生长分化因子15：调节脂肪组织能量代谢的新激素

袁 力， 韦 晓， 陈国芳， 刘 超

（南京中医药大学附属中西医结合医院内分泌科 江苏省中医药研究院国家中医药管理局瘿病证治国家重点研究室，江苏 南京 210028）

随着物质生活水平的提升，在短短数十年间，全球肥胖人数已超过6.71亿[1]。而肥胖的发生、发展将伴随着阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、糖尿病、高血压、心脏病等慢性疾病的风险增加[2]。在蔓延全球的新型冠状病毒肺炎疫情中，肥胖患者的死亡率远高于标准体重者[3]。但现行治疗肥胖的手段皆存在种种弊端，减重后反弹更是棘手的难题。

近年来，生长分化因子15（growth differentiation factor 15,GDF15）在脂肪组织代谢方面的作用逐渐为人们所认知，通过调控脂肪的能量代谢活性、刺激迷走神经传导而减缓胃蠕动以及管控中央杏仁核抑制食欲，从而减轻体重[4-5]。但国内学者对这一领域的关注较少，GDF15是否可作为代谢性疾病治疗的新靶点，有效减重或防止体重反弹，是今后研究的重点。本文简述GDF15在调节脂肪组织能量代谢中的作用，旨在为肥胖及其相关疾病的研究提供参考。

GDF15及其受体

GDF15是一种肽类激素，其表达主要由细胞应激所诱导，在抑制食欲和应对外环境有害刺激时发挥关键作用[6]。业已证实，人类GDF15基因位于19号染色体（19p13.11）短臂的正链上，包含2个外显子，并由1个内含子隔开。GDF15前体由29个氨基酸的信号肽、167个氨基酸的前肽和112个氨基酸的成熟区域共同构成。在GDF15蛋白前体的水解过程中，N端信号肽被切除，通过二硫键构成二聚体。二聚体在内质网折叠后，被前蛋白转化酶剪切后分泌至细胞外。随后，GDF15与细胞外基质成分产生交互作用，以此调控GDF15的血清浓度和生物活性[7]。

GDF15由肝脏、肾脏、肌肉、脂肪等组织器官分泌，其血清水平升高往往预示着炎症、恶性肿瘤、心血管疾病等异常状态[8]。

GDF15被发现后的20年，其特异性受体胶质细胞源性神经营养因子家族受体α样蛋白（glial cell line-derived neurotrophic factor receptor alpha like,GFRAL）被发现。GFRAL由GFRAL基因编码。该基因位于6号染色体短臂，由9个外显子组成，编码由394个氨基酸组成的蛋白质。GFRAL蛋白的N端表达于细胞膜之外；C端形成跨膜螺旋结构；剩余的氨基酸则组成细胞质结构域[9]。Hsu等[7]发现，GDF15与细胞表面的GFRAL和RET（rearranged during transfection）原癌基因形成三聚体，并以此传导信号，发挥生物学效性。

GDF15在脂肪组织能量代谢中的作用

脂肪组织可分为白色脂肪、棕色脂肪与米色脂肪。白色脂肪是脂质的主要储存部位和脂肪炎性因子的生产场所；棕色脂肪组织通过脂肪酸的氧化代谢控制能量消耗和产热；而米色脂肪是白色脂肪受到刺激后的特殊产物，其生理特性与棕色脂肪相似。越来越多的研究表明，GDF15在调控脂肪组织能量代谢中扮演十分重要的角色，其含量和表达的变化可有效调控脂肪组织的分解和产热。

一、GDF15与脂肪分解

从2015年开始，陆续有学者开始探究GDF15与脂肪分解之间的关联性。Chrysovergis等[10]发现，GDF15转基因小鼠体内脂肪细胞的体积明显小于野生型小鼠。随后通过聚合酶链反应（polymerase chain reaction,PCR）检测脂肪细胞分化标志物过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptorγ，PPARγ）、葡糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）和脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN）基因的表达，以排除GDF15水平上升使脂肪组织分化改变的可能性。最后检测肾上腺素β3受体（β3adrenergic receptor，Adrb3）、三 酰 甘 油 脂 肪 酶（triglyceride lipase，TGL）和激素敏感性脂肪酶（hormone-sensitive lipase，HSL）与脂肪分解有关的基因表达，发现在GDF15转基因小鼠体内后3种基因表达水平升高，说明GDF15可直接诱使小鼠脂肪分解增加。

