李蓮, 鄧霞, 袁國躍, 楊玲

(江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院內(nèi)分泌代謝病科,江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域包含蛋白4(fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 4, FNDC4)最初于2002年通過高通量基因組測序分析發(fā)現(xiàn),并因存在Ⅲ型纖維連接蛋白結(jié)構(gòu)域而命名為Ⅲ型重復(fù)序列蛋白1(fibronectin type Ⅲ repeat containing protein 1, FRCP1),在胚胎發(fā)育中發(fā)揮重要作用[1]。然而,直到2016年才發(fā)現(xiàn)FNDC4能夠分泌細(xì)胞外N端纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域(sFNDC4),通過影響巨噬細(xì)胞的吞噬、存活、炎癥因子分泌以及細(xì)胞極化的狀態(tài)在炎癥性腸病中發(fā)揮抗炎作用[2]。近年來sFNDC4在多種疾病中的作用逐漸被發(fā)現(xiàn),特別是在糖脂代謝疾病中的積極效應(yīng)使其成為新的治療靶點。本文就FNDC4的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、分布和其在各種疾病中的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述,旨為糖脂代謝相關(guān)代謝性疾病、炎癥性腸病以及骨質(zhì)疏松癥等多種疾病的治療提供理論依據(jù)。

1 FNDC4的結(jié)構(gòu)和分布

FNDC4的基因最初于2002年由Teufel等命名為FRCP1,以含有纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域為特征,與FRCP2即FNDC5共同被發(fā)現(xiàn)[1]。FNDC4屬于Ⅰ型跨膜蛋白,是纖維連接蛋白型結(jié)構(gòu)域蛋白家族的成員,該蛋白家族包括FNDC 1-5型 ,由信號肽、纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域、C端胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域和疏水性跨膜結(jié)構(gòu)域組成[2]。其中FNDC4和FNDC5的N端胞外纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域被水解并分泌到血液中發(fā)揮生物學(xué)功能,即sFNDC4和鳶尾素,兩者的氨基酸同源性高達(dá)57%。FNDC4在哺乳動物物種間高度保守,人和小鼠同源性高達(dá)100%。

FNDC4在肝臟和腦中高度表達(dá),在骨骼肌、心臟、肺、腎臟、睪丸、脂肪等其他組織中低表達(dá),而在巨噬細(xì)胞中幾乎不表達(dá)。肝臟FNDC4 轉(zhuǎn)錄水平的降低導(dǎo)致小鼠循環(huán)在血清中的sFNDC4水平相應(yīng)減少,表明肝臟是sFNDC4的主要來源[3]。關(guān)于sFNDC4受體的研究目前尚少,在脂肪細(xì)胞中G蛋白偶聯(lián)受體116(G protein-coupled receptor 116,GPR116)是sFNDC4的功能性受體,激活G蛋白-cAMP-PKA通路可促進(jìn)葡萄糖攝取,并參與脂代謝[3]；在牛骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中篩選出整合素β1為sFNDC4的受體,兩者相互作用促進(jìn)骨骼肌源性衛(wèi)星細(xì)胞的分化和遷移；而在小鼠成肌細(xì)胞(C2C12)中sFNDC4與低密度脂蛋白相關(guān)受體6相互作用,促進(jìn)肌源性分化和修復(fù)[4-5]；巨噬細(xì)胞中尚未明確相關(guān)受體。

2 FNDC4在多種疾病中的作用及機(jī)制

2.1 FNDC4與炎癥性腸病

炎癥性腸病以腸道免疫功能過度活躍和失調(diào)為特征,巨噬細(xì)胞在其中發(fā)揮重要作用[6]?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),FNDC4能夠調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的功能和極化狀態(tài),改善炎癥性腸病的炎癥；FNDC4在人炎癥性腸病炎癥部位表達(dá)升高,主要分布在腸上皮細(xì)胞和富集免疫細(xì)胞的淋巴組織,且與炎癥指標(biāo)呈正相關(guān)；注射重組FNDC4蛋白干預(yù)右旋糖酐硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠模型后,發(fā)現(xiàn)腸道炎癥明顯改善,其疾病活動指數(shù)評分降低,結(jié)腸長度縮短程度減少,炎癥因子表達(dá)下降,評估結(jié)腸炎嚴(yán)重程度的組織病理學(xué)評分也明顯降低,提示FNDC4可明顯改善小鼠結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度[2,7]。

