Tsai等[14]对大鼠皮下注射GDF15，通过荧光免疫共沉淀实验发现GDF15结合部位在脑干最后区（area postre⁃ma，AP）神经。

2 GFRAL与GDF15相结合共同抵抗肥胖症

GFRAL是GDF15在体内的特异性受体，为胶质细胞源性神经营养因子（glial cell-derived neu⁃rotrophic factor，GDNF）家族成员。GFRAL 由 395个氨基酸残基组成，为单次跨膜蛋白[16]，主要在脑干最后区及孤束核（nucleus tractus solitaries，NTS）神经细胞中表达[18]。

2.1 GFRAL与GDF15特异性结合

Johnen等[6]通过Retrogenix细胞芯片技术筛选与GDF15结合的蛋白，在4438个蛋白中筛出5个潜在结合蛋白 PIGR、GFRAL、BAI1、TMED1和FCRL5，再用流式细胞荧光分选技术（FACS）分析这5个潜在结合蛋白，发现仅有GFRAL对GDF15具有较高亲和力，表面等离子共振（SRP）结果表明两者之间的结合方式为浓度依赖性。Yang等构建了人单次跨膜蛋白受体的细胞表面展示文库，在HEK293细胞中表达这些受体并用生物素化的GDF15与细胞孵育，随后进行流式筛选，筛选结果表明GDF15特异性与表达GFRAL的细胞相结合[15]。

2.2 GFRAL与GDF15共同作用改善肥胖症

Strelau等[17]研究了GDF15对小鼠摄食量的影响，在GFRAL基因敲除小鼠和普通实验小鼠中实验。在高脂饲料饲喂条件下，基因敲除小鼠每周体重上升速度较普通实验小鼠更快，第16周时，基因敲除小鼠体重上升速度甚至达到普通实验小鼠的150% ；而在摄食量方面，基因敲除小鼠较普通实验小鼠也提升1.5～1.8倍。有研究者[19-22]对GFRAL基因敲除小鼠和野生型小鼠进行单次皮下注射GDF15和PBS。在GFRAL基因敲除小鼠中，注射GDF15与注射PBS相比并无显著性差异，而在野生型小鼠中注射GDF15则出现了明显的摄食量降低。研究发现，连续6 d皮下注射，基因敲除小鼠没有明显的体重降低，而野生型小鼠体重则明显降低。由此可见，在缺乏GDF15刺激时，敲除GFRAL与否对小鼠的摄食与体重并不产生明显影响。当在GDF15刺激的条件下，携带GFRAL基因的野生型小鼠的摄食与体重明显降低。这些实验证实GFRAL对肥胖症的作用是GDF15所介导的，也证明了GFRAL同样对肥胖症和能量代谢起举足轻重的作用。

2.3 GFRAL与酪氨酸激酶RET形成复合物共同引发下游反应

GFRAL为GDNF家族成员。GDNF家族是一类具有多种生物学功能的营养因子，该家族的各类受体通过与配体RET结合形成聚合体使RET发生磷酸化，从而传递不同的下游信号，而这些信号发挥着各种生物学作用[23]。由于GFRAL和GDNF家族之间的关系[24-25]，研究者猜测GFRAL可能会与RET形成复合物参与下游信号传导。为了探究GFRAL是否与RET相结合而起作用，研究者参考了TGF-β超家族与TypeⅠ和TypeⅡ复合物的晶体结构来模拟GDF15与GFRAL的结合。将GFRAL成熟肽32位的色氨酸残基突变为丙氨酸残基后，发现GDF15对转基因大鼠摄食量降低和体重减轻的作用消失，但SPR实验却表明GDF15仍与GFRAL相结合[26]。随后通过原位杂交与免疫共沉淀法，在GFRAL与RET共表达的细胞中加入GDF15与PBS进行实验，在GDF15存在的情况下GFRAL与RET相结合且在实验组中检测到较PBS组更多的如RET、AKT和PLC-γ等GFRAL下游信号[27-28]。由此证明GFRAL与GDF15和神经元表面的受体酪氨酸激酶RET形成复合物共同引发GDF15介导的反应，打开身体能量代谢通路，从而起到对抗肥胖症的作用。

3 结语

GDF15是一种在人体内存在的天然蛋白，具有较高的安全性。GDF15与GFRAL结合可以激活下游能量代谢信号通路，起到提高代谢水平、降低体重的作用。因此，GDF15有成为肥胖症治疗药物的潜力。虽然GDF15存在半衰期短、机制研究不完全等限制因素，但近年来蛋白长效化技术的发展和GDF15受体相互作用机制研究的进展，为GDF15用于治疗肥胖症及其相关疾病提供了更多的可能性。