蔡明琪，陳 焱，林開斌，黃 冬

1.上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院心內(nèi)科，上海200233；2.上海市武警總隊醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，上海200050

心血管疾病是全球性的重大健康問題。據(jù)調(diào)查顯示，目前每年約有1 800 萬人死于心血管疾病，高居全球死亡原因首位［1］。隨著我國進(jìn)入老齡化社會，心血管疾病所帶來的社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)日益加重。研究者們不斷探索其機(jī)制，力求找到有效的防治手段，減緩心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展，并改善預(yù)后。

生長分化因子11 （growth differentiation factor 11，GDF11）是轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族的成員之一，廣泛分布于人體內(nèi)。從1999 年由Nakashima 等［2］發(fā)現(xiàn)至今，已有多項研究［3-6］表明GDF11 參與了胚胎期嗅神經(jīng)、骨骼、胰腺、腎臟等組織器官的發(fā)育調(diào)控。2013 年，Loffredo 等［7］通過建立不同年齡小鼠間異體共生模型，發(fā)現(xiàn)GDF11 在逆轉(zhuǎn)年齡相關(guān)性心肌肥大過程中起到關(guān)鍵作用，這一結(jié)論為探究衰老及心血管疾病帶來新的切入點。隨后，GDF11 在心血管領(lǐng)域的研究逐漸增多；但GDF11 對于心血管疾病是否有改善和保護(hù)作用，至今尚無定論。相關(guān)研究仍在繼續(xù)進(jìn)行，并逐漸建立起GDF11 與動脈粥樣硬化、缺血性心臟病、心力衰竭等常見心血管疾病之間的聯(lián)系。本文針對GDF11在心血管疾病中的作用的研究進(jìn)展做一綜述。

1 GDF11的生物學(xué)特征

1.1 GDF11的加工修飾

人類GDF11基因位于12q13.2，包含4 個外顯子和3個內(nèi)含子，其編碼的GDF11 與TGF-β 超家族的其他成員類似，加工成熟過程如下。①前體蛋白質(zhì)分子含有407個氨基酸，包括信號肽、N 端前肽和C 端成熟肽三部分。②信號肽引導(dǎo)分子至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，經(jīng)信號肽酶水解后，轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體。③分子經(jīng)furin 蛋白酶在RSRR 蛋白酶解位點進(jìn)行剪切，形成N端前肽、C端成熟肽，兩者以非共價鍵相連。④蛋白分泌至細(xì)胞外，經(jīng)BMP1/Tolloid 基質(zhì)金屬蛋白酶進(jìn)一步處理后，僅剩C 端成熟肽；其羧基端由7個高度保守的半胱氨酸組成，其中第73 位半胱氨酸殘基可形成分子間二硫鍵，連接2個單體構(gòu)成同源二聚體［8-9］，成為GDF11 的成熟形式。GDF11 在各物種間具有高度保守性，其中人、小鼠GDF11 的氨基酸序列相似度高達(dá)99.5%，研究中常用小鼠作為實驗對象。生長因子相關(guān)蛋白WFIKKN1、 WFIKKN2 及卵泡抑制素（follistain，F(xiàn)ST）能夠抑制GDF11 的成熟［10］，可用于阻斷GDF11 的效應(yīng)。

1.2 GDF11的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

GDF11 在細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與TGF-β 超家族其他的蛋白質(zhì)作用途徑類似，最常見的是Smad 途徑。細(xì)胞膜表面存在Ⅰ型、Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸受體，GDF11 先與Ⅱ型受體（ActRⅡA、ActRⅡB）結(jié)合，激活其磷酸化酶活性，使Ⅱ型受體與二聚化的Ⅰ型受體（ALK4、ALK5、ALK7）交聯(lián)，并磷酸化Ⅰ型受體細(xì)胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域。隨后，Ⅰ型受體磷酸化Smad2、Smad3，磷酸化的Smad2/3募集Smad4，三者共同定位于細(xì)胞核，通過結(jié)合DNA 上的結(jié)合原件，或與轉(zhuǎn)錄因子相互作用，調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄［11］。

