梁平平　仲　琳　龔　磊　楊　軍

?

成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21對(duì)心臟保護(hù)作用的研究進(jìn)展

梁平平仲琳龔磊楊軍

成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)21是內(nèi)源性心臟保護(hù)因子，參與多種疾病的病理生理過(guò)程，主要功能包括調(diào)節(jié)糖脂代謝、抗動(dòng)脈粥樣硬化、減少心肌梗死面積和減輕心肌缺血再灌注損傷等。該文主要介紹FGF21在動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激炎癥反應(yīng)中的生物學(xué)作用及其作用機(jī)制。

成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21；心血管疾病；心臟保護(hù)作用

成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)21由209個(gè)氨基酸組成，是FGF家族的新成員，主要在肝臟、脂肪、骨骼肌、胰腺等組織器官中表達(dá)[1]。FGF21不具有成纖維細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)活性，主要作用是調(diào)節(jié)糖脂代謝，具有增加胰島素的敏感性、改善胰島B細(xì)胞功能、降低三酰甘油水平、改善與肥胖相關(guān)的高糖、高脂血癥及減輕體質(zhì)量等功能，與代謝性疾病及心血管疾病密切相關(guān)[2-4]。

成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體(FGFR)屬于酪氨酸激酶受體家族，包括FGFR1～4[2]。 FGF21主要通過(guò)FGFR1激活下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[3-4]，但FGF21與 FGFR1的特異性結(jié)合需要輔助受體β-Klotho的參與[5]。β-Klotho在肝臟、胰腺、脂肪細(xì)胞中特異性表達(dá)，這決定了FGF21作用的特異性[6]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF21對(duì)全身β-Klotho敲除小鼠無(wú)生長(zhǎng)和代謝調(diào)節(jié)作用；同時(shí)FGF21對(duì)脂肪組織選擇性β-Klotho敲除小鼠無(wú)急性胰島素增敏作用[5]。 FGF21的N末端與FGFR1結(jié)合，C末端與β-Klotho高親和力結(jié)合，并與FGFR組成復(fù)合物，該復(fù)合物可以使受體自身磷酸化并激活下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[7]。

過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)是FGF21表達(dá)的啟動(dòng)因子[8]。研究表明，長(zhǎng)期空腹和饑餓通過(guò)刺激肝臟脂肪酸氧化、生酮和糖異生，誘導(dǎo)PPARα表達(dá)增加，從而促進(jìn)FGF21的表達(dá)[9]。研究顯示，在正常的小鼠中通過(guò)禁食或注射PPARα激動(dòng)劑可以增加FGF21的mRNA 表達(dá)水平，而在PPARα基因敲除的小鼠模型中FGF21的表達(dá)水平并沒(méi)有增加[8]。

FGF21的主要來(lái)源為肝臟，但研究發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞及心臟微血管細(xì)胞(CMEC)也可表達(dá)FGF21[10-11]。此外，F(xiàn)GF21可由受損的心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞分泌到體循環(huán)中，以自分泌或旁分泌的形式作用于細(xì)胞表面受體，發(fā)揮調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、抗氧化損傷及抗炎的作用，從而減緩動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展、保護(hù)缺血心肌，減輕心肌缺血再灌注(I/R)損傷。

1　FGF21與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化

研究發(fā)現(xiàn)，血清FGF21水平與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化存在一定的關(guān)聯(lián)。冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)合并糖脂代謝異常患者的血清FGF21水平高于非冠心病及不合并代謝異常的患者[12-13]。此外，流行病學(xué)研究表明，肥胖、高脂血癥、糖耐量異常、2型糖尿病和代謝綜合征患者的血清FGF21水平顯著升高[14]。Chow等[15]對(duì)670例受試者的頸動(dòng)脈內(nèi)膜中層厚度與血清FGF21的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)血清FGF21水平與頸動(dòng)脈粥樣硬化病變程度呈正相關(guān)，是動(dòng)脈粥樣硬化的獨(dú)立影響因素。