Chung等[11]对GDF15与脂肪分解的关系进行专项研究，结果发现，小鼠循环中GDF15水平升高时，伴随HSL表达的同步变化。为明确小鼠脂肪分解水平提高是否与GDF15水平的上升有关，研究者进行了另外一项体外实验，结果显示，使用GDF15对脂肪细胞进行处理后，脂肪细胞释放到介质中的甘油水平显著提升。Emmerson等[12]进一步观察到，皮下脂肪组织是GDF15受体GFRAL表达的重要部位，因此提出假设：GDF15可以靶向作用于白色脂肪组织，诱导脂肪分解，通过检测GFRAL与RET在白色脂肪中的转录水平，发现两者在脂肪组织中均大量表达，这一结果再次印证了GDF15在脂肪细胞中的代谢调节作用。将GDF15蛋白作用于脂肪细胞后，观测到介质中甘油的释放增加，而在利用GDF15的中和性抗体阻断GDF15后，脂肪细胞中的脂肪分解反应则完全停止[13]。

针对人体的研究资料相对较少。Laurens等[13]先后进行了动物和人体试验，发现受试者运动后，循环中GDF15水平上升。此外，肥胖受试者在休息和运动时血浆中甘油与GDF15水平呈正相关。研究认为，肌源性GDF15可在骨骼肌内发挥旁分泌作用，靶向调节肌内脂肪组织。肌肉收缩时，释放GDF15，到达脂肪组织的靶受体GFRAL/RET，激活脂肪分解，释放非酯化脂肪酸，作为肌肉收缩的燃料，由此减少肌肉中脂肪组织的占比。

二、GDF15与脂肪产热

棕色脂肪组织可通过非寒战产热快速提供能量，这一功能使哺乳动物面对环境温度变化时可应对自如。棕色脂肪组织通过其特异性表达的解耦联蛋白1（uncoupling protein 1,UCP1）产生热量。

Chrysovergis等[10]首先观察到GDF15转基因小鼠的昼夜产热均高于野生型小鼠，且GDF15可有效抑制饮食或遗传诱导的肥胖。GDF15转基因小鼠的棕色脂肪内脂解基因的表达升高，提示棕色脂肪组织的脂肪分解水平更高。研究者检测与产热和氧化代谢相关的基因表达，发现在GDF15转基因小鼠体内这些产热基因的表达均升高。这些结果支持GDF15可增加棕色脂肪的产热和脂肪分解作用，为其抵抗遗传或饮食诱导的肥胖提供了解释。

随后的动物实验发现，GDF15可增加高脂喂养小鼠的能量消耗。为进一步明确能量消耗和产热之间的关系，Tsai等[14]对GDF15与UCP1之间的相关性进行了研究，结果显示GDF15水平增高对棕色脂肪中UCP1的表达无影响。这一发现与传统上对棕色脂肪功能的认识存在差异。研究者认为，棕色脂肪中未见到GDF15诱导UCP1升高的原因可能是，在本实验中小鼠被置于22～23℃的环境，基础体温在30℃左右，如果仅受到轻度冷刺激，则不会明显诱导棕色脂肪组织产热和UCP1的表达[15]。

