生长分化因子15在非酒精性脂肪性肝病防治中的作用和机制

孙烁烁，韦晓，陈国芳，刘超

(南京中医药大学附属中西医结合医院a.内分泌科，b.瘿病证治重点研究室，南京 210028)

非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)是世界范围内常见的慢性肝病，疾病谱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可发展为更严重的肝脏疾病，如肝硬化和肝细胞癌[1]。除单独发病外，NAFLD还易合并其他代谢性疾病，如肥胖、糖尿病和血脂异常，对人类健康造成严重威胁[2]。因此，积极防治NAFLD，延缓病情进展具有重要的临床意义。NAFLD的治疗主要通过生活方式干预联合药物治疗，迄今尚无有效的治疗手段。NAFLD患者可通过减重缓解病情，但长期坚持饮食和运动干预是一项巨大挑战，易出现体重反弹。目前尚无治疗NAFLD的特效药，主要治疗药物包括抗氧化药物、胰岛素增敏剂、胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)受体激动剂、保肝药、降脂药、微生态制剂、胆汁酸受体激动剂等，但临床疗效有限，且存在相关不良反应，故未在临床广泛应用。

NAFLD的发病机制复杂，其主要发病机制是脂肪在肝脏的异常沉积，异常堆积的脂类物质会诱导炎症和纤维化的发生，导致肝细胞形态和功能的损伤[3]，通过调节脂类代谢紊乱可延缓NAFLD进展。研究发现，生长分化因子15(growth differentiation factor 15，GDF15)在脂类代谢调节中发挥重要作用，可缓解NAFLD过程中的肝细胞损伤[4-6]。NAFLD动物模型中血清和肝脏GDF15表达水平代偿性升高[7]，故GDF15可能是治疗NAFLD的潜在靶点。探讨GDF15高表达的调控因素及其在NAFLD中的作用，可为治疗NAFLD提供科学依据。

1 GDF15概述

1.1GDF15的结构与分布 GDF15是转化生长因子-β/骨形态发生蛋白超家族的成员[8]，也是一种应激反应细胞因子，又称NSAID激活基因-1、巨噬细胞抑制细胞因子1，与多种生物学过程和疾病有关[4,9]。GDF15与其他家族成员类似，具有单个保守的链间二硫键，通常以224个氨基酸的二聚体蛋白形式分泌，分子量约为25 000[5]。GDF15以二聚体发挥作用，故其翻译后修饰过程十分重要，分别形成前GDF15、GDF15二聚体、成熟的GDF15二聚体，后者被认为是GDF15的活性形式；且不同物种GDF15的表达部位和丰度存在差异[4]。研究发现，犬和小鼠肝、肺和肾脏中GDF15呈高表达[4]，且高脂环境下小鼠肝细胞GDF15表达水平显著升高[10]。Kim等[7]发现，GDF15基因敲除小鼠表现出严重的NASH表型，其肝脏脂肪变性、炎症和纤维化加重，肝损伤和代谢恶化，而GDF15过表达小鼠上述表型改善。由此可见，GDF15高表达可缓解NASH进展。然而，关于人体各脏器中GDF15表达的研究较少。有资料显示，胎盘中GDF15呈高表达，而结肠、肾脏和前列腺中GDF15表达较低，且肝脏中GDF15呈差异性表达；但有研究认为，人肝脏中不表达GDF15[4-5]。因此，GDF15与人类NAFLD和NASH的关系尚不明确。

1.2GDF15的生物学功能 GDF15被认为是转化生长因子-β超家族成员，但其特异性受体尚不清楚。神经胶质细胞源性神经营养因子α样受体(glial cell-derived neurotrophic factor receptor alpha-like，GFRAL)具有很高的亲和力，可与GDF15特异结合，是GDF15发挥生理活性的关键要素[11]。GFRAL的表达主要局限于中枢神经系统，特别是小鼠、大鼠、猴子及人类的脑干[12]极后区和孤束核。GFRAL下游途径的激活需要辅助受体，原癌基因酪氨酸蛋白激酶受体RET是GFRAL的辅助受体，在极后区、孤束核和下丘脑的多个区域中表达[11]。多项研究表明，GDF15抑制摄食的作用依赖GFRAL的介导，GDF15与GFRAL结合，诱导辅助受体RET的激活和磷酸化，进而激活蛋白激酶B、胞外信号调节激酶1/2和磷脂酶C，减少食物摄入、促进体重减轻和改变能量稳态[5,11-14]。