研究［12］表明，GDF11作為ActRⅡ的配體，通過蛋白酶體途徑參與心臟衰老和心力衰竭。同時，GDF11可通過經(jīng)典的Smad 途徑，抑制非經(jīng)典TGF-β 途徑中ERK、JNK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［13］；除Smad2/3 以外，還可激活Smad1/5/8［14］。不同類型Smad 在心血管疾病中介導(dǎo)著復(fù)雜的功能，與心臟發(fā)育、抗心肌肥大等重要病理生理過程相關(guān)［15］；成纖維細(xì)胞中Smad3 的特異性失活，可顯著降低壓力超負(fù)荷引起的心臟纖維化［16］。因此，GDF11 可能是通過激活不同類型Smad 信號分子，在心血管疾病中發(fā)揮復(fù)雜的調(diào)節(jié)作用。在非Smad 途徑中，MAP 信號通路（P38、ERK 和JNK）、Rho 樣GTPase 途徑和PIK3/AKT 通路均能參與GDF11的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)而發(fā)揮作用［8］。

1.3 GDF11與GDF8的關(guān)系

GDF11 與生長分化因子8 （growth differentiation factor 8，GDF8）（又稱肌肉生長抑素）具有高度同源性，兩者同屬于TGF-β 家族的激活素亞群，結(jié)構(gòu)相似度高達(dá)90%，但功能不盡相同。GDF8通常被認(rèn)為是肌肉、骨骼生長和分化的負(fù)調(diào)節(jié)劑，在基因工程模型中同樣對心臟有調(diào)節(jié)作用。成年小鼠心肌特異性缺失GDF8，可促進(jìn)AMP 激酶激活，參與心肌肥大和心力衰竭；并且，在冠狀動脈缺血后短時間內(nèi)，可檢測到GDF8 迅速上升［17］。以往實驗中，可能存在混淆GDF8 和GDF11 效應(yīng)的現(xiàn)象；因此，在研究中能否準(zhǔn)確辨別GDF8和GDF11，是得出可信結(jié)論的關(guān)鍵。相關(guān)研究［18］比較了兩者的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)GDF11 是SMAD2/3 更有效的激活劑，對Ⅰ型受體ALK4/5/7 效應(yīng)更強(qiáng)，這可能是兩者生物效應(yīng)存在部分差異的原因。

2 GDF11與心血管系統(tǒng)的關(guān)系

GDF11 通過多種途徑參與心血管系統(tǒng)的病理生理過程。其在心血管領(lǐng)域的研究，最初集中于表達(dá)水平隨年齡的變化趨勢、對心肌肥大的作用等。近年來，研究者們從發(fā)病機(jī)制入手，深入探討GDF11 與常見心血管疾病之間的聯(lián)系，如動脈粥樣硬化、心肌缺血、心力衰竭等，相關(guān)研究方法不斷改進(jìn)；但GDF11 在心血管疾病中的作用機(jī)制和具體影響尚不明確，仍存在諸多爭議。

2.1 GDF11水平與增齡的關(guān)系

心血管疾病是中老年人最常見的疾病。調(diào)查［19］顯示，心血管疾病在60～79 歲的人群中發(fā)生率高達(dá)70%，而在＞80歲人群中上升至80%。這意味著衰老是促使心血管疾病發(fā)生的一大因素。Loffredo 等［7］利用小鼠異時異體共生模型，發(fā)現(xiàn)年輕小鼠的血液可以逆轉(zhuǎn)老年小鼠的心臟肥大，經(jīng)蛋白組學(xué)分析和篩選后，確定GDF11 是其中重要的循環(huán)因子。GDF11 水平隨年齡增長而降低，提高其水平可改善年齡相關(guān)性心臟肥大，逆轉(zhuǎn)部分衰老表型。自此，GDF11 成為抗衰老的“明星分子”，為治療年齡相關(guān)心血管疾病打開了潛在突破口。