FGF21不僅可以改善高血壓、高血脂、糖尿病、糖耐量異常和肥胖，還可改善血管內(nèi)皮的功能。Lu等[10]發(fā)現(xiàn)，氧化型低密度脂蛋白(ox-LDL)以劑量依賴形式誘導(dǎo)CMEC表達(dá)FGF21；而FGF21處理組可以抑制ox-LDL誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，改善內(nèi)皮細(xì)胞功能，通過(guò)小干擾RNA抑制FGF21的表達(dá)則可誘導(dǎo)CMEC凋亡。這提示FGF21是一種心血管保護(hù)因子，可拮抗動(dòng)脈粥樣硬化內(nèi)皮功能障礙。另外，在動(dòng)脈粥樣硬化的早期階段，血清FGF21可能是內(nèi)皮細(xì)胞的代償調(diào)節(jié)機(jī)制，以恢復(fù)內(nèi)皮細(xì)胞正常功能。因此，血清FGF21可能成為早期發(fā)現(xiàn)心臟疾病的生物標(biāo)志物。

FGF21還可以通過(guò)增加肝臟內(nèi)膽固醇的輸出，發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化的作用[16]。在高脂喂養(yǎng)的載脂蛋白E基因敲除小鼠中，F(xiàn)GF21治療組血漿C反應(yīng)蛋白、腫瘤壞死因子α、總膽固醇、低密度脂蛋白的水平明顯降低，動(dòng)脈粥樣硬化病變顯著減輕[17]。另外，PPARα激動(dòng)劑通過(guò)促進(jìn)FGF21的表達(dá)，抑制單核細(xì)胞趨化蛋白-1、內(nèi)皮素、白細(xì)胞介素-6的釋放及血管細(xì)胞黏附分子-1的表達(dá),抑制核因子κB 的活性，發(fā)揮抗慢性炎癥的作用[18],從而減輕ox-LDL對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的損害。

2　FGF21與心肌缺血損傷

研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF21與心肌缺血密切相關(guān)。對(duì)經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療的急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者的術(shù)前、術(shù)后即刻、術(shù)后72 h血漿FGF21水平的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，心肌缺血損傷后患者血漿FGF21水平降低，成功開(kāi)通罪犯血管可使FGF21水平明顯升高，這說(shuō)明FGF21水平與心肌缺血損傷存在相關(guān)性[19]。 研究發(fā)現(xiàn)，在心肌缺血情況下，外源性FGF21可降低小鼠心肌梗死的發(fā)病率[20]，F(xiàn)GF21具有心肌缺血保護(hù)作用。

FGF21的心肌缺血保護(hù)機(jī)制：(1)遠(yuǎn)處器官表達(dá)和分泌的FGF21對(duì)心肌缺血的保護(hù)。當(dāng)C57BL6小鼠發(fā)生心肌梗死時(shí)，骨骼肌衍生的FGF21蛋白通過(guò)激活脂聯(lián)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，減少心肌細(xì)胞凋亡[21]。心肌缺血可誘導(dǎo)肝臟表達(dá)和分泌FGF21，并發(fā)揮缺血心肌保護(hù)作用。另外，給予外源性FGF21的FGF21-/-小鼠的心肌梗死面積小于野生型和給予PBS的FGF21-/-小鼠[21]。因此，非心源性的FGF21具有改善心肌缺血的作用。 (2)受損心肌細(xì)胞自身表達(dá)和分泌的FGF21，以自分泌或旁分泌的形式發(fā)揮心肌保護(hù)作用。心肌缺血還可誘導(dǎo)其他器官表達(dá)和分泌FGF21，發(fā)揮缺血心肌保護(hù)作用，但當(dāng)發(fā)生心肌無(wú)復(fù)流時(shí)，非心源性 FGF21不能通過(guò)有效血運(yùn)到達(dá)心肌組織，此時(shí)需心肌細(xì)胞自身分泌FGF21來(lái)發(fā)揮保護(hù)作用。在大鼠心臟離體灌注模型中，外源給予FGF21預(yù)灌注后進(jìn)行全心缺血處理，發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞內(nèi)FGF21的表達(dá)和分泌增加，而且FGF21通過(guò)激活絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK)/磷酯酰肌醇-3-激酶(PI3K)/絲、蘇氨酸激酶(Akt)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑增強(qiáng)心臟收縮功能[11]。