β-抑制蛋白1(β-arrestin 1，ARRB1)在GDF15与GFRAL的激活中发挥重要作用，可促进GDF15的成熟。ARRB1最初被认为是G蛋白偶联受体信号转导的负调控因子，现已证实，其作为分子支架与其他伴侣蛋白相互作用调节细胞功能，并参与多种生理过程，ARRB1可下调脂肪生成相关基因，且ARRB1可通过GDF15调控相应基因及蛋白的表达[15-16]。此外，激素受体样激酶5-转化生长因子-β受体Ⅱ复合物也介导GDF15在各种组织和细胞中的作用，提示GDF15可能通过其他受体以及GFRAL发挥代谢调节作用[7,17]。目前，GDF15/GFRAL的信号转导途径尚不完全清楚，需要进一步研究GDF15受体与成熟GDF15生物学活性之间的关系，以进一步探索GFRAL或激素受体样激酶5-转化生长因子-β受体Ⅱ复合物在GDF15改善NAFLD中的作用。

2 GDF15在肝脏中的表达

肝细胞内质网应激、肝细胞雌激素受体的激活、线粒体氧化磷酸化功能降低、DNA甲基化修饰等因素可调控GDF15在高脂环境下的表达。

2.1内质网应激诱导GDF15表达 肝脏脂质堆积会诱导内质网应激的出现，内质网应激长期存在会导致未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)途径的激活[10]。UPR途径由肌醇需求酶1α、蛋白激酶R样内质网激酶、激活转录因子6α三种内质网跨膜压力传感器协同激活。肝细胞内质网应激可诱导GDF15表达水平升高。Li等[10]通过诱导小鼠原代肝细胞内质网应激激活UPR途径的研究发现，血清和肝脏GDF15水平均显著升高。

2.2雌激素受体(estrogen receptor，ER)α诱导GDF15表达 ERα是能量和糖代谢的关键调节因子，被认为是预防NAFLD的相关分子靶点。多项研究发现，ERα是预防脂肪变性的重要因素，在雌激素对高脂环境的调节中发挥关键作用[18-21]。GDF15与ERα相互关联。Guillaume等[21]发现，选择性ER调节剂通过激活肝细胞中的ERα促进小鼠肝脏和血清中GDF15的表达；进一步研究证实，肝细胞ERα诱导的GDF15持续表达足以对抗肥胖及其相关并发症。

2.3线粒体氧化磷酸化功能降低诱导GDF15表达 线粒体氧化磷酸化功能缺陷可由线粒体遗传性疾病引起，在代谢性疾病(如肥胖、2型糖尿病)患者中很常见。Choi等[22]研究发现，高脂喂养的脂肪细胞线粒体氧化磷酸化功能降低小鼠的GDF15表达水平升高，可保护饮食诱导的肥胖相关代谢缺陷。既往研究认为，各种炎症性疾病中GDF15的诱导作用是机体对线粒体激活的应激反应信号通路的适应[23]。Chung等[24]报道，GDF15调节全身能量稳态，并在肌肉线粒体功能障碍和线粒体UPR激活的情况下抑制饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗。类似于内质网应激相关UPR，线粒体UPR也可上调胞质内转录因子C/EBP同源蛋白的表达，诱导GDF15表达。

2.4DNA甲基化修饰影响GDF15表达 与正常对照小鼠相比，NAFLD模型小鼠的肝脏GDF15表达降低，且NAFLD模型小鼠肝脏整体DNA甲基化水平升高，包括GDF15基因启动子区域，而GDF15启动子区域的CpG岛存在高甲基化修饰，提示DNA的甲基化修饰可抑制GDF15的表达，且这种DNA甲基化的表观遗传修饰具有潜在传递性，可影响NAFLD模型小鼠子代的GDF15表达；但是，DNA甲基化修饰对不同模型小鼠GDF15表达影响的研究结果不一致，如短期高脂饮食喂养小鼠中GDF15表达水平升高，而高脂饮食db/db或ob/ob小鼠的GDF15表达水平降低[25]。