隨著研究不斷推進(jìn)，GDF11 水平隨年齡增長而變化的趨勢在其他研究中得到了不同結(jié)論，其主要原因是針對GDF11 的檢測方法得到改進(jìn)。Egerman 等［20］在重復(fù)實驗時，發(fā)現(xiàn)之前研究中的試劑無法特異性區(qū)分結(jié)構(gòu)相似的GDF8 與GDF11，于是改用蛋白質(zhì)印跡來確定GDF11的相對豐度；盡管GDF11單體水平隨年齡的增長而降低，但活性二聚體（相對分子質(zhì)量為25 000）水平顯著升高，說明GDF11含量隨年齡增長而呈現(xiàn)增大趨勢。而Poggioli等［21］解釋該實驗中增長條帶可歸因于GDF11抗體與免疫球蛋白的交叉反應(yīng)，不能認(rèn)為是活性二聚體的增加。隨著實驗技術(shù)的改進(jìn)，Schafer 等［22］將免疫層析液相色譜-質(zhì)譜分析（immunoplexed liquid chromatography mass spectrometric assessment，LC-MS/MS） 用于精確定量GDF11 及GDF8，并顯示GDF11 的循環(huán)濃度在衰老過程中無明顯變化；之前報道的變化趨勢，可能是GDF8改變引起的。在一項開展于美國和歐洲的臨床隊列研究中，研究者證實，GDF11/8 總體水平隨人類年齡增長而降低，并且在白種人中，基線GDF11/8 含量更低［23］。Zhou等［24］首次在魚類體內(nèi)增加GDF11含量，發(fā)現(xiàn)可延遲年齡相關(guān)生物標(biāo)志物的出現(xiàn)，延長魚類壽命，提高其抗衰老能力。

目前，已有研究［25-27］表明，在骨骼肌、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等領(lǐng)域，GDF11 的增加可以逆轉(zhuǎn)年齡相關(guān)性骨骼肌功能下降，促進(jìn)海馬神經(jīng)元再生和脈管系統(tǒng)重建，改善胰島β 細(xì)胞功能，維持糖代謝平衡等。這意味著GDF11 與衰老密切相關(guān)。心臟和血管功能下降是衰老的重要特征之一，也是心血管疾病發(fā)生率升高的主要原因。研究GDF11 表達(dá)水平與增齡的關(guān)系，有望使其成為心血管疾病的預(yù)測因子，為逆轉(zhuǎn)衰老、治療年齡相關(guān)性心血管疾病提供方向。

2.2 GDF11與心肌肥大的關(guān)系

隨著年齡增長，心臟舒張功能逐漸減退，心肌肥大成為年齡相關(guān)舒張性心力衰竭的突出病理特征［28］。在小鼠模型中，GDF11 被認(rèn)為可以逆轉(zhuǎn)年齡相關(guān)性心肌肥大，減小心肌細(xì)胞橫截面積，劑量依賴性降低心臟重量/脛骨長度比值，改善心臟功能［7，21］。與此同時，有實驗證明，給小鼠體內(nèi)注射0.1 mg/kg 的重組GDF11，一段時間后，其心臟重量/體重比值以及心肌細(xì)胞橫截面積與對照組無顯著差異；體外實驗中，GDF11 對苯腎上腺素誘導(dǎo)的新生大鼠心室肌細(xì)胞無抗肥大作用［29］。據(jù)此，有研究者提出不存在年齡相關(guān)性病理性心肌肥大，心臟重量的增加可能是體質(zhì)量上升引起的同步增長，反駁了GDF11 可逆轉(zhuǎn)心肌肥大的結(jié)論。另外，Zimmers 等［30］向小鼠注射選擇性高表達(dá)GDF11 的CHO 細(xì)胞，使體內(nèi)持續(xù)生成GDF11，結(jié)果顯示小鼠心臟重量和心肌細(xì)胞體積均減小，表現(xiàn)類似惡病質(zhì)；檢測其基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)泛素蛋白連接酶基因、凋亡和自噬相關(guān)的Bnip3基因表達(dá)上升，而增殖相關(guān)的Mki67基因表達(dá)下降。研究者提出，GDF11逆轉(zhuǎn)心肌肥厚，可能不代表其向正常心臟表型轉(zhuǎn)變，而是引起了心臟萎縮。面對分歧，Harper 等［31］意識到可能是實驗中GDF11 的劑量不同引起的差異，并以0.5、1.0、5.0 mg/kg 的重組GDF11 分別處理心肌肥大的小鼠。結(jié)果表明，GDF11 可以劑量依賴性減輕病理性心肌肥大，改善壓力超負(fù)荷時的心臟泵功能；但高劑量（5.0 mg/kg）GDF11組小鼠出現(xiàn)嚴(yán)重的惡病質(zhì)和死亡，這與GDF8在肌肉中的作用類似。