Bosma等[2]進(jìn)一步研究明確,FNDC4與巨噬細(xì)胞/單核細(xì)胞強(qiáng)特異性結(jié)合,部分可以通過JNK/STAT3通路,使STAT3 DNA與細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子3(suppressors of cytokine signaling 3, Socs3)啟動子區(qū)域結(jié)合,促進(jìn)其下游靶基因Socs3表達(dá)升高,從而調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞如下功能:① 通過抑制造血細(xì)胞激酶、CD36等吞噬相關(guān)基因的表達(dá)抑制巨噬細(xì)胞的吞噬功能。② 抑制C-C配體3、C-C配體4和C-C配體10等促炎性趨化因子調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞細(xì)胞因子的分泌。③ 增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的存活。此外,FNDC4能夠調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的極化使其處于相對靜止、抗炎的狀態(tài)。巨噬細(xì)胞的表型和功能受周圍微環(huán)境的調(diào)節(jié),其表型主要分為兩種:M1型,在機(jī)體受到感染過程中被脂多糖極化后促進(jìn)炎癥,分泌IL-1β, IL-6, IL-12, IL-23 和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等促炎因子[8]；M2型,具有抗炎和免疫調(diào)節(jié)功能,參與炎癥相關(guān)損傷的修復(fù)過程,被Th2細(xì)胞因子(IL-4、IL-13)極化后分泌IL-10 和TGF-β等抗炎因子。然而,FNDC4干預(yù)脂多糖或IL-4誘導(dǎo)的M1、M2巨噬細(xì)胞后各表型的標(biāo)志物表達(dá)降低,提示FNDC4抑制巨噬細(xì)胞的功能并非是通過促進(jìn)M1向M2表型的轉(zhuǎn)化,而是在受到刺激時使巨噬細(xì)胞處于抗炎、靜止的狀態(tài),從而在炎癥性腸病中發(fā)揮抗炎作用。

2.2 FNDC4與肥胖癥

肥胖是機(jī)體能量攝入長期超過消耗量,導(dǎo)致體內(nèi)脂肪積聚過多和(或)分布不均的疾病,其營養(yǎng)攝入過多促進(jìn)脂肪細(xì)胞的脂質(zhì)合成,脂肪細(xì)胞數(shù)目增多?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)FNDC4通過直接參與脂肪細(xì)胞的脂代謝從而影響肥胖相關(guān)的病理生理狀態(tài)[3,9-10]。Frühbeck等[9]研究顯示,病態(tài)肥胖人群血清FNDC4濃度比健康人群低,而對應(yīng)的內(nèi)臟脂肪組織和皮下脂肪組織中FNDC4表達(dá)升高,且與體重、BMI和體脂等水平呈正相關(guān)。作者進(jìn)一步研究表明,FNDC4以GPR116為受體,通過下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體γ2抑制人脂肪組織來源間充質(zhì)干細(xì)胞——血管基質(zhì)部分細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞,并下調(diào)下游靶基因脂肪酸結(jié)合蛋白4和脂聯(lián)素的表達(dá)抑制脂肪生成,從而降低三酰甘油的含量,抑制細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)的累積。這些結(jié)果提示在肥胖狀態(tài)下FNDC4總體水平降低,而在內(nèi)臟脂肪組織中反應(yīng)性升高,可部分抑制脂肪過度生成,從而改善過度脂質(zhì)累積所致慢性炎癥和胰島素抵抗等病理狀態(tài)。

