FNDC4在多种疾病中的作用机制研究进展

李莲, 邓霞, 袁国跃, 杨玲

(江苏大学附属医院内分泌代谢病科,江苏 镇江 212001)

纤维连接蛋白Ⅲ型结构域包含蛋白4(fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 4, FNDC4)最初于2002年通过高通量基因组测序分析发现,并因存在Ⅲ型纤维连接蛋白结构域而命名为Ⅲ型重复序列蛋白1(fibronectin type Ⅲ repeat containing protein 1, FRCP1),在胚胎发育中发挥重要作用[1]。然而,直到2016年才发现FNDC4能够分泌细胞外N端纤维连接蛋白Ⅲ型结构域(sFNDC4),通过影响巨噬细胞的吞噬、存活、炎症因子分泌以及细胞极化的状态在炎症性肠病中发挥抗炎作用[2]。近年来sFNDC4在多种疾病中的作用逐渐被发现,特别是在糖脂代谢疾病中的积极效应使其成为新的治疗靶点。本文就FNDC4的发现、结构、分布和其在各种疾病中的作用及机制进行综述,旨为糖脂代谢相关代谢性疾病、炎症性肠病以及骨质疏松症等多种疾病的治疗提供理论依据。

1 FNDC4的结构和分布

FNDC4的基因最初于2002年由Teufel等命名为FRCP1,以含有纤维连接蛋白Ⅲ型结构域为特征,与FRCP2即FNDC5共同被发现[1]。FNDC4属于Ⅰ型跨膜蛋白,是纤维连接蛋白型结构域蛋白家族的成员,该蛋白家族包括FNDC 1-5型 ,由信号肽、纤维连接蛋白Ⅲ型结构域、C端胞内结构域和疏水性跨膜结构域组成[2]。其中FNDC4和FNDC5的N端胞外纤维连接蛋白Ⅲ型结构域被水解并分泌到血液中发挥生物学功能,即sFNDC4和鸢尾素,两者的氨基酸同源性高达57%。FNDC4在哺乳动物物种间高度保守,人和小鼠同源性高达100%。

FNDC4在肝脏和脑中高度表达,在骨骼肌、心脏、肺、肾脏、睾丸、脂肪等其他组织中低表达,而在巨噬细胞中几乎不表达。肝脏FNDC4 转录水平的降低导致小鼠循环在血清中的sFNDC4水平相应减少,表明肝脏是sFNDC4的主要来源[3]。关于sFNDC4受体的研究目前尚少,在脂肪细胞中G蛋白偶联受体116(G protein-coupled receptor 116,GPR116)是sFNDC4的功能性受体,激活G蛋白-cAMP-PKA通路可促进葡萄糖摄取,并参与脂代谢[3]；在牛骨髓间充质干细胞中筛选出整合素β1为sFNDC4的受体,两者相互作用促进骨骼肌源性卫星细胞的分化和迁移；而在小鼠成肌细胞(C2C12)中sFNDC4与低密度脂蛋白相关受体6相互作用,促进肌源性分化和修复[4-5]；巨噬细胞中尚未明确相关受体。

2 FNDC4在多种疾病中的作用及机制

2.1 FNDC4与炎症性肠病

炎症性肠病以肠道免疫功能过度活跃和失调为特征,巨噬细胞在其中发挥重要作用[6]。现有研究发现,FNDC4能够调节巨噬细胞的功能和极化状态,改善炎症性肠病的炎症；FNDC4在人炎症性肠病炎症部位表达升高,主要分布在肠上皮细胞和富集免疫细胞的淋巴组织,且与炎症指标呈正相关；注射重组FNDC4蛋白干预右旋糖酐硫酸钠诱导的结肠炎小鼠模型后,发现肠道炎症明显改善,其疾病活动指数评分降低,结肠长度缩短程度减少,炎症因子表达下降,评估结肠炎严重程度的组织病理学评分也明显降低,提示FNDC4可明显改善小鼠结肠炎的严重程度[2,7]。