GDF11 改善心肌肥大的具體機(jī)制，目前仍在探究中。有研究以血管緊張素Ⅱ為誘導(dǎo)劑，采用3′-UTR 熒光素酶報告基因檢測GDF11 與CCL11 表達(dá)之間的關(guān)系，結(jié)果顯示GDF11 可能是通過下調(diào)CCL11，降低心肌細(xì)胞肥大標(biāo)志物心房利鈉肽（atrial natriuretic peptide，ANP）、B 型腦鈉肽（B-type natriuretic peptide，BNP）、心肌球蛋白重鏈（β-myosinheavy chain，β-MHC）的表達(dá)，以減輕肥厚型心肌病的表型［32］。同時，Duran 等［33］發(fā)現(xiàn)，GDF11可誘導(dǎo)新生大鼠心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加，濃度依賴性提高Smad2/3的磷酸化水平和熒光素酶活性，起到抗心肌肥大作用。據(jù)報道［34］，GDF11 還可維持肌漿網(wǎng)和線粒體之間的Ca2+轉(zhuǎn)移，促進(jìn)2 個細(xì)胞器間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，以預(yù)防去甲腎上腺素的促心肌肥大作用。為了探究GDF11 對心臟的特殊作用，Garbern等［35］使用具有Gdf11的loxP側(cè)翼等位基因和Myh6驅(qū)動的Cre 重組酶表達(dá)的年輕小鼠，引起Gdf11基因的靶向缺失，結(jié)果導(dǎo)致小鼠左心室擴(kuò)張，而無肥大表現(xiàn)，提示了擴(kuò)張型心肌病的可能病因，擴(kuò)大了GDF11 在心肌病中的研究范圍，其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

2.3 GDF11與缺血性心臟病的關(guān)系

缺血性心臟病是臨床上最常見的心血管疾病，主要由冠狀動脈粥樣硬化引起；血管阻塞嚴(yán)重時，可引發(fā)心肌梗死、心肌缺血再灌注（ischemia-reperfusion，I-R）損傷等，晚期可引起心力衰竭，造成不可逆的心臟功能減退。近年來，研究者們開始探究GDF11 對缺血性心臟病是否具有保護(hù)作用，試圖尋找預(yù)防和治療的新靶點。在兩大洲2 個獨(dú)立隊列的臨床研究中，Olson 等［23］納入了1 899 例穩(wěn)定型冠狀動脈粥樣硬化性心臟病受試者，發(fā)現(xiàn)循環(huán)GDF11/8 水平較高的人群，發(fā)生心力衰竭、心肌梗死和全因死亡的風(fēng)險顯著降低，說明GDF11/8 可能在減少心血管不良事件、缺血性心臟病中起到積極作用。