脂肪組織在能量平衡和穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用,白色脂肪組織主要儲存能量,在特定刺激下經(jīng)歷褐變轉(zhuǎn)化為褐色脂肪,使能量平衡從儲存轉(zhuǎn)向消耗,從而有望成為肥胖的重要治療策略[11-12]。棕色脂肪組織通過解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein 1,UCP1)介導(dǎo)的ATP合成中氧化磷酸化的解偶聯(lián)促進(jìn)能量的消耗,以線粒體中UCP1表達(dá)增加、多腔室脂滴的生成和線粒體數(shù)量的增加為特征。Frühbeck等[9]研究顯示,FNDC4干預(yù)人脂肪細(xì)胞后促進(jìn)適應(yīng)性產(chǎn)熱標(biāo)志物UCP1蛋白的表達(dá),并上調(diào)棕色和褐色脂肪細(xì)胞標(biāo)志物PR結(jié)構(gòu)域蛋白16(PR domain containing 16,PRDM16), 跨膜蛋白26(transmembrane protein 26,TMEM26), CD137和UCP1的轉(zhuǎn)錄水平；同時發(fā)現(xiàn)FNDC4干預(yù)后人脂肪細(xì)胞中線粒體DNA含量約增加2倍,提示FNDC4能促進(jìn)脂肪細(xì)胞線粒體的生成和白色脂肪細(xì)胞的褐變,從而參與機(jī)體的能量代謝。

肥胖是2型糖尿病、非酒精性脂肪肝和心血管疾病的危險因素,與全身性慢性炎癥及胰島素抵抗等病理狀態(tài)密切相關(guān)[13-14]。檢測接受減重手術(shù)的肥胖人群術(shù)前和術(shù)后6個月的血清FNDC4水平,發(fā)現(xiàn)手術(shù)前后FNDC4水平無明顯變化,但其術(shù)前水平與全身炎癥指標(biāo)C反應(yīng)蛋白呈正相關(guān),隨著肥胖相關(guān)代謝紊亂和炎癥改善,術(shù)后FNDC4水平與C反應(yīng)蛋白的相關(guān)性隨之消失,提示FNDC4可能通過抗炎作用參與肥胖相關(guān)代謝。在肥胖人群內(nèi)臟脂肪組織中FNDC4的表達(dá)與基質(zhì)血管成分細(xì)胞中的巨噬細(xì)胞泛標(biāo)志物CD68表達(dá)呈負(fù)相關(guān),進(jìn)一步提示FNDC4在肥胖人群中發(fā)揮抗炎作用[9]。由此表明,FNDC4水平與體脂、體重及全身炎癥狀態(tài)等肥胖相關(guān)因素密切相關(guān),可能成為改善肥胖相關(guān)代謝異常疾病的新的治療靶點。

2.3 FNDC4與2型糖尿病

胰島素抵抗是2型糖尿病的重要病理生理特征,其與脂毒性、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體功能障礙等密切相關(guān)。現(xiàn)有研究提示FNDC4通過改善胰島素抵抗從而參與機(jī)體的糖代謝[15-16]。健康人群接受高脂飲食后隨著胰島素抵抗系數(shù)的增加血清FNDC4水平降低；長期注射長效重組FNDC4的高脂喂養(yǎng)小鼠葡萄糖耐量明顯改善,表明FNDC4水平與胰島素抵抗密切相關(guān)[3]。Nie等[17]研究也發(fā)現(xiàn),脂肪組織選擇性敲除GPR116的小鼠更容易受到高脂飲食誘導(dǎo)的糖耐量受損和胰島素抵抗的影響,且表現(xiàn)出循環(huán)三酰甘油水平升高,肝臟和骨骼肌異位脂質(zhì)增多,炎癥因子水平的升高,提示FNDC4-GPR116軸與全身胰島素抵抗密切相關(guān)。然而Georgiadi等[3]研究發(fā)現(xiàn),高脂喂養(yǎng)小鼠長期注射FNDC4后其肝臟、肌肉、脂肪組織重量以及三酰甘油含量無明顯改變,表明代謝組織中脂質(zhì)含量的變化不能完全解釋FNDC4對葡萄糖耐量的改善。為了研究sFNDC4影響胰島素抵抗的機(jī)制,作者進(jìn)一步研究明確,sFNDC4與白色脂肪中的GPR116特異性結(jié)合,通過激活Gs-cAMP-PKA信號通路使cAMP反應(yīng)原件蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)磷酸化,促進(jìn)胰島素的信號通路活化。另外,在胰島素刺激時串聯(lián)pAKT-pAS160-GLUT4通路,促進(jìn)白色脂肪組織中的葡萄糖攝取,由此參與機(jī)體糖耐量的調(diào)節(jié)。