Bosma等[2]进一步研究明确,FNDC4与巨噬细胞/单核细胞强特异性结合,部分可以通过JNK/STAT3通路,使STAT3 DNA与细胞因子信号转导抑制因子3(suppressors of cytokine signaling 3, Socs3)启动子区域结合,促进其下游靶基因Socs3表达升高,从而调节巨噬细胞如下功能:① 通过抑制造血细胞激酶、CD36等吞噬相关基因的表达抑制巨噬细胞的吞噬功能。② 抑制C-C配体3、C-C配体4和C-C配体10等促炎性趋化因子调节巨噬细胞细胞因子的分泌。③ 增强巨噬细胞的存活。此外,FNDC4能够调节巨噬细胞的极化使其处于相对静止、抗炎的状态。巨噬细胞的表型和功能受周围微环境的调节,其表型主要分为两种:M1型,在机体受到感染过程中被脂多糖极化后促进炎症,分泌IL-1β, IL-6, IL-12, IL-23 和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等促炎因子[8]；M2型,具有抗炎和免疫调节功能,参与炎症相关损伤的修复过程,被Th2细胞因子(IL-4、IL-13)极化后分泌IL-10 和TGF-β等抗炎因子。然而,FNDC4干预脂多糖或IL-4诱导的M1、M2巨噬细胞后各表型的标志物表达降低,提示FNDC4抑制巨噬细胞的功能并非是通过促进M1向M2表型的转化,而是在受到刺激时使巨噬细胞处于抗炎、静止的状态,从而在炎症性肠病中发挥抗炎作用。

2.2 FNDC4与肥胖症

肥胖是机体能量摄入长期超过消耗量,导致体内脂肪积聚过多和(或)分布不均的疾病,其营养摄入过多促进脂肪细胞的脂质合成,脂肪细胞数目增多。现有研究发现FNDC4通过直接参与脂肪细胞的脂代谢从而影响肥胖相关的病理生理状态[3,9-10]。Frühbeck等[9]研究显示,病态肥胖人群血清FNDC4浓度比健康人群低,而对应的内脏脂肪组织和皮下脂肪组织中FNDC4表达升高,且与体重、BMI和体脂等水平呈正相关。作者进一步研究表明,FNDC4以GPR116为受体,通过下调过氧化物酶体增殖物激活受体γ2抑制人脂肪组织来源间充质干细胞——血管基质部分细胞分化为脂肪细胞,并下调下游靶基因脂肪酸结合蛋白4和脂联素的表达抑制脂肪生成,从而降低三酰甘油的含量,抑制细胞内脂质的累积。这些结果提示在肥胖状态下FNDC4总体水平降低,而在内脏脂肪组织中反应性升高,可部分抑制脂肪过度生成,从而改善过度脂质累积所致慢性炎症和胰岛素抵抗等病理状态。

脂肪组织在能量平衡和稳态中发挥重要作用,白色脂肪组织主要储存能量,在特定刺激下经历褐变转化为褐色脂肪,使能量平衡从储存转向消耗,从而有望成为肥胖的重要治疗策略[11-12]。棕色脂肪组织通过解偶联蛋白(uncoupling protein 1,UCP1)介导的ATP合成中氧化磷酸化的解偶联促进能量的消耗,以线粒体中UCP1表达增加、多腔室脂滴的生成和线粒体数量的增加为特征。Frühbeck等[9]研究显示,FNDC4干预人脂肪细胞后促进适应性产热标志物UCP1蛋白的表达,并上调棕色和褐色脂肪细胞标志物PR结构域蛋白16(PR domain containing 16,PRDM16), 跨膜蛋白26(transmembrane protein 26,TMEM26), CD137和UCP1的转录水平；同时发现FNDC4干预后人脂肪细胞中线粒体DNA含量约增加2倍,提示FNDC4能促进脂肪细胞线粒体的生成和白色脂肪细胞的褐变,从而参与机体的能量代谢。

肥胖是2型糖尿病、非酒精性脂肪肝和心血管疾病的危险因素,与全身性慢性炎症及胰岛素抵抗等病理状态密切相关[13-14]。检测接受减重手术的肥胖人群术前和术后6个月的血清FNDC4水平,发现手术前后FNDC4水平无明显变化,但其术前水平与全身炎症指标C反应蛋白呈正相关,随着肥胖相关代谢紊乱和炎症改善,术后FNDC4水平与C反应蛋白的相关性随之消失,提示FNDC4可能通过抗炎作用参与肥胖相关代谢。在肥胖人群内脏脂肪组织中FNDC4的表达与基质血管成分细胞中的巨噬细胞泛标志物CD68表达呈负相关,进一步提示FNDC4在肥胖人群中发挥抗炎作用[9]。由此表明,FNDC4水平与体脂、体重及全身炎症状态等肥胖相关因素密切相关,可能成为改善肥胖相关代谢异常疾病的新的治疗靶点。

