第一节-FGF21与内分泌代谢性疾病

第一节FGF21与内分泌代谢性疾病人体内分泌系统是由机体各内分泌腺以及散布于全身的内分泌细胞所构成的信息传递系统，通过释放具有生物活性的化学物质——激素来调节靶细胞（或者靶组织、靶器官）活动的。内分泌系统与神经系统紧密联系，相互配合，共同调节机体的各种功能活动，从而维持内环境的相对稳定。胰岛素及胰高血糖素等激素类物质，是一类用于调控机体物质代谢和营养状态能量平衡的因子。近年来的研究发现，成纤维细胞生长因子21（FGF21）也具有激素类因子的作用特性，在机体中直接参与调节物质和能量代谢。一、FGF21的蛋白特性及结构特点成纤维细胞生长因子（FGF）家族包括从FGF1到FGF23的22个成员所组成，其中可分为7个亚家族，主要以自分泌或旁分泌等形式发挥作用。FGF19亚家族作为非典型的FGF亚家族成员之一，其中包括了FGF15/FGF19（FGF15和FGF19分别为鼠源和人源的结构类似物）、FGF21和FGF23三个不同的成员，这些因子从靶细胞分泌表达，通过内分泌、自分泌或旁分泌的方式进入血液循环系统，并作用于不同的靶细胞或靶器官，从而发挥其生物学效应。FGF23在磷酸盐的代谢中起到调节的作用，而FGF19和FGF21在碳水化合物及脂质的代谢中扮演着重要的角色。人类FGF21由209个氨基酸所组成，其中N末端含有一个由28个氨基酸残基组成的信号肽。人类FGF21基因坐落在19号染色体上，由3个外显子组成。FGF21主要在肝脏、脂肪和胰腺中表达[1]，此外，在骨骼肌、胸腺及内皮细胞中也有所表达[2-4]。FGF21基因在肝脏中的表达主要受到禁食和饱腹信号的影响。在禁食状态下，通过激活过氧化物酶增殖体激活受体（PPARα）和胰高血糖素刺激蛋白激酶（PKA）的作用来上调FGF21基因的表达；而葡萄糖作为一种饱腹的信号作用，也会通过激活碳水化合物反应元件结合蛋白（ChREBP）的作用来诱导肝脏中FGF21基因的表达[5]。在脂肪细胞中，PPARγ和ChREBP在调节FGF21基因的表达有着重要的作用。传统的FGFs通过结合细胞表面的络氨酸激酶FGF受体（FGFRs）与肝素共结合后从而发挥其旁分泌的生物学功能[6]。与传统的FGF亚家族显著不同，FGF19亚家族缺少肝素结合区域，且需要与klotho家族跨膜蛋白结合形成共同复合体从而激活FGFR的信号[7]。其中，β-klotho为FGF21调节葡萄糖及脂质代谢所必须[8]，研究发现：FGF21的N-末端和C-末端与其本身的生物活性密切相关，其C末端与一种叫β-klotho的跨膜蛋白相结合后，其N-端再与FGF受体相结合，进而形成稳定FGF21/β-klotho/FGFR复合体后，激活下游相关的分子信号，从而发挥其生物效应[9,10]。近期的研究还证实，FGFR1c为FGF21的重要的首选受体，其中还包括FGFR1c、FGFR3c和FGFR4[8,9]。组织中β-klotho和FGFR亚型的特异性表达决定了FGF21在不同组织中功能的特异性。β-klotho在几种代谢活跃的组织中丰富存在，包括胰岛、肝脏、中枢神经系统（CNS）、白色脂肪组织（WAT）和棕色脂肪组织（BAT）[11]。FGFRs外域包含3个免疫球蛋白样的结构域（D1至D3），当β-klotho或FGF21单独作用下，FGFR1c抑制域（D1）将有效的抑制其与FGF受体D2-D3区域的结合。一旦FGF21结合上β-klotho后，FGF21和β-Klotho一起协同克服D1/连接区域的抑制作用从而结合D2-D3区域，最终导致受体的二聚化和激活[12]，如图一所示。图1：FGF21激活FGFR1c受体。近期的研究证实FGFR1c为FGF21优先激活的受体。此图显示了最新的FGFR1c受体激活的假设模型。（a）D1区域抑制了β-klotho或FGF21与受体的D2-D3区域的结合。（b）FGF21与β-klotho结合后逆转了D1区域的抑制效应。