已知脂肪組織的胰島素抵抗與葡萄糖轉(zhuǎn)運、脂質(zhì)攝取和脂肪分解相關(guān),其中慢性炎癥與脂肪胰島素抵抗有著密切的聯(lián)系[18]。脂肪組織中活化的巨噬細(xì)胞通過趨化因子信號招募并釋放促進(jìn)脂肪分解的細(xì)胞因子,如TNF-α、IL-6等,從而導(dǎo)致脂肪組織的胰島素抵抗。注射FNDC4的高脂喂養(yǎng)小鼠血清和脂肪組織中炎癥指標(biāo)TNF-α和單核細(xì)胞趨化蛋白-1水平降低,且巨噬細(xì)胞浸潤減少[3]。Lee等[10]研究表明,棕櫚酸酯誘導(dǎo)的3T3-L1脂肪細(xì)胞胰島素抵抗模型中,sFNDC4的干預(yù)促進(jìn)腺苷酸活化蛋白激酶磷酸化,增強(qiáng)核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-E2-related factor 2, Nrf2)信號反應(yīng),使血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)表達(dá)增加,抑制核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor κB, NF-κB)核移位和核轉(zhuǎn)錄因子κB抑制蛋白(inhibitor of nuclear factor κB,IκB)磷酸化,減少炎癥因子的表達(dá)。同時,HO-1的表達(dá)升高能夠抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志物肌醇需求酶1、真核細(xì)胞翻譯起始因子2a和 CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白的表達(dá),從而改善脂肪細(xì)胞的胰島素抵抗,參與機(jī)體的糖耐量調(diào)節(jié)。然而,FNDC4是否通過改善內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激參與胰島素抵抗尚有爭議。Georgiadi等[3]的實驗得出不同的結(jié)論,FNDC4干預(yù)棕櫚酸酯誘導(dǎo)3T3-L1脂肪細(xì)胞后不影響肌醇需求酶1蛋白的磷酸化,同時FNDC4的干預(yù)對高脂喂養(yǎng)小鼠白色脂肪中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志物和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)調(diào)控因子HO-1的轉(zhuǎn)錄水平無明顯改變,提示FNDC4并不參與脂肪細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。兩種不同的結(jié)果可能與FNDC4的來源和劑量不同相關(guān)。因此,需要更多的實驗來探索FNDC4對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的效應(yīng),從而探究FNDC4是否進(jìn)一步影響凋亡、應(yīng)激細(xì)胞的轉(zhuǎn)歸等與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的病理生理過程。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),健康受試者肝臟組織中FNDC4轉(zhuǎn)錄水平與空腹血糖和口服葡萄糖耐量試驗2 h的血糖水平呈負(fù)相關(guān)；與正常糖耐量、非肥胖的健康人群相比,糖耐量受損或胰島素耐量受損的肥胖人群和合并有2型糖尿病的肥胖人群肝臟組織中FNDC4轉(zhuǎn)錄水平下降,提示FNDC4水平與糖耐量和胰島素敏感性密切相關(guān)；另外,FNDC4干預(yù)不影響胰島素的分泌[3]。然而,在肥胖人群中,血糖正常組和糖耐量異?；?型糖尿病組血清FNDC4水平無明顯差異[9]。因此,需要進(jìn)一步探索FNDC4是否直接參與糖原分解、糖異生等糖代謝,從而更深入了解FNDC4影響糖代謝的具體機(jī)制。