FGF21與FGFR1、β-Klotho結(jié)合后，使PI3K、 Akt1、Bcl-2/Bcl-xL相關(guān)的促凋亡基因(BAD)磷酸化，降低半胱天冬酶-3(caspase-3)的活性，減少細(xì)胞凋亡和心肌梗死的面積，改善心肌功能[20]。Cong等[22]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF21通過(guò)激活A(yù)kt，抑制糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)和熱休克蛋白70(HSP70)的表達(dá)，從而抑制caspase-3的表達(dá)，改善I/R損傷引起的細(xì)胞凋亡。另外Akt/GSK-3β信號(hào)通路相關(guān)蛋白磷酸化水平與FGF21呈劑量依賴性[23]。外源和內(nèi)源性FGF21可通過(guò)多種途徑保護(hù)心肌細(xì)胞免于凋亡，主要包括PI3K/Akt1/BAD和Akt/GSK-3β/caspase-3途經(jīng)，降低心肌缺血對(duì)心肌細(xì)胞的損傷，減少心肌梗死面積，增強(qiáng)左心室收縮功能。此外，F(xiàn)GF21通過(guò)上調(diào)ATP合成酶，增加對(duì)損傷心肌細(xì)胞的能量供應(yīng)；還可通過(guò)提高蛋白激酶C的水平，減輕I/R損傷相關(guān)的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[22]。FGF21與心肌缺血密切相關(guān)，但其具體作用機(jī)制尚待進(jìn)一步闡明。

3　FGF21與I/R損傷

I/R損傷涉及多種機(jī)制，其中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)近年來(lái)備受關(guān)注。大量研究表明，ERS誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡是導(dǎo)致心肌I/R損傷的重要機(jī)制之一[24-26]。心肌缺血會(huì)激活心肌細(xì)胞ERS，啟動(dòng)未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)。研究表明，UPR主要包括3條信號(hào)通路：蛋白激酶R 樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、肌醇需求激酶1(IRE1)和轉(zhuǎn)錄激活因子(ATF)6[27]。UPR是ERS最初的適應(yīng)性反應(yīng)，以維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)動(dòng)態(tài)平衡，保護(hù)細(xì)胞抵抗外界環(huán)境的干擾作用[28]。但如果ERS過(guò)多或長(zhǎng)期得不到恢復(fù)，則誘導(dǎo)多種炎癥因子的合成與釋放，啟動(dòng)炎癥反應(yīng)，激活URP凋亡通路，誘發(fā)細(xì)胞凋亡[29]。URP凋亡途徑在心力衰竭、缺血性心臟病、動(dòng)脈粥樣硬化和心肌肥大等心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展中起基礎(chǔ)性作用[24,30]。

在ERS早期，PERK/真核細(xì)胞翻譯起始因子2α(eIF2α)/ ATF4通路是UPR最先啟動(dòng)的信號(hào)通路。PERK誘導(dǎo)eIF2α磷酸化，從而上調(diào)ATF4及其靶基因的表達(dá)，減少未折疊和錯(cuò)誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的積累，減輕ERS壓力[28]。FGF21的啟動(dòng)子區(qū)含有ATF4的2個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，分別為氨基酸反應(yīng)元件(AARE)1和AARE2[31]，PERK/eIF2α/ATF4通路激活后誘導(dǎo)FGF21轉(zhuǎn)錄上調(diào)并抑制細(xì)胞凋亡[32]。此外，IRE1α/X盒結(jié)合蛋白1(XBP1)通路也可誘導(dǎo)FGF21表達(dá)增加，從而減輕ERS誘導(dǎo)的肝細(xì)胞脂肪變性，維持肝臟內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[33]。Groenendyk等[34]發(fā)現(xiàn)，能量代謝紊亂導(dǎo)致的ERS也可以誘導(dǎo)FGF21表達(dá)，并改善細(xì)胞能量代謝。如果ERS時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者超過(guò)自身可代償范圍，則激活凋亡通路而誘發(fā)細(xì)胞凋亡[28,35]。此時(shí)CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白(CHOP)成為ATF4的主要下游信號(hào)分子，而非FGF21[32,36]，因此ERS主要通過(guò)PERK/eIF2α/ATF4/CHOP誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF21可明顯降低PERK、IRE1的磷酸化水平以及ATF6的表達(dá)水平，抑制凋亡通路激活[37]。FGF21還可以通過(guò)ERK/沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1 (SIRT1)信號(hào)通路增加抗氧化基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，減輕心肌細(xì)胞的炎癥損傷[38]。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)老齡化加劇和肥胖人群日漸增多，代謝性疾病及心血管疾病劇增。FGF21具有增加胰島素敏感性，降低三酰甘油水平，改善與肥胖相關(guān)的高糖、高脂血癥等功能。目前FGF21在心血管疾病中的作用機(jī)制尚不明確，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明其在冠狀動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血及ERS反應(yīng)中均發(fā)揮重要的保護(hù)作用。因此，加強(qiáng)FGF21的保護(hù)機(jī)制研究，可為臨床治療心血管疾病提供新的思路。

[1]Uebanso T,Taketani Y,Yamamoto H,et al.Paradoxical regulation of human FGF21 by both fasting and feeding signals:is FGF21 a nutritional adaptation factor?[J].PLoS One,2011,6(8):e22976.

