人成纖維細胞生長因子21研究進展

陳 程 綜述，李雙慶 審校

（華西醫院全科醫學科，四川成都 610041）

人成纖維細胞生長因子21研究進展

陳 程 綜述，李雙慶 審校

（華西醫院全科醫學科，四川成都 610041）

FGF21； FGF受體； βKlotho； 代謝性疾病； 代謝調節

人成纖維細胞生長因子21（FGF21）是參與代謝調節的一種蛋白質，因為能糾正多種代謝異常，被認為是一種潛在的治療代謝性疾病的新藥。近來關于其作用機制的研究取得了顯著進展。然而，FGF21調節代謝異常的確切機制仍不明確。本文就FGF21的作用、藥理機制、分子學特征等研究進展綜述如下。

1 FGF21的表達及作用

1.1 FGF21的表達 FGF21前體由209個氨基酸組成，成熟的FGF21由181個氨基酸組成，N－末端有特殊的信號肽［1－3］。2000年，人類首次在小鼠體內檢測到FGF21基因轉錄產物，隨后成功克隆獲得FGF21編碼基因［2－5］。雖然已在肝臟和脂肪組織中檢測到FGF21 mRNA，但FGF21基因表達的動態調節表明其可能有更廣泛的組織特異性分布［3］。過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）通過嚴密、直接和組織特異性的調控來調節FGF21基因轉錄。PPARα能誘導肝臟表達FGF21，PPARγ能提高脂肪組織中FGF21 m RNA的水平，且PPARα 和PPARγ激動劑會影響循環中的FGF21水平。使用PPARα激動劑非諾貝特的患者體內FGF21水平增加，而在PPARα缺陷動物體內，此作用顯著減弱［2］。FGF21的活性極度依賴于N－末端和C－末端的完整性。與野生型相比，N－末端或C－末端缺失的FGF21突變體活性降低了近100倍；刪除N－末端10個氨基酸或C－末端15個氨基酸，FGF21則失活。C－末端缺失的FGF21突變體活性降低，且結合βKlotho的能力下降，所以C－末端除了活化纖維生長因子受體（FGFR），可能還介導FGF21 與βKlotho的相互作用。與此相反，N－末端缺失只降低FGF21突變體的活性而不影響其和βKlotho的結合，表明N－末端只參與FGFR的活化［6－8］。

1.2 FGF21的作用 FGF21能誘導脂肪組織、胰腺和肝臟起源細胞的多種信號通路和功能活動。在脂肪細胞中，FGF21能激活非胰島素依賴的葡萄糖吸收，促進脂肪形成［9－10］；在胰島細胞和INS－1E細胞中，FGF21能抑制葡萄糖介導的胰高血糖素釋放，刺激胰島素的產生，并防止胰島細胞凋亡［11－12］。此外，FGF21還能激活外分泌胰腺細胞和肝細胞的信號通路，抑制肝糖原輸出［13］。大多數人成纖維細胞生長因子（FGF）有很強的促生長作用，一些初級永生化細胞對經典的FGF很敏感，但FGF21并不引起這些細胞增殖［12］。且缺乏證據證明FGF21轉基因動物，以及暴露于FGF21的動物細胞增殖能力增加。用FGF21直接刺激脂肪細胞，可引起小鼠和人脂解代謝衰減［14－16］。

1.2.1 對血糖及胰島細胞的作用 在給予糖尿病模型小鼠FGF21治療前，平均空腹血糖水平高出正常血糖水平2倍，分別以30、100、300μg/kg FGF21靜脈治療6周后，各組小鼠空腹血糖水平分別下降12.6%、31.1%、41.2%。db/db小鼠接受FGF21（11μg/kg·h）皮下注射8周后，與對照組相比，血糖水平下降42%，胰島素水平升高132%。胰島素染色顯示胰島內胰島素增加，故FGF21組小鼠血清胰島素水平更高。行胰腺組織切片檢查，與對照組相比，FGF21組小鼠胰腺β細胞增加280%［17］。

