成纖維細胞生長因子5研究進展

雷蕾 包鵬甲 梁春年 褚敏 閻萍

（中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所 甘肅省牦牛繁育工程重點實驗室，蘭州 730050）

成纖維細胞生長因子5是一種由FGF5基因編碼的分泌信號蛋白，屬于成纖維細胞生長因子家族（FGFs）。FGF5最初被定義為一種人類致癌基因［1］，隨后Hebert等［2］發現其對小鼠毛發生長具有抑制作用。后續的部分研究都相繼證明了FGF5對于哺乳動物毛發生長的重要調節作用，即促進毛囊發育由生長期到退行期的轉變，進而抑制毛發生長。

此外，FGF5與動物肢體的發育、人類高血壓的形成及多種癌癥有著密切聯系。Clase等［3］研究發現，FGF5作為一種促細胞分裂劑來刺激間充質成纖維細胞的增殖，促進結締組織如軟骨膜的形成，并抑制分化的骨骼肌的發育。Allerstorfer等［4-5］研究發現，FGF5通過自分泌和旁分泌促進人多形性膠質母細胞瘤的惡化。Berger等［6］研究證明FGF5及其主要受體FGFR1介導的信號可作為人多形性膠質母細胞瘤的治療靶點。Ghassemi等［7］在研究黑色素瘤時發現，FGF5基因在黑色素瘤組織中大量表達，并對黑色素瘤的增長存在著潛在的促進作用。Feng等［8］在對肝細胞癌的研究中發現，miR-188-5通過直接靶向FGF5基因抑制肝癌細胞的增殖和轉移。Liu等［9］在對影響中國漢族人血壓高低的基因研究中發現，FGF5基因的突變會引起人血壓的變化和患高血壓風險的增高。

本文主要對成纖維細胞生長因子5的生物學功能及其在疾病研究中的研究成果進行綜述，以期為其在人類毛發生長、肢體發育以及腫瘤診治等領域中的進一步研究及合理開發利用提供理論依據。

1 FGF5概述

迄今為止，已有包括FGF5在內的23種FGFs被鑒定出。FGF5是一種由268個氨基酸組成的蛋白質序列，分子量約為29.1 kD。同時FGF5基因通過mRNA選擇性剪切，能生成由123個氨基酸組成的蛋白剪接變體FGF5s［10-11］。小鼠FGF5基因包括3個外顯子，FGF5s由于選擇性剪接和移碼突變導致其缺乏與第二外顯子對應的區域以及第三外顯子對應的大部分區域［12］。大多數成纖維細胞生長因子廣泛存在于各組織中，而FGF5在胎兒中表達量較高，成年個體中表達量較低。在對哺乳動物毛發生長的研究中，FGF5表達于毛囊的外根鞘內以及毛囊周圍的巨噬細胞中，在毛發生長的末期，即休止期達到最高表達量［13-14］。

同大多數FGF家族成員一樣，FGF5也是一種糖胺聚糖結合蛋白，與細胞分裂和細胞存活密切相關，并且參與多種生物過程，包括胚胎發育、細胞生長、形態發生、組織修復、腫瘤生長和侵襲［15］。與其他FGFs相同，在蛋白質或輔因子結合蛋白聚糖和胞外蛋白的調控作用下，FGF5與其特定的酪氨酸激酶受體相互作用，會激活多個包括P13K-KAT、PLCyRAS-MAPK和STAT在內的細胞信號通路，進而調節成熟組織的代謝功能、修復和再生［16-17］。

2 FGF5的生物學功能

2.1 FGF5與毛發生長

毛發生長周期由3個階段組成：生長期，退行期和休止期［18］。FGF5是啟動毛囊發育由興盛期到退行期過渡的關鍵信號分子。最早的研究發現，通過對小鼠FGF5基因同源性的破壞，會導致小鼠長毛表型性狀的出現。許多對具有長發表型動物的遺傳研究中，FGF5基因的突變都會破壞其表達，導致毛囊發育興盛期的延長，從而引起異常長毛的表型性狀出現。這一現象通常被稱為安哥拉突變，已在許多物種，包括貓［19］、狗［20］、小鼠［21］、倉鼠［22］、豚鼠［23］、兔子［24-25］、驢［26］、山羊［27］和綿羊［28］中得到了證實。在Wang等［27］的研究中，他們對克什米爾山羊胚胎顯微注射Cas9mRNA和sgRNAs，靶向編輯MSTN和FGF5基因，進行山羊的基因改良。結果表明FGF5基因的敲除導致了克什米爾山羊皮膚組織中次級毛囊數量的增加和毛纖維的增長，同時未對山羊的其他性狀造成影響。這項研究中成功利用基因編輯技術，在形態學和遺傳水平上對山羊的表型性狀進行了人為改良，為動物絨毛資源利用及品種培育開擴了新的思路。