2.3 FNDC4与2型糖尿病

胰岛素抵抗是2型糖尿病的重要病理生理特征,其与脂毒性、内质网应激、线粒体功能障碍等密切相关。现有研究提示FNDC4通过改善胰岛素抵抗从而参与机体的糖代谢[15-16]。健康人群接受高脂饮食后随着胰岛素抵抗系数的增加血清FNDC4水平降低；长期注射长效重组FNDC4的高脂喂养小鼠葡萄糖耐量明显改善,表明FNDC4水平与胰岛素抵抗密切相关[3]。Nie等[17]研究也发现,脂肪组织选择性敲除GPR116的小鼠更容易受到高脂饮食诱导的糖耐量受损和胰岛素抵抗的影响,且表现出循环三酰甘油水平升高,肝脏和骨骼肌异位脂质增多,炎症因子水平的升高,提示FNDC4-GPR116轴与全身胰岛素抵抗密切相关。然而Georgiadi等[3]研究发现,高脂喂养小鼠长期注射FNDC4后其肝脏、肌肉、脂肪组织重量以及三酰甘油含量无明显改变,表明代谢组织中脂质含量的变化不能完全解释FNDC4对葡萄糖耐量的改善。为了研究sFNDC4影响胰岛素抵抗的机制,作者进一步研究明确,sFNDC4与白色脂肪中的GPR116特异性结合,通过激活Gs-cAMP-PKA信号通路使cAMP反应原件蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)磷酸化,促进胰岛素的信号通路活化。另外,在胰岛素刺激时串联pAKT-pAS160-GLUT4通路,促进白色脂肪组织中的葡萄糖摄取,由此参与机体糖耐量的调节。

已知脂肪组织的胰岛素抵抗与葡萄糖转运、脂质摄取和脂肪分解相关,其中慢性炎症与脂肪胰岛素抵抗有着密切的联系[18]。脂肪组织中活化的巨噬细胞通过趋化因子信号招募并释放促进脂肪分解的细胞因子,如TNF-α、IL-6等,从而导致脂肪组织的胰岛素抵抗。注射FNDC4的高脂喂养小鼠血清和脂肪组织中炎症指标TNF-α和单核细胞趋化蛋白-1水平降低,且巨噬细胞浸润减少[3]。Lee等[10]研究表明,棕榈酸酯诱导的3T3-L1脂肪细胞胰岛素抵抗模型中,sFNDC4的干预促进腺苷酸活化蛋白激酶磷酸化,增强核因子E2相关因子2(nuclear factor-E2-related factor 2, Nrf2)信号反应,使血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)表达增加,抑制核转录因子κB(nuclear factor κB, NF-κB)核移位和核转录因子κB抑制蛋白(inhibitor of nuclear factor κB,IκB)磷酸化,减少炎症因子的表达。同时,HO-1的表达升高能够抑制内质网应激标志物肌醇需求酶1、真核细胞翻译起始因子2a和 CCAAT增强子结合蛋白同源蛋白的表达,从而改善脂肪细胞的胰岛素抵抗,参与机体的糖耐量调节。然而,FNDC4是否通过改善内质网应激参与胰岛素抵抗尚有争议。Georgiadi等[3]的实验得出不同的结论,FNDC4干预棕榈酸酯诱导3T3-L1脂肪细胞后不影响肌醇需求酶1蛋白的磷酸化,同时FNDC4的干预对高脂喂养小鼠白色脂肪中内质网应激标志物和内质网调控因子HO-1的转录水平无明显改变,提示FNDC4并不参与脂肪细胞的内质网应激。两种不同的结果可能与FNDC4的来源和剂量不同相关。因此,需要更多的实验来探索FNDC4对内质网应激的效应,从而探究FNDC4是否进一步影响凋亡、应激细胞的转归等与内质网应激相关的病理生理过程。

现有研究发现,健康受试者肝脏组织中FNDC4转录水平与空腹血糖和口服葡萄糖耐量试验2 h的血糖水平呈负相关；与正常糖耐量、非肥胖的健康人群相比,糖耐量受损或胰岛素耐量受损的肥胖人群和合并有2型糖尿病的肥胖人群肝脏组织中FNDC4转录水平下降,提示FNDC4水平与糖耐量和胰岛素敏感性密切相关；另外,FNDC4干预不影响胰岛素的分泌[3]。然而,在肥胖人群中,血糖正常组和糖耐量异常或2型糖尿病组血清FNDC4水平无明显差异[9]。因此,需要进一步探索FNDC4是否直接参与糖原分解、糖异生等糖代谢,从而更深入了解FNDC4影响糖代谢的具体机制。