1.2.2 脂代謝的作用 以高脂飲食喂養小鼠6周，同時給予治療組小鼠10 mg/kg FGF21靜脈或皮下注射。組織學檢查發現，對照組小鼠肝細胞內存在大量脂滴，而FGF21治療組小鼠肝細胞內未發現明顯的脂滴。另分別以0.1、1、10 mg/kg FGF21治療高脂飲食小鼠6周后，發現肝內三酰甘油比對照組分別減少33.1%、69.5%、85.1%，肝內膽固醇分別減少35.9%、75.0%、73.4%，血清天冬氨酸氨基轉移酶（AST）水平分別減少50.2%、60.5%、66.3%，血清丙氨酸氨基轉移酶（ALT）水平分別減少66.9%、82.3%、87.9%，血清堿性磷酸酶（ALP）水平分別減少36.6%、53.5%、57.7%［18］。FGF21能降低低密度脂蛋白水平，提高高密度脂蛋白水平。Smith等［17］分別給予猴子30、100、300μg/kg FGF21靜脈注射6周后，與對照組相比，FGF21組猴子體內低密度脂蛋白分別降低10%、21%、28%，高密度脂蛋白分別升高29%、60%、79%。FGF21能降低心血管風險。以300μg/kg FGF21靜脈治療猴子64 d后，與對照組相比，FGF21組小鼠C反應蛋白降低87.0%，RANTES降低25.1%，白細胞介素－18降低70.7%，Ⅶ因子降低35.9%。

1.2.3 對體質量的作用 Smith等［17］分別給予猴子30、100、300μg/kg FGF21靜脈注射6周后，與對照組相比，體質量分別降低1%、2.5%、4%。

1.2.4 對骨代謝的作用 FGF21轉基因小鼠體內FGF21水平比野生型小鼠高5倍，而脛骨組織學檢查顯示FGF21轉基因小鼠的骨小梁比野生型小鼠明顯減少；與野生型相比，FGF21轉基因小鼠骨容量/組織容量下降51%，骨表面下降55%，骨小梁數下降27%，骨小梁厚度下降36%，骨表面/骨容量增加60%，骨小梁間距增加63%，組織礦物質密度下降79.3%，骨礦物質密度下降3.9%，而骨髓脂肪細胞量增加75%。脛骨mRNA表達分析顯示，成骨特定基因減少，其中成骨相關轉錄因子抗體減少48%，骨鈣素減少37.5%；但成脂特定基因增多，其中PPAR－γ2升高243%，脂聯素升高97%；破骨細胞分化因子mRNA/破骨細胞抑制因子mRNA升高136%，說明骨再吸收增加可能是由破骨細胞分化因子效力增加引起的。這些結果表明，骨形成減少和骨再吸收增加共同導致了FGF21轉基因小鼠骨量減少［13］。

2 FGF21的作用機制

2.1 分子作用機制 與典型的FGF類似，FGF21通過激活FGFR啟動下游信號通路，而FGFR的激活則依賴Ⅰ型跨膜蛋白βKloth，故FGF21通過βKloth與FGFR結合形成的FGF21受體復合物起作用。因為FGFR和βKlotho在受體活化過程中具有不同的作用，故其單獨存在時受體無功能，當兩者同時存在時受體才具有功能。而且，由于FGF21只在βKlotho表達時才能激活FGFR，βKlotho有效地成為“總開關”，決定FGF21靶細胞和靶器官的分布。βKlotho分部在肝臟、胰腺和脂肪組織中，通過不同的途徑參與代謝調節，使FGF21在靶細胞和靶組織中成為一種多效因子［14］。具體來說，βKlotho是直接結合FGF21的適配器樣分子，而FGFR是FGF21受體復合物的活性亞單位。將βKlotho引入對FGF21不敏感的細胞中，βKlotho的表達能恢復細胞對FGF21的反應性；用PPARγ激動劑誘導βKlotho表達，能增加3T3－L1脂肪細胞對FGF21的敏感性；而siRNA介導的βKlotho功能的破壞會阻斷FGF21的活性［16］。