3 GDF15与NAFLD

GDF15在NAFLD中的高表达促使其发挥代偿性保护作用，可通过降低体重、促进肝脏脂肪代谢、抑制肝脏肥大、降低炎症反应、抑制肝纤维化延缓NAFLD的发生发展。

3.1GDF15降低体重 肥胖患者体内GDF15代偿性升高，与体质指数高度相关[6,26]。与野生型小鼠相比，GDF15基因缺陷小鼠的体重和脂肪含量略有增加；异种移植DU-145前列腺肿瘤细胞小鼠体内可见GDF15表达，且小鼠体重、脂肪组织含量及食物摄入量均偏低；肥胖小鼠模型GDF15高表达，小鼠体重降低、脂肪组织堆积减轻；给予高脂饮食诱导的C57BL/6肥胖小鼠模型外源性GDF15，可预防肥胖和肝脂肪变性[4]。

GDF15对体重和能量稳态的调节机制包括依赖神经系统的抑制食欲机制和不依赖神经系统的增加能量消耗机制[4]。在神经系统中，GDF15与其受体的结合通过控制进食量减轻体重。有研究发现，GFRAL基因敲除小鼠与野生型小鼠的体重或脂肪含量无明显差异[6,13]，但高脂饮食GFRAL基因敲除小鼠的体重和脂肪含量更高[12]。因此，GFRAL在体重减轻中发挥重要作用，GDF15可通过激活GFRAL介导的摄食减少导致体重下降[12-13,27]。此外，表达GDF15异种移植小鼠的白色脂肪组织中的脂解基因表达以及棕色脂肪组织中的产热基因表达均增加[4]。以上研究提示，GDF15作为一种体重调节器，可能通过减少食物摄入或增加氧化代谢发挥作用。另有研究发现，B16/F10黑色素瘤细胞异种移植的肥胖C57BL/6小鼠体重随着肿瘤的生长和血清GDF15水平的升高而降低，但其进食量并无变化[28]，提示存在其他食欲非依赖性的调控机制。

3.2GDF15促进肝脏脂肪代谢 GDF15可促进肝脏脂肪酸β氧化[29]，增加肝脏的脂质消耗，减少脂肪积聚，减轻脂肪变性，延缓NAFLD的进展。在内质网应激下，肌醇需求酶1α催化编码X盒结合蛋白1(X-box-binding protein 1，XBP1)的信使RNA非常规剪接，产生一种活性剪接形式——XBP1s[30]。Zhang等[26]发现，GDF15的表达受肌醇需求酶1α-XBP1s调控，并在禁食时促进小鼠肝脂肪酸β氧化和生酮作用。XBP1s可通过结合GDF15的启动子区激活其转录，使肝内GDF15的表达水平升高。除肌醇需求酶1途径外，激活蛋白激酶R样内质网激酶途径也可上调GDF15表达。蛋白激酶R样内质网激酶激活可磷酸化真核翻译起始因子eIF2的α亚基，磷酸化的真核翻译起始因子eIF2的α亚基进一步促进激活转录因子4的表达，从而驱动C/EBP同源蛋白的表达。C/EBP同源蛋白在内质网应激条件下促使肝脏GDF15的转录，进而促进脂肪酸β氧化，减少肝脏脂质积聚，减缓肥胖小鼠肝脏脂肪变性的进展。

此外，Zhang等[15]发现，ARRB1可通过调节原代肝细胞中的GDF15抑制脂肪酸成脂相关蛋白，促进β氧化相关蛋白的表达，且ARRB1基因的敲除或过表达影响磷酸化激活的RET、蛋白激酶B、胞外信号调节激酶等的表达；该研究还显示，ARRB1-GDF15-GFRAL-RET轴与肝细胞中脂肪酸的β氧化显著相关，ARRB1可促进GDF15向高尔基体的转运和成熟。