缺血性心臟病的主要病因是冠狀動脈粥樣硬化，其發(fā)病機(jī)制主要有脂源性學(xué)說、炎癥免疫學(xué)說等。內(nèi)皮細(xì)胞的損傷是起始階段，脂質(zhì)積累和炎癥反應(yīng)是重要環(huán)節(jié)，不穩(wěn)定的動脈粥樣硬化斑塊破裂和血栓形成是急性心血管事件的主要病理原因。Mei 等［36］發(fā)現(xiàn)，通過尾靜脈注射腺病毒，以介導(dǎo)Gdf11基因的轉(zhuǎn)染（AAV-GDF11），能夠改善載脂蛋白E 缺失（apoE-/-）小鼠的內(nèi)皮功能障礙，降低白介素-6、腫瘤壞死因子-α 等炎癥因子水平，并顯著減少斑塊中炎癥細(xì)胞的浸潤，減小動脈粥樣硬化斑塊面積，穩(wěn)定斑塊；此過程中可能涉及多種分子機(jī)制，包括TGF-β 經(jīng)典的Smad2/3 途徑和非經(jīng)典途徑激活、AMPK/eNOS通路的激活和炎癥途徑的抑制。據(jù)報道，端粒酶反轉(zhuǎn)錄酶的過表達(dá)，可以激活Smad2/3、eNOS 信號通路，從而觸發(fā)GDF11 介導(dǎo)的內(nèi)皮祖細(xì)胞（VEGFR2＋/CD133＋細(xì)胞）的增生和活化，改善血管功能，促進(jìn)新生血管形成［37］。由此表明，GDF11 可參與氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，改善內(nèi)皮細(xì)胞功能，促進(jìn)血管增生，從而對缺血性心臟病發(fā)揮有益作用。

缺血性心臟病可伴有I-R 損傷，其主要表現(xiàn)為，在心肌缺血基礎(chǔ)上恢復(fù)血液供應(yīng)后，組織損傷加重，引起心肌細(xì)胞凋亡和壞死，臨床上可出現(xiàn)心肌頓抑、心功能不全、惡性心律失常等。鈣超載、氧自由基爆發(fā)、線粒體功能障礙可能是其主要發(fā)生機(jī)制。Du 等［38］發(fā)現(xiàn)，對小鼠心臟進(jìn)行Gdf11基因的非侵入性靶向遞送，可使衰老心臟恢復(fù)活力，減小心肌梗死面積；同時保護(hù)其免受I-R 損傷。同樣，用GDF11 對STZ 誘導(dǎo)的1 型糖尿病大鼠進(jìn)行預(yù)處理，可減輕心肌I-R 損傷，顯著改善心臟功能，并減少缺血后心肌梗死的面積，該過程可能與抗氧化應(yīng)激和自噬水平上調(diào)有關(guān)［39］。Su 等［13］進(jìn)一步研究其機(jī)制，發(fā)現(xiàn)用重組GDF11進(jìn)行預(yù)處理，可通過增強(qiáng)血紅素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）的表達(dá)，抑制再灌注后炎癥反應(yīng)通路，降低凋亡和自噬通路中的分子表達(dá)，從而減小心肌梗死面積，對急性心肌I-R損傷具有保護(hù)作用。

綜上所述，GDF11 可減少并穩(wěn)定動脈粥樣硬化斑塊，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖活化，誘導(dǎo)血管再生等，保護(hù)心臟缺血部位，改善預(yù)后。對于I-R 損傷，GDF11可通過抑制炎癥反應(yīng)，對抗氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡，以緩解組織損傷。GDF11 在缺血性心臟病中所涉及的通路以及具體作用機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

3 GDF11研究進(jìn)展與分歧

目前，GDF11 在心血管領(lǐng)域的研究不斷進(jìn)行，但仍存在諸多分歧，主要集中于以下幾點。

第一，GDF11 表達(dá)水平和蛋白豐度隨年齡增長的變化趨勢尚不明確。其原因可能是各個實驗所采用的檢測方法、試劑來源等不同，導(dǎo)致GDF11 檢測的敏感度和精確度不一致。由于GDF11 在體內(nèi)含量不高，與GDF8 結(jié)構(gòu)類似，精確檢測存在一定難度?，F(xiàn)有蛋白質(zhì)印跡［20］、酶聯(lián)免疫吸附試驗［21］、LC-MS/MS［22］等檢測方法，未來研究可在此基礎(chǔ)上，借助更先進(jìn)的檢測技術(shù)，明確GDF11 與增齡的相關(guān)性，深入研究GDF11 在衰老相關(guān)疾病中的作用。