2.2 藥理作用機制 FGF21作為胰島素敏感劑發揮其降血糖作用。FGF21能直接調節胰島素分泌，有效降低體內胰島素水平，提高胰島素敏感性并逆轉糖尿病動物的胰島素抵抗［4］。胰島素還可反饋性影響FGF21信號通路，使成肌細胞、脂肪細胞及過表達AKT1的小鼠肌肉內FGF21水平升高［9］。

肝臟和脂肪組織中的FGF21效應構成降血脂和抗肥胖作用的基礎，能明顯降低三酰甘油水平［2］。在肝臟中，給予FGF21能導致基因表達的變化，從而增加游離脂肪酸氧化，抑制脂肪從頭合成，增加解偶聯蛋白和PGC1α水平［3］。實驗表明，給予FGF21的小鼠比對照組能量消耗率更高［5］。給敲除FGF21基因的小鼠飼喂生酮飲食，結果與對照組相比，出現明顯的脂肪肝和體質量增加［7］。

FGF21引起的貪食提示其能通過中樞調節攝食行為，可能與FGF21使促進食欲的神經肽AGRP和NPY釋放增多有關，結合FGF21能穿透下丘腦血－腦屏障及下丘腦中存在βKlotho、FGFR，提示FGF21能直接靶向作用于大腦的某些區域［13］。

當2型糖尿病患者和健康者行口服糖耐量試驗（OGTT）時，體內FGF21短時間內不會升高，而2型糖尿病組比對照組FGF21水平升高慢，其在180 min時升高，對照組在120 min時即開始升高，說明FGF21對血糖的快速調節無明顯作用。給予二甲雙胍治療1周后，2型糖尿病患者及對照組體內FGF21水平均顯著下降。FGF21能提高脂肪細胞的AMPK磷酸化水平和GLUT1 mRNA水平，二甲雙胍即作用于AMPK通路及轉運GLUT1來增強FGF21的功能，減輕FGF21抵抗，提高糖耐量及胰島素敏感性，降低FGF21水平。再將2型糖尿病患者分為男、女兩組，經過1周的二甲雙胍治療后，女性組OGTT各個時間點FGF21水平均下降，而以上情況在男性組未觀察到，此原因尚不明確，還需要行進一步研究［8］。

3 FGF21的應用

3.1 生理狀態下的FGF21 FGF21在機體適應饑餓的生理過程中起關鍵的調節作用。當禁食或給予高脂、低碳水化合物的生酮飲食時，動物體內FGF－21水平大幅升高［4］。而缺乏FGF21導致體內酮體減少，并促進脂肪肝、高三酰甘油血癥和胰島素抵抗的發展。鑒于生酮作用是禁食時的生理反應，所以提出FGF21能充當“饑餓”或“生酮”激素［10］。當缺乏胰高血糖素受體時，體內FGF21水平及機體糖耐量急劇升高［11］。因H2能間接調控FGF21基因的轉錄，故飲用含有H2的水能提高FGF21的表達［4］。