[2]Kharitonenkov A,Larsen P.FGF21 reloaded:challenges of a rapidly growing field[J].Trends Endocrinol Metab,2011,22(3):81-86.

[3]Zhang J,Li Y.Fibroblast growth factor 21,the endocrine FGF pathway and novel treatments for metabolic syndrome[J].Drug Discov Today,2014,19(5):579-589.

[4]Seo JA,Kim NH.Fibroblast growth factor 21:a novel metabolic regulator[J].Diabetes Metab J,2012,36(1):26-28.

[5]Ding X,Boney-Montoya J,Owen BM,et al.βKlotho is required for fibroblast growth factor 21 effects on growth and metabolism[J].Cell Metab,2012,16(3):387-393.

[6]Kuro-o M.Klotho and betaKlotho[J].Adv Exp Med Biol,2012,728:25-40.

[7]Yie J,Wang W,Deng L,et al.Understanding the physical interactions in the FGF21/FGFR/beta-Klotho complex:structural requirements and implications in FGF21 signaling[J].Chem Biol Drug Des,2012,79(4):398-410.

[8]Lundasen T,Hunt MC,Nilsson LM,et al.PPARalpha is a key regulator of hepatic FGF21[J].Biochem Biophys Res Commun,2007,360(2):437-440.

[9]Galman C,Lundasen T,Kharitonenkov A,et al.The circulating metabolic regulator FGF21 is induced by prolonged fasting and PPARalpha activation in man[J].Cell Metab,2008,8(2):169-174.

[10]Lu Y,Liu JH,Zhang LK,et al.Fibroblast growth factor 21 as a possible endogenous factor inhibits apoptosis in cardiac endothelial cells[J].Chin Med J (Engl),2010,123(23):3417-3421.

[11]Patel V,Adya R,Chen J,et al.Novel insights into the cardio-protective effects of FGF21 in lean and obese rat hearts[J].PLoS One,2014,9(2):e87102.

[12]Lin Z,Wu Z,Yin X,et al.Serum levels of FGF-21 are increased in coronary heart disease patients and are independently associated with adverse lipid profile[J].PLoS One,2010,5(12):e15534.

[13]Shen Y,Ma X,Zhou J,et al.Additive relationship between serum fibroblast growth factor 21 level and coronary artery disease[J].Cardiovasc Diabetol,2013,12:124.

[14]Lee Y,Lim S,Hong ES,et al.Serum FGF21 concentration is associated with hypertriglyceridaemia,hyperinsulinaemia and pericardial fat accumulation,independently of obesity,but not with current coronary artery status[J].Clin Endocrinol (Oxf),2014,80(1):57-64.

[15]Chow WS,Xu A,Woo YC,et al.Serum fibroblast growth factor-21 levels are associated with carotid atherosclerosis independent of established cardiovascular risk factors[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2013,33(10):2454-2459.

[16]Shang W,Yu X,Wang H,et al.Fibroblast growth factor 21 enhances cholesterol efflux in THP-1 macrophage-derived foam cells[J].Mol Med Rep,2015,11(1):503-508.

[17]Wu X,Qi YF,Chang JR,et al.Possible role of fibroblast growth factor 21 on atherosclerosis via amelioration of endoplasmic reticulum stress-mediated apoptosis in apoE(-/-)mice[J].Heart Vessels,2015,30(5):657-668.

[18]柳景華,呂昀,張立克,等.過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α誘導(dǎo)內(nèi)源性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21表達(dá)水平變化對(duì)氧化修飾的低密度脂蛋白引起的鼠內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的影響[J].中華心血管病雜志,2010,38(12):1113-1117.

[19]李巧元,柳景華,呂昀,等.急性冠脈綜合征血漿成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21變化的臨床意義[J].中國(guó)介入心臟病學(xué)雜志,2011,19(2):69-73.