第二，GDF11 是否能逆轉(zhuǎn)心肌肥大，尚不明確。目前GDF11 與心肌肥大的研究較為成熟，外源性增加不同劑量的GDF11，引起不同的實驗效應(yīng)。適量的GDF11 可逆轉(zhuǎn)心肌肥大表型、改善心臟功能［7，21，31］，可能與Smad2/3 磷酸化［33］或CCL11 表達(dá)下降相關(guān)［32］；但過量GDF11又引起與GDF8類似的效應(yīng)，引發(fā)凋亡和自噬相關(guān)基因表達(dá)上升，造成心臟萎縮，表現(xiàn)為惡病質(zhì)，甚至死亡［30-31］。GDF11 產(chǎn)生劑量依賴性效應(yīng)的機(jī)制尚不明確，其引發(fā)的全身反應(yīng)和遠(yuǎn)期效應(yīng)未能得以觀察。

第三，GDF11 在心血管疾病炎癥過程中的作用不明確。有研究表明，GDF11 可以降低血管內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，穩(wěn)定冠狀動脈粥樣硬化斑塊［36］；心肌I-R 損傷中，用重組GDF11進(jìn)行預(yù)處理，可通過增強(qiáng)HO-1的表達(dá)，抑制再灌注后炎癥反應(yīng)通路，減輕氧化應(yīng)激［13］；然而在異丙腎上腺素誘導(dǎo)的大鼠心力衰竭模型中，GDF11 可作為促炎癥因子，通過上調(diào)Nox4加重氧化應(yīng)激損傷［40］。由此可知，GDF11 參與炎癥反應(yīng)過程，對心血管疾病發(fā)生、發(fā)展的影響具有雙面性。

在研究GDF11 與心血管疾病關(guān)系的進(jìn)程中，不同的研究方法和實驗技術(shù)得以應(yīng)用。通過基因工程建立的特異表達(dá)GDF11 的CHO 細(xì)胞［30］和AAV-GDF11［36］，可實現(xiàn)小鼠體內(nèi)GDF11 的持續(xù)性表達(dá)；使用Cre 重組酶引起小鼠體內(nèi)Gdf11基因的靶向缺失，以探究GDF11 的生理作用［35］；其他還包括利用超聲靶向微泡破壞技術(shù)和陽離子微泡非侵入性向心臟靶向遞送Gdf11基因［38］，以及使用LC-MS/MS 技術(shù)測定GDF11 的體內(nèi)濃度［22］等。在研究過程中不斷改進(jìn)實驗技術(shù)，完善研究方法，更有利于解決關(guān)于GDF11作用機(jī)制的分歧，開展深層次研究。

4 總結(jié)與展望

更多的研究者認(rèn)為，GDF11 對心血管系統(tǒng)有積極的保護(hù)作用。隨著實驗方法和技術(shù)的不斷改進(jìn)，未來研究有望明確其逆轉(zhuǎn)心肌肥大和改善心臟功能的機(jī)制，指導(dǎo)缺血性心臟病的預(yù)防、緩解和預(yù)后。GDF11 還可與其他心血管疾病建立聯(lián)系，如擴(kuò)張性心肌病、心力衰竭、肺動脈高壓等。除此以外，目前該分子的研究還涉及神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼肌肉、腫瘤免疫等其他方面，研究者試圖驗證GDF11 是否能改善神經(jīng)退行性疾?。?1］，促進(jìn)骨骼肌的再生［30］，探究其在腫瘤疾病中的生物學(xué)特性及其影響等［42］。尤其是GDF11 與衰老進(jìn)程中諸多疾病存在聯(lián)系，提示該分子在衰老領(lǐng)域具有研究價值。通過對GDF11 的研究，明確其生理意義和作用機(jī)制，有望為衰老和心血管領(lǐng)域的研究提供新的切入點，為疾病治療提供新的靶點。

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