2.4 FNDC4與骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥以骨強(qiáng)度和骨質(zhì)量的降低為病理生理特征,造成骨脆性增加,容易發(fā)生骨折。其中,破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收和成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨生成共同維持骨穩(wěn)態(tài)[19]。破骨細(xì)胞形成的過程中巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)和核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL)發(fā)揮重要作用。M-CSF負(fù)責(zé)維持破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的增殖和存活,而RANKL通過激活其受體NF-κB受體激活劑(receptor activator for nuclear factor-κB,RANK)使破骨細(xì)胞前體分化為成熟破骨細(xì)胞。RANKL與RANK結(jié)合后,腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6被招募,進(jìn)而激活NF-κB通路,促進(jìn)IκB磷酸化、泛素化和降解,使NF-κB因子自由轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化相關(guān)基因的表達(dá)[20]。Lv等[21]研究顯示,FNDC4可延緩RANKL誘導(dǎo)的IκB降解,減少NF-κB p65的核移位,同時抑制CXCL10的生成,從而以劑量依賴的方式抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞的分化,抑制破骨細(xì)胞的骨吸收。因此,FNDC4作為破骨細(xì)胞形成的新調(diào)節(jié)因子,可能對骨質(zhì)疏松癥具有治療潛力。

肌肉和骨骼作為運動系統(tǒng)的重要組成部分,兩者的功能密切相關(guān)[22-23]。從機(jī)械角度來看,適當(dāng)?shù)臋C(jī)械刺激能夠促進(jìn)骨生成,當(dāng)肌肉質(zhì)量及功能低下時體力活動減少從而影響骨密度；從內(nèi)分泌功能角度來看,肌肉作為體內(nèi)最大的內(nèi)分泌器官能夠分泌多種細(xì)胞因子,如鳶尾素、胰島素樣生長因子-1等調(diào)控骨代謝。Li等[4]研究表明,C2C12肌細(xì)胞分化過程中FNDC4和肌細(xì)胞分化標(biāo)志物肌細(xì)胞生成素(myogenin,MYOG)逐漸升高,且FNDC4過表達(dá)后肌管融合率增加5倍,提示FNDC4促進(jìn)肌細(xì)胞的分化與生成。同時在布比卡因誘導(dǎo)的小鼠肌肉損傷模型中,隨著肌纖維的再生FNDC4和MYOG的水平逐漸增加,修復(fù)為成熟肌纖維后恢復(fù)基線水平,提示FNDC4參與肌損傷的修復(fù)過程。作者進(jìn)一步研究明確,FNDC4可通過磷酸化低密度脂蛋白相關(guān)受體6,激活經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號通路,促進(jìn)β-catenin表達(dá)和核移位,促進(jìn)肌源性分化、肌管融合,參與肌損傷的修復(fù)。另外,細(xì)胞骨架銜接蛋白黏著斑蛋白通過調(diào)節(jié)樁蛋白和黏著斑激酶的相互作用影響細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2活性,從而控制運動和存活[24]。Wang等[5]在牛骨髓間充質(zhì)細(xì)胞中的研究提示,sFNDC4與整合素β1相互作用,通過黏著斑蛋白影響?zhàn)ぶ呒っ?樁蛋白相互作用促進(jìn)細(xì)胞遷移,從而參與肌源性衛(wèi)星細(xì)胞的遷移和分化。上述研究表明,FNDC4參與骨骼肌分化、形成和損傷的修復(fù),由此為骨骼肌減少及損傷等疾病提供新的治療方向。

2.5 FNDC4與腫瘤

Wang等[25]對接受肝臟切除術(shù)的205例肝細(xì)胞癌患者進(jìn)行信息收集,包括腫瘤大小、TNM分期、分化程度、肝內(nèi)轉(zhuǎn)移、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、微血管浸潤等病理,并術(shù)后隨訪5年,記錄了患者腫瘤復(fù)發(fā)和死亡情況。腫瘤組織免疫染色評分顯示,FNDC4的高表達(dá)與組織分化程度和微血管浸潤程度呈正相關(guān),且FNDC4高表達(dá)組的術(shù)后總生存期較短、復(fù)發(fā)率高,提示高水平FNDC4與肝細(xì)胞癌的不良預(yù)后密切相關(guān)；在體外研究中,慢病毒轉(zhuǎn)染的FNDC4過表達(dá)和TGF-β1誘導(dǎo)的內(nèi)源