Campderrós等[16]在后续研究中改善了Tasi等[14]实验的不足，首先将2组小鼠分别置于4℃和30℃的环境中24 h，观测到置于4℃环境的小鼠棕色脂肪组织中GDF15蛋白水平上升，但循环中GDF15水平并未提高。肝脏为GDF15主要表达及释放的部位，考虑GDF15在肝脏中的表达可能同样受到冷刺激的影响。在冷刺激下，GDF15在肝脏中表达下调可能减少其释放。各部位GDF15的不同表达水平共同影响其在血清中的总水平，可能是血清GDF15水平并未变化的原因。根据既往的研究，成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor 21,FGF21）是由去甲肾上腺素能介导的棕色脂肪细胞分泌因子[17]，本研究发现，用FGF21处理棕色脂肪细胞可上调细胞中GDF15的转录水平，并增加细胞培养基中GDF15的浓度。相反，若敲除棕色脂肪中的FGF21，则GDF15的表达和分泌也会消失。从而证明，FGF21在棕色脂肪组织中对GDF15的释放和表达起着不可或缺的作用。

然而Flicker等[18]的研究发现，将小鼠置于低温环境中6 h后，循环中FGF21和GDF15水平分别增加了5倍和2倍，而不是仅限于脂肪组织局部GDF15的升高。这一结果与上述研究存在差异，其原因值得进一步探究。

三、GDF15与白色脂肪棕色化

白色脂肪组织在特定的条件下可向棕色脂肪组织转化，从而增加产热，提高代谢活性，这一转化的过程称为白色脂肪棕色化[19]，由此显著改善脂肪组织能量储备过多[20]。

GDF15的缺失会抑制白色脂肪的棕色化转变过程。Ost等[21]在2020年的研究中发现，敲除GDF15基因后，小鼠体内的白色脂肪组织棕色化完全停止。可能是由于GDF15基因的消融，抑制了对胰岛素敏感性的改善和对饮食诱导肥胖的抵抗，导致脂肪组织增多。根据以往的研究[22]，脂肪组织的增加会导致特定酶（N-酰基磷脂酰乙醇胺磷脂酶D）的缺失，从而进一步抑制白色脂肪棕色化的发生。目前，关于GDF15对白色脂肪棕色化的直接影响尚缺乏研究。

四、GDF15与棕色脂肪组织分化

目前市场上流通着大量减重类药物，但大多数存在弊端，甚至是基因毒性。减重手术术后需长期服用阿片类药物，自杀风险显著提高[23]。Lee等[24]最早发现冷刺激可以提高棕色脂肪量，从而增加胰岛素敏感性。并认为移植棕色脂肪组织可有效改善因糖、脂代谢紊乱所致的肥胖。

在人体中，未成熟的多功能干细胞需要10 d才能分化为成熟的棕色脂肪细胞，而生肌因子阳性的成肌细胞阶段对应于分化系统中的第6天。Oka等[25]发现，GDF15和白介素-6（interleukin-6,IL-6）之间存在动态的基因诱导系统，即IL-6在棕色脂肪分化的早期诱导GDF15的表达，GDF15和IL-6在后期相互诱导彼此的表达。当进行棕色脂肪组织移植后，GDF15对棕色脂肪发育的影响并不显著，但与棕色脂肪移植后的长期生存密切相关。IL-6可能通过信号转导与转录激活因子3通路的激活直接诱导GDF15基因的表达，而GDF15则间接地诱导IL-6基因。要阐明IL-6和GDF15之间相互诱导的分子机制，仍需进一步研究加以明确。

GDF15及其受体在调控人体能量代谢方面的作用已逐渐显现。研究者们已经验证了GDF15的诸多功能，GDF15释放后，与脂肪组织上的靶受体GFRAL和RET形成复合物，激活脂肪分解过程。另一方面，GDF15可有效增加UCP1的转录与表达，促进脂肪组织的产热水平。此外，GDF15尚具有促进白色脂肪棕色化的功效。提示GDF15在减少脂肪组织、降低体重方面具有积极的意义，有望成为新型的减重制剂。

但目前仍有许多困惑需要进一步研究，更加关注GDF15及其信号通路相关分子的特异表达，聚焦GDF15的旁分泌效应，并开展设计精良、方法适宜的大样本试验，以阐释现有一些研究结果不一致性的原因和机制。