隨后，在對中國美利奴羊的研究中也證實了基因編輯技術對優化羊毛產量的可行性，Li等［28］發現通過基因靶向阻斷FGF5的活性可能會促進綿羊羊毛的生長，并導致羊毛纖維長度和油脂產量的增加。Zhang等［29］在針對山羊生產性狀的全基因組的選擇性掃描研究中發現，FGF5基因的第三外顯子的一處同義突變與山羊的羊絨產量及體重相關，他們認為該突變可作為提高山羊產絨量的研究中的分子標記，或利用基因控制的方法培育高產絨性能山羊時的潛在靶點。miRNA在毛囊發育中的調控機制也是近年來有關提高經濟動物絨毛產量研究中的熱點之一。Ma等［30］研究發現，遼寧絨山羊毛囊發育不同時期，miR-let7a表達量有顯著差異，同時與其靶基因FGF5的表達量呈負相關。該研究為絨山羊毛囊發育miRNA的調控機制奠定了基礎，也進一步驗證了FGF5是影響毛囊發育的重要基因之一。皖西安哥拉兔（長毛）和白獺兔（短毛）的雜交后會產生毛長不等的子代，Zhao等［31］以毛長有顯著差異的兩組子代為研究對象，采集皮膚組織進行轉錄組測序，對與毛囊發育相關候選基因進行RT-qPCR驗證，發現FGF5，WNT5A，BMP4，BMP7四種基因在毛長不同的個體中的表達量具有顯著差異。

FGF5基因的蛋白剪切變體FGF5s，在許多研究已經被確定為FGF5的拮抗劑，在Suzuki等［12］的研究中，對小鼠進行皮下注射FGF5蛋白和FGF5s蛋白后，發現FGF5蛋白在毛囊發育的興盛期抑制了毛發的生長，同時促進了毛囊發育從興盛期到退行期的過渡。FGF5s蛋白單獨注射時不會影響毛發的生長，但將其與FGF5蛋白同時注射時，它能夠顯著抑制FGF5蛋白對毛囊退行期的促進作用。另有研究［23］顯示，FGF5基因的隱形無義突變（c.403C＞T）與家養豚鼠的長毛表型相關。在對鯨類從陸地到水生環境的過渡過程中脫發機制的研究中，Chen等［32］發現FGF5基因的正向選擇可能促進了毛發生長的終止及毛囊發育提前進入退行期，由此導致了毛囊生長循環周期的破壞，同時由于Hr（Hairless）基因功能的喪失，形成了鯨類在適應水生環境的變化中的無毛現象。

FGF5也被認為是人類毛發生長過程中的關鍵調節因子。在人類身體的不同部位，如睫毛、軀干或頭皮，毛發纖維會生長成不同的長度，并且這些部位的毛囊的生長期也各不相同。例如，在頭皮上，毛囊的生長期長達幾年，而休止期僅持續3個月，這導致了較長毛發的生長。相反，其他身體部位的毛發較短，是由于毛囊生長期僅持續幾周，而休止期持續數月［33-34］。Higgins等［35］以兩個患有家族性睫毛粗長癥的具有血緣關系的巴基斯坦家庭中的30個成員為研究對象，通過純合子定位法，結合整個外顯子序列測序，在FGF5基因中發現了不同的致病突變。同時在后續的毛囊器官培養中，發現FGF5促進了人毛囊發育由興盛期到退行期的過渡。由此將FGF5定義為人類毛發生長的重要調節因子，并將其確定為選擇性調節睫毛生長的治療靶點。

人類脫發治療也是一直以來備受關注的問題，科學有效的治療方法較少。Burg等［36］將FGF5作為治療靶點，篩選從植物中提取的分子，發現單萜族分離物對FGF5的抑制作用明顯。這種抑制作用在臨床研究中的表現為：毛囊生長期的延長，脫發現象的減少及頭發密度的改善。