（c）FGF21/β-klotho复合体结合到D2-D3区域，促使受体的二聚化和激活。FGF：成纤维细胞生长因子；PTK：络氨酸蛋白激酶。二、FGF21的主要表达器官及代谢调控作用FGF21对葡萄糖及脂质的代谢调节作用受到了肝脏内PPARα和脂肪内PPARγ的调控[13-15]，肝脏内的FGF21由PPARα受体激活和葡萄糖的刺激所诱导分泌；相反的，饱腹状态下PPARγ的激活将促进脂肪细胞而非肝脏中FGF21的表达。因此，脂肪细胞分泌的FGF21以一种自分泌的方式有效的形成了一个闭环结构，从而放大PPARγ的活性作用，而对全身性的FGF21的浓度不产生影响[16]，如图二所示。图2：FGF21在机体内的调节及功能：FGF21在肝脏内受到PPARα的调控，最新的研究显示，高于生理浓度的游离脂肪酸（FFAs）是诱导FGF21合成和释放所必须。FGF21的浓度升高可以用增加能量的产生（如葡萄糖异生）和利用（如增加FFAs的氧化、生酮作用和葡萄糖的摄取）。相反的，脂肪细胞分泌的FGF21以自分泌的方式以扩大PPARγ的激活效应，而对全身性的FGF21的浓度不产生影响。与PPARγ激动剂药物类似，长期给与FGF21后对机体产生多种影响，包括提高胰岛素敏感性（有益效应）和减低骨质的效应（不良效应）等。碳水化合物通过结合ChREB能够诱导FGF21的生成，而与胰岛素抵抗有关的人类疾病中都会上调机体FGF21的水平，这有可能与机体的高胰高血糖素、高FFAs水平以及胰岛素敏感性下降相关。因此，FGF21的浓度上调可能是用于抵抗机体糖毒性和脂毒性的机制之一。CNS:中枢神经系统；FGF：成纤维细胞生长因子；NAFLD:非酒精性脂肪肝；PPAR:过氧化物酶体增殖物活化受体。（一）FGF21在脂肪组织的表达及调控FGF21的活性首先在3T3-L1脂肪细胞中通过高通量筛选方法被发现的。研究发现，在鼠源及人源性的脂肪细胞中，FGF21能促进脂肪细胞对葡萄糖的摄取[17]。当FGF21与胰岛素共同作用脂肪细胞时，FGF21对葡萄糖摄取的作用具有累加效应，并与胰岛素作用浓度呈剂量依赖性[17]。FGF21在脂肪组织中的表达受到PPARγ受体及其激动剂的调控，这些激动剂包括一些脂肪酸和胰岛素敏感的药物：噻唑（TZDs）、罗格列酮和吡格列酮等。与胰岛素相反的是，FGF21能促进细胞内葡萄糖转运体（GLUT）4的囊泡异位至质膜。FGF21促进脂肪细胞摄取葡萄糖的生物功效与脂肪细胞中GLUT-1的上调表达直接相关[17]。当FGF21与胰岛素共同给药至肥胖小鼠时，与单独给与胰岛素相比，其葡萄糖清除率显著升高，这些结果提示着FGF21与胰岛素具有协同效应，用于改善脂肪组织中胰岛素敏感性和葡萄糖的摄取[18]。此外，FGF21还具有增加脂肪细胞中甘油三酯脂解的效应。脂肪细胞分泌的FGF21最终在体内以内分泌作用的形式用于增强PPARγ激活剂的作用，从而形成了一个紧密的闭环[19]。FGF21在脂肪组织中合成但不分泌，以自分泌的方式起作用，因此并不会影响到血液中FGF21的浓度。如图二所示。（二）FGF21在肝脏中的表达及调控肝脏表达的FGF21具有内分泌的作用，因此FGF21循环水平的升高对机体全身性系统有影响。饥饿状态下FGF21的释放受到游离脂肪酸（FFA）的调控，而饱食状态下受到碳水化合物的影响。FGF21的基因有一段PPARα反应原件，受到FFA/PPARα/维甲酸X受体（RXR）复合体的激活调控[13,20]。此外，人肝脏中葡萄糖诱导的FGF21基因的表达还要通过激活ChREBP基因，最终发挥其特异的生物功能[5]。在禁食状态下，FGF21基因在肝脏中的表达受到了PPARα的调控，PPARα与机体代谢性疾病紧密相关。在PPARα的作用下，脂肪酸可以作为内源性信号配体，其诱导的酶的表达可用于促进脂肪酸的氧化和生酮作用。外源性药物作用后，如PPARα激动剂非诺贝特等可诱导肝脏内FGF21的表达[21]。