[20]Liu SQ,Roberts D,Kharitonenkov A,et al.Endocrine protection of ischemic myocardium by FGF21 from the liver and adipose tissue[J].Sci Rep,2013,3:2767.

[21]Joki Y,Ohashi K,Yuasa D,et al.FGF21 attenuates pathological myocardial remodeling following myocardial infarction through the adiponectin-dependent mechanism[J].Biochem Biophys Res Commun,2015,459(1):124-130.

[22]Cong WT,Ling J,Tian HS,et al.Proteomic study on the protective mechanism of fibroblast growth factor 21 to ischemia-reperfusion injury[J].Can J Physiol Pharmacol,2013,91(11):973-984.

[23]Kim DE,Kim B,Shin HS,et al.The protective effect of hispidin against hydrogen peroxide-induced apoptosis in H9c2 cardiomyoblast cells through Akt/GSK-3 beta and ERK1/2 signaling pathway[J].Exp Cell Res,2014,327(2):264-275.

[24]Minamino T,Kitakaze M.ER stress in cardiovascular disease[J].J Mol Cell Cardiol,2010,48(6):1105-1110.

[25]Myoishi M,Hao H,Minamino T,et al.Increased endoplasmic reticulum stress in atherosclerotic plaques associated with acute coronary syndrome[J].Circulation,2007,116(11):1226-1233.

[26]Doroudgar S,Thuerauf DJ,Marcinko MC,et al.Ischemia activates the ATF6 branch of the endoplasmic reticulum stress response[J].J Biol Chem,2009,284(43):29735-29745.

[27]Davenport EL,Morgan GJ,Davies FE.Untangling the unfolded protein response[J].Cell Cycle,2008,7(7):865-869.

[28]Faitova J,Krekac D,Hrstka R,et al.Endoplasmic reticulum stress and apoptosis[J].Cell Mol Biol Lett,2006,11(4):488-505.

[29]Zhang K,Kaufman RJ.From endoplasmic-reticulum stress to the inflammatory response[J].Nature,2008,454(7203):455-462.

[30]徐磊,張雙,胡厚祥.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與心血管疾病[J].國(guó)際心血管病雜志,2013,42(5):288-284.

[31]Schaap FG,Kremer AE,Lamers WH,et al.Fibroblast growth factor 21 is induced by endoplasmic reticulum stress[J].Biochimie,2013,95(4):692-699.

[32]Wan XS,Lu XH,Xiao YC,et al.ATF4-and CHOP-dependent induction of FGF21 through endoplasmic reticulum stress[J].Biomed Res Int,2014,2014:807874.

[33]Jiang S,Yan C,Fang QC,et al.Fibroblast growth factor 21 is regulated by the IRE1 alpha-XBP1 branch of the unfolded protein response and counteracts endoplasmic reticulum stress-induced hepatic steatosis[J].J Biol Chem,2014,289(43):29751-29765.

[34]Groenendyk J,Agellon LB,Michalak M.Coping with endoplasmic reticulum stress in the cardiovascular system[J].Annu Rev Physiol,2013,75:49-67.

[35]Walter P,Ron D.The unfolded protein response:from stress pathway to homeostatic regulation[J].Science,2011,334(6059):1081-1086.

[36]Wek RC,Jiang HY,Anthony TG.Coping with stress:eIF2 kinases and translational control[J].Biochem Soc Trans,2006,34(Pt 1):7-11.

[37]Zhang C,Huang Z,Gu J,et al.Fibroblast growth factor 21 protects the heart from apoptosis in a diabetic mouse model via extracellular signal-regulated kinase 1/2-dependent signalling pathway[J].Diabetologia,2015,58(8):1937-1948.

[38]Planavila A,Redondo-Angulo I,Ribas F,et al.Fibroblast growth factor 21 protects the heart from oxidative stress[J].Cardiovasc Res,2015,106(1):19-31.

(收稿：2015-12-30修回：2016-05-31)

(本文編輯：梁英超)

山東省自然科學(xué)基金(ZR2015HM058)；煙臺(tái)市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013WS224)

264000青島大學(xué)附屬煙臺(tái)毓璜頂醫(yī)院心血管內(nèi)科(梁平平、仲琳、楊軍)；生物芯片室(龔磊)

楊軍，Email：yangjun19640124@163.com

10.3969/j.issn.1673-6583.2016.04.008