3.2 FGF21與代謝性疾病的關系 動物和人類在健康和疾病狀態下血清FGF21水平不同，表明FGF21的功能異常可能與代謝性疾病相關。糖尿病、肥胖、高三酰甘油血癥及非酒精性脂肪肝患者血清FGF21水平比對照組平均高1.5～2倍；腎功能不全的患者體內出現FGF21蓄積；而神經性厭食癥所致長期營養不良的患者體內FGF－21水平降低［2－3，5］。血清FGF－21水平與2型糖尿病患者體內空腹血糖、胰島素水平、胰島素敏感指數相關，還與肥胖、腰圍、體質量指數、三酰甘油、高密度脂蛋白及肌酐水平相關。以上情況在健康個體中未觀察到［9］。同時過表達人和鼠FGF21的小鼠表現出高度相似的代謝表型，如降低血糖、血清膽固醇和三酰甘油水平，提高胰島素敏感性和葡萄糖吸收率；過表達人FGF21的小鼠體質量及體脂均減少；而過表達鼠FGF21的小鼠，盡管代謝正常但出現肥胖和反應遲鈍的狀態［6］。在動物模型中，給予FGF21能有效地治療各種代謝異常，這似乎與此類患者體內FGF21水平升高相矛盾，但類似疾病引起的高胰島素血癥和高瘦素血癥提示，代謝受損時，FGF21水平上升可能是其代償機制被激活或產生了“FGF21抵抗”［15］。

3.3 FGF21與腫瘤的關系 研究表明，過表達FGF21的小鼠生育能力和出生率均正常，并且這些小鼠從出生到死亡都沒有腫瘤形成或出現其他任何明顯的異常［10］。此外，用二乙基亞硝胺誘導過表達FGF21小鼠和對照組小鼠致癌的研究表明，FGF21在肝臟的特異性表達能延遲肝臟腫瘤的發生［12］。以上研究表明，長期暴露于FGF21不僅不會致癌，并且在某些情況下，如癌癥的早期階段可能還可以抑制腫瘤形成。

4 FGF21未來研究方向

近年來，在FGF21研究領域取得了長足進步，但關于其生物學及治療作用方面仍存在一些問題，例如特定FGFR變異是否能傳遞FGF21信號。研究FGFR的激活機制，能促進FGF21的藥物研發，并對FGF21治療提供更好的策略。但FGFR家族結構復雜，表達方式類似，以及實驗儀器區分FGFR的實用性較差，都給研究造成了相當大的阻力［17］。

基于FGF21豐富的免疫化學性，故認為其具有“激素”功能，但要成為真正的激素而被全身利用，需要有生物活性，而此觀點尚未得到證實［1］。此外，目前在技術上很難證實FGF21具有跨組織通信的能力，所以認為其主要在被分泌的組織中表達，如肝臟、胰腺和脂肪組織［7］。FGF21可能以自分泌/旁分泌的方式起作用［17］。

盡管決定FGF21活性的幾種因素已經明確，但目前尚不清楚他們到底在多大程度上影響FGF21的藥理學機制［11］。因為FGF21的一些藥理屬性與PPAR激動劑在很大程度上相類似，所以研究FGF21和PPAR通路之間的共同點有很重要的意義［15］。

闡明FGF21和代謝性疾病病理生理的關系，以及FGF21抵抗的機制也能為探索FGF21的治療潛力提供有用信息。目前正在進行的FGF21相關臨床試驗將為確定FGF21的療效提供有力的臨床證據［11］。

5 小 結

人成纖維細胞生長因子21（FGF21）作為人成纖維細胞生長因子（FGF）家族中特殊的一員，具有許多內分泌功能，其有利于代謝調節，是治療心血管疾病、肥胖和2型糖尿病等代謝性疾病的潛在新藥。FGF21在肝臟、胸腺、胰腺、肌肉和脂肪組織等廣泛分部，受PPARs調節，并通過βKloth與FGFR結合形成的FGF21受體復合物起作用。禁食或給予高脂、低碳水化合物，及糖尿病、肥胖、高三酰甘油血癥等代謝性疾病患者體內FGF21均升高。FGF21能降低體質量、血糖、血清膽固醇和三酰甘油水平，提高血清胰島素水平、胰島素敏感性和葡萄糖吸收率。但FGF21的臨床治療潛力有待進一步研究。

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10.3969/j.issn.1673－4130.2015.10.048

A

1673－4130（2015）10－1428－03

2015－01－19）

陳程，女，住院醫師，主要從事全科醫學研究。