在PPARα基因敲除小鼠中，禁食引发的FGF21上调表达现象完全消除[22]，同时减少了该荷尔蒙因子对静脉中脂肪酸的灌注的影响[23]。因此，我们认为，在禁食状态下，FGF21会促进脂肪酸的氧化和转移其酮体的生成的。最近的研究还显示，丁酸钠，作为膳食纤维的产物，在小鼠体内可以通过抑制组蛋白去乙酰酶（HDAC3）的产生从而诱导肝脏内FGF21基因表达的上调[24]。HDAC3通过去除PPARα编码基因的乙酰化作用来抑制PPARα的表达，而抑制的HDAC3的活性则能导致PPARα的表达上调从而进一步引起FGF21基因表达的增加。近期研究结果还显示，在饥饿状态下基因检测结果证实FGF21基因的表达与活化转录因子4（ATF4）的刺激有关[25]，在瘦的小鼠中糖原异生会导致肝脏内转录激活蛋白PGC-1α的产生[26]。FGF21的一些代谢调节作用类似胰高血糖素，然而，FGF21却不会导致肝糖分解的增加[26]。在饱腹状态下，FGF21还会以内分泌的形式在机体内发挥作用。此外，高碳水化合物饮食导致肝脏中FGF21的表达和分泌释放增加[5]，与白色脂肪中禁食-再喂食的形式一致，这些效应分别由ChREBP在肝脏中介导和PPARγ在脂肪中所介导[19]。脂肪摄取对FGF21所产生的影响正好相反，当口服脂肪4小时后，FGF21含量显著减少。与禁食或餐后血浆中FFA值相比，乳糜微粒和极低密度脂蛋白颗粒能够更好的预测餐后FGF21的浓度[29]。这些结果提示着餐后FGF21浓度的调节可能与禁食状态下FFAs的调节有所不同。（三）FGF21在胰岛细胞中的表达与调控FGF21作为内分泌样生长因子，除了在肝脏和脂肪中有所表达以外，最新的研究结果还显示，FGF21显著高表达于胰岛组织中。同时，我们还发现，特别是在饱食状况下，FGF21在成年小鼠胰腺组织的表达水平显著高于其它组织（未发表）。此外，通过荧光免疫组化检测（IHC）还证实，FGF21主要在小鼠的内分泌腺表达，并与胰岛素表达重叠（未发表），这说明胰岛β细胞至少也是FGF21表达的场所之一。早期的研究结果显示，在大鼠的胰岛细胞和INS-1E细胞中，FGF21可激活ERK1/2和Akt的信号通路[30]。在正常大鼠分离的胰岛细胞中，FGF21还被证实可以诱导增加胰岛素mRNA和蛋白的表达水平，却不增加葡萄糖诱导的胰岛素的释放作用；FGF21处理胰岛细胞和INS-1E细胞过程中，具有潜在的抑制糖毒性和细胞毒性诱导的细胞凋亡作用，改善离体培养的胰岛细胞功能，提高其存活率[30]。前期研究结果表明，胰腺组织也是FGF21表达的主要器官之一。我们认为：胰腺产生的FGF21可能通过自分泌或旁分泌的方式，参与调节胰岛细胞功能特别是胰岛素的分泌过程；此外，胰腺产生的FGF21也可能通过内分泌作用方式，参与调节机体糖脂代谢、提高胰岛素敏感性，进而发挥其物质代谢调节功能，如图三所示。图3：胰腺细胞产生的FGF21通过自分泌或者旁分泌的方式进入体内的血液循环，从而参与调节机体的物质能量代谢过程。（四）FGF21在棕色脂肪中的表达及调控作用ElayneHondares等人最近的研究显示，机体在经过热激活后，棕色脂肪可能成为全身性的FGF21的主要来源，通过激活cAMP信号通路来上调FGF21基因的转录调控[31]。此外，在棕色脂肪细胞中，去甲肾上腺素还可以通过激活肾上腺素，cAMP所介导的信号途径，进一步激活蛋白酶A和p38MAPK等信号通路来诱导FGF21的转录和释放。FGF21基因启动子与ATF2结合后介导了cAMP相关的FGF21转录基因的激活。体内实验结果还证实，大鼠暴露在冷的环境下会显著增加棕色脂肪中FGF21的释放，同时会减少全身性FGF21的半衰期，这些结果都提示了棕色脂肪是FGF21转录调控、发挥其内分泌作用的新的途径，同时也说明了机体的热激活诱导产生的FGF21可能是机体FGF21的一个新的来源[31]。（五）FGF21在大脑中的作用研究显示，FGF21可通过血脑屏障与β-klotho相结合后在