由上所述，XBP1s及转录因子C/EBP同源蛋白可与启动子结合激活GDF15转录，使肝内GDF15高表达，促进肝脏脂肪酸β氧化，减少肥胖小鼠肝脏脂质积聚[10,26]。ARRB1可通过调节GDF15抑制脂肪酸成脂相关蛋白的表达，并诱导β氧化相关蛋白表达的增加[15]。

3.3GDF15抑制肝脏肥大 Kim等[7]对蛋氨酸和胆碱缺乏饮食诱导的NASH小鼠模型的研究发现，在饮食喂养后，GDF15基因敲除小鼠肝脏重量(调整体重和血清丙氨酸转氨酶/天冬氨酸转氨酶水平)增加，提示GDF15可调节NASH时的肝脏大小，抑制肝脏肥大。Choi等[22]也发现，在高脂饮食8周后，与单纯脂肪细胞线粒体氧化磷酸化功能降低小鼠相比，脂肪细胞线粒体氧化磷酸化功能降低合并GDF15基因敲除小鼠的肝脏脂肪堆积更明显，表明脂肪细胞线粒体氧化磷酸化功能降低可使GDF15增加，对抑制肝脏肥大起到代偿性保护作用。

3.4GDF15降低炎症反应 免疫细胞在肝脏炎症、脂肪性肝炎和肝纤维化疾病的发展中起重要作用[23,31]，故抑制免疫细胞分泌促炎细胞因子是治疗慢性肝病的重要靶点[23]。在活化的组织巨噬细胞中，GDF15表达明显增加[32]。Chung等[23]发现，GDF15是一种负性肝脏炎症调节因子，可能通过抑制肝内巨噬细胞产生促炎细胞因子，调节肝脏免疫微环境。在与人NASH具有相似代谢特征的NASH小鼠模型中，GDF15可通过减少巨噬细胞的募集改善炎症状态[7,33]。体外实验亦证实，GDF15可降低巨噬细胞对高糖高脂刺激的炎症反应[34]。

3.5GDF15抑制肝纤维化 在NASH中，GDF15可调节骨桥蛋白及肝纤维化相关基因的表达。有文献报道，骨桥蛋白在人类和小鼠NASH中均被诱导，且蛋氨酸和胆碱缺乏饮食诱导NASH小鼠模型肝纤维化加重[7,35]。Kim等[7]发现，蛋氨酸和胆碱缺乏饮食喂养GDF15基因敲除小鼠肝脏中与纤维化相关的基因(Tgfb1、Col1a1、Timp1和Acta2)及骨桥蛋白基因的表达均增加，且GDF15可通过抑制肝星状细胞的活化发挥抗纤维化作用，与其他GDF15对酒精性肝损伤抗纤维化作用的研究[23]结果一致。但有研究报道，GDF15可使肝星状细胞纤维化基因表达增加[32]，与上述研究结果不一致。

Smad家族蛋白2和Smad家族蛋白3在肝星状细胞激活和纤维化发生中起关键作用。Koo等[32]的临床研究发现，GDF15可通过增加Smad家族蛋白2和Smad家族蛋白3的磷酸化激活人肝星状细胞并诱导纤维化。GDF15可能是NAFLD晚期纤维化的一个新的生物标志物，与NAFLD患者的晚期纤维化风险相关[32,36]。此外，肝脂质积聚和炎症可触发NASH进展中的纤维化反应，尚不能排除GDF15抗纤维化作用部分继发于肝脂质积聚和炎症减少的可能性[7]。因此，GDF15缓解NAFLD纤维化的机制需要进一步研究。

4 小 结

NAFLD中GDF15的高表达和保护作用提供了NAFLD的潜在治疗靶点及新的治疗策略，并有利于NAFLD及相关代谢紊乱的药物研发，且多项GDF15受体的研究正在开展[11-14,37]。重组GDF15或GDF15受体调节剂是治疗或预防代谢性疾病的潜在临床手段[22]。然而，目前对于GDF15在NAFLD中表达水平升高的机制尚不明确，GDF15在NAFLD发生发展过程中的具体功能和重要性尚未得到验证，且现阶段研究多集中于动物实验，较少涉及临床研究，故GDF15在NAFLD发生发展和防治中的作用和意义尚需进行更多研究。