總而言之，FGF5在哺乳動物毛發生長周期中主要起著促進毛囊從生長期到退行期的過渡作用，通過體內或體外對其功能的破壞能夠有效的延長毛囊生長期，從而改善毛發的生長。

2.2 FGF5與肢體發育

肢體的結締組織包括肌腱、韌帶、軟骨膜、軟骨和骨。這些不同類型的組織是由特定的前體細胞形成的，包括結締組織成纖維細胞、軟骨細胞和成骨細胞，而這些都是由間充質細胞分化而來［37］。由于成纖維細胞生長因子家族（FGFs）成員控制著許多類型的間充質細胞在培養過程中的增殖和分化，所以也常被作為調控肢體器官形成過程的候選基因。

此外，FGFs與其相關的受體在肢體器官發育過程中不同的部位都有表達［38］。FGF5基因在近腹側部位間充質細胞的表達決定了肢體的發育，在腹側部間充質細胞中的表達決定了股骨的形成。這種限制性的發育表達模式表明，FGF5可以定向促進肢體內特定細胞系的發育，從而控制肢體器官的形成。

Clase等［3］為了進一步研究FGF5在肢體發育過程中的作用，以雞胚后肢為研究對象，利用逆轉錄病毒表達系統進行FGF5基因的異位表達，結果發現FGF5基因的異位表達能夠抑制肢體骨骼肌的發育，同時促進一類特定類型的肢體結締組織前體細胞，即成纖維細胞的增殖，從而導致了軟骨膜的擴張。軟骨膜及軟骨膜細胞在骨和軟骨生長發育及損傷修復中起著重要作用。這些研究證明FGF5在胚胎發育過程及肌肉老化和疾病調控中，能夠有效調節骨骼肌肌肉的纖維化和骨骼肌肌纖維變性。

3 FGF5與疾病的關系

3.1 FGF5與多形性膠質母細胞瘤

多形性膠質母細胞瘤（Glioblastoma multiforme）多見于成人，是一種神經膠質瘤，具有極高的浸潤性，可大范圍轉移，與健康的腦組織混合后幾乎無法通過外科手術去除。多形性膠質母細胞瘤的形成與惡化受到一些生長因子及其相關受體的促進作用，最主要的包括表皮生長因子受體和血小板衍生生長因子受體［39］。

同時，在已有的研究中，成纖維細胞生長因子家族中的FGF2和FGF9及受體FGFR1和FGFR4的表達模式也與多形性膠質母細胞瘤的惡性程度相關。Allerstorfer等［40］在對49例多形性膠質母細胞瘤組織標本進行細胞培養的過程中發現，FGF5及其高親和性受體FGFR1 IIIC同時具有高表達，且兩者的表達水平隨著腫瘤惡化程度的增強而升高。同時，在人血管內皮細胞增殖及血管形成試驗中，他們發現FGF5基因對內皮細胞的增殖、遷移和血管形成均具有促進作用。

由此，FGF5被認為是一種致癌因子，并且能夠刺激腫瘤新生血管的生成，促進多形性膠質母細胞瘤惡化。結合已有的關于其他成纖維細胞因子及其高親和性受體的研究［41-42］，FGF5及其受體FGFR1作為治療人多形性膠質母細胞瘤的有效靶點，具有非常廣闊的研究前景。

3.2 FGF5與黑色素瘤

黑色素瘤是來源于黑色素細胞的一類惡性腫瘤，常見于皮膚，亦見于黏膜、眼脈絡膜等部位。過去，FGFs中關于黑色素瘤的相關研究大多集中于FGF2［43-44］。Ghassemi等［7］研究發現，FGF5 在黑色素瘤組織中大量表達，并可能對體外黑色素瘤細胞的存活和侵襲以及體內黑色素瘤的生長有促進作用。同時其主要受體FGFR1在黑色素瘤細胞中表達量很高，很有可能是受FGF5轉導的自分泌信號所刺激的。

人黑色素瘤細胞中低內源性FGF5的表達會加強黑色素瘤細胞的增殖和侵襲，而FGF5基因的沉默以及高內源性FGF5的表達則具有相反的結果。在免疫功能低下的小鼠的體內試驗中，對人黑色素瘤移植瘤過表達FGF5，結果顯示FGF5促進了腫瘤的生長，減少了細胞的凋亡同時促進了血管的生成。免疫組織化學結果顯示在50%以上的樣本中能檢測到FGF5蛋白的表達，這些數據揭示了FGF5在黑色素瘤細胞中具有潛在的致癌作用及其作為黑色素瘤治療靶點的可能性。