2.4 FNDC4与骨质疏松症

骨质疏松症以骨强度和骨质量的降低为病理生理特征,造成骨脆性增加,容易发生骨折。其中,破骨细胞介导的骨吸收和成骨细胞介导的骨生成共同维持骨稳态[19]。破骨细胞形成的过程中巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)和核因子κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL)发挥重要作用。M-CSF负责维持破骨细胞前体细胞的增殖和存活,而RANKL通过激活其受体NF-κB受体激活剂(receptor activator for nuclear factor-κB,RANK)使破骨细胞前体分化为成熟破骨细胞。RANKL与RANK结合后,肿瘤坏死因子受体相关因子6被招募,进而激活NF-κB通路,促进IκB磷酸化、泛素化和降解,使NF-κB因子自由转移到细胞核调节破骨细胞分化相关基因的表达[20]。Lv等[21]研究显示,FNDC4可延缓RANKL诱导的IκB降解,减少NF-κB p65的核移位,同时抑制CXCL10的生成,从而以剂量依赖的方式抑制RANKL诱导的破骨细胞的分化,抑制破骨细胞的骨吸收。因此,FNDC4作为破骨细胞形成的新调节因子,可能对骨质疏松症具有治疗潜力。

肌肉和骨骼作为运动系统的重要组成部分,两者的功能密切相关[22-23]。从机械角度来看,适当的机械刺激能够促进骨生成,当肌肉质量及功能低下时体力活动减少从而影响骨密度；从内分泌功能角度来看,肌肉作为体内最大的内分泌器官能够分泌多种细胞因子,如鸢尾素、胰岛素样生长因子-1等调控骨代谢。Li等[4]研究表明,C2C12肌细胞分化过程中FNDC4和肌细胞分化标志物肌细胞生成素(myogenin,MYOG)逐渐升高,且FNDC4过表达后肌管融合率增加5倍,提示FNDC4促进肌细胞的分化与生成。同时在布比卡因诱导的小鼠肌肉损伤模型中,随着肌纤维的再生FNDC4和MYOG的水平逐渐增加,修复为成熟肌纤维后恢复基线水平,提示FNDC4参与肌损伤的修复过程。作者进一步研究明确,FNDC4可通过磷酸化低密度脂蛋白相关受体6,激活经典的Wnt/β-catenin信号通路,促进β-catenin表达和核移位,促进肌源性分化、肌管融合,参与肌损伤的修复。另外,细胞骨架衔接蛋白黏着斑蛋白通过调节桩蛋白和黏着斑激酶的相互作用影响细胞外调节蛋白激酶1/2活性,从而控制运动和存活[24]。Wang等[5]在牛骨髓间充质细胞中的研究提示,sFNDC4与整合素β1相互作用,通过黏着斑蛋白影响黏着斑激酶/桩蛋白相互作用促进细胞迁移,从而参与肌源性卫星细胞的迁移和分化。上述研究表明,FNDC4参与骨骼肌分化、形成和损伤的修复,由此为骨骼肌减少及损伤等疾病提供新的治疗方向。

2.5 FNDC4与肿瘤

Wang等[25]对接受肝脏切除术的205例肝细胞癌患者进行信息收集,包括肿瘤大小、TNM分期、分化程度、肝内转移、淋巴结转移、微血管浸润等病理,并术后随访5年,记录了患者肿瘤复发和死亡情况。肿瘤组织免疫染色评分显示,FNDC4的高表达与组织分化程度和微血管浸润程度呈正相关,且FNDC4高表达组的术后总生存期较短、复发率高,提示高水平FNDC4与肝细胞癌的不良预后密切相关；在体外研究中,慢病毒转染的FNDC4过表达和TGF-β1诱导的内源性FNDC4增加均促进HepG2和Huh-7等肝癌细胞的迁移和侵袭,干扰FNDC4表达可抑制其迁移和侵袭；在细胞实验中进一步验证,FNDC4过表达后的肝癌细胞中p-AKT 明显升高,提示FNDC4通过PI3K/AKT通路参与肝癌细胞的迁移和侵袭。另外,GEO数据分析显示,人类微卫星不稳定结直肠癌样本(n=34)的数据集(GDS4515)中,受累及的结肠黏膜与未受累及的结肠黏膜相比FNDC4水平明显降低,而其受体GPR116明显升高[7]。上述结果提示FNDC4在不同肿瘤中的表达不尽相同,需要扩大临床样本提高可靠性。

3 总结

FNDC4作为一种新型肝脏因子,在调节炎症、骨代谢、骨骼肌分化以及糖脂代谢等方面发挥积极的生物学效应,在糖脂代谢性疾病、炎症性疾病以及骨质疏松症中发挥重要的功能。近年来多项研究显示,sFNDC4在肝脏-脂肪内分泌轴中传递信息,调节全身葡萄糖稳态,抑制脂质合成,有望成为新型代谢性疾病的标志物和治疗靶点。尽管FNDC4在多种系统疾病中取得了一定进展,但其具体机制尚未得到充分阐明,仍需进一步研究和完善。