3.3 FGF5與肝細胞癌

肝細胞癌是成人中最常見的原發性肝癌，也是肝硬化患者最常見的死亡原因［45］。Fang等［8］在對肝細胞癌轉移相關miRNAs的研究中發現miR-188-5p的異位表達載體內外均能抑制肝癌細胞的增殖和轉移。而在此項研究中，FGF5被認為是miR-188-5p主要的靶向基因，miR-188-5p的增強表達顯著抑制FGF5基因的表達，恢復FGF5的表達反過來又能抵消miR-188-5p對肝癌細胞增勢和轉移的抑制作用。這項研究證明了miR-188-5p通過靶向FGF5基因對肝細胞癌具有一定的抑癌作用，具有作為肝細胞癌潛在的治療靶點的可能性，也意味著FGF5作為成纖維細胞生長因子家族的一員，與FGF8和FGF19一樣，在肝細胞癌研究領域存在著潛在的研究價值。

3.4 FGF5與高血壓

高血壓是一種常見的心血管疾病，是全球性的健康問題之一，在中國的發病率也在逐漸上升［46］。根據2007-2008年的中國糖尿病及代謝紊亂研究的數據，我國有26.6%的成年人患有高血壓，造成了嚴重了經濟負擔與健康問題［47］。高血壓的病因涉及多種因素之間相互作用。相關性較高的因素包括體重指數（BMI），吸煙，飲酒，鹽的攝入及身體鍛煉［48］。據估計，有30%-60%的高血壓是由遺傳因素造成的［49］。在多個群體中的全基因組關聯研究已經確認了多個遺傳變異。Liu等［9］對中國漢族人群（n=3210）的8個基因（FGF5、CYP17A1、MTHFR、ZNF652、PLCD3、ATP2B1和c10orf107）內或附近的變異位點進行了基因分型，利用Logistic回歸分析結合廣義線性分析，分別對各個突變位點與高血壓，BMI，腰圍及高敏C反應蛋白（hs-CRP）的相關性進行了檢測。結果發現，FGF5基因的一個突變位點（FGF5-rs16998073）與高血壓呈現出顯著相關，與BMI，腰圍及hs-CRP的變化沒有明顯的關聯。同時，該位點的突變對漢族人群高血壓的影響明顯高于歐洲白種人。據此他們推斷FGF5基因的突變可能會導致高血壓的產生。在Li等［50］在對7 319名中國成年人的4種高血壓易感基因變異體的遺傳相關性的研究中發現，FGF5基因的一個突變位點（FGF5-rs1458038）與心臟的收縮壓及舒張壓顯著相關，而且隨著BMI的增高，變異效應增強。這項研究證明BMI越高，FGF5基因的位點突變引起高血壓產生的效應就越明顯。

在中國兒童群體中，一項關于高血壓易感基因位點與肥胖之間的關聯研究以及基因之間的互作研究顯示，FGF5-rs16998073，MTHFR-rs1801133及CSK-rs1378942這三個突變位點的遺傳風險評分與肥胖指數呈正相關。此外，這些位點間的互作分析顯示MTHFR和FGF5基因之間存在著潛在的互作關系。該研究進一步驗證了FGF5基因的突變與兒童高血壓顯著相關，同時遺傳與環境因素對兒童肥胖也存在一定影響［51］。Ren等［52］在對原發性高血壓患者外周血FGF5基因表達的研究中發現，與正常組相比，試驗組患者外周血細胞及外周血中FGF5基因的mRNA的表達量及蛋白水平顯著升高，相關性分析顯示FGF5蛋白水平與收縮壓及舒張壓呈正相關，同時FGF5基因的一個突變位點（FGF5-rs16998073）的遺傳變異也與舒張壓及收縮壓呈正相關。由此可見，FGF5作為高血壓易感基因之一，有待更深入的研究，為心血管疾病治療提供理論依據。

4 結語

FGF5作為成纖維細胞生長因子家族的一員，具備多種生物學功能。在哺乳動物毛發生長過程中，FGF5具備的關鍵調節作用已成為近年來的研究熱點，無論是人毛發生長，還是動物品種培育及絨毛資源利用中都展現出極高的應用價值。同時，在動物肢體發育中，FGF5也具備一定的研究價值。最后，在人類腫瘤、癌癥及高血壓等疾病的研究中，FGF5作為一個潛在的治療靶點，有待更深一步的探索，為人類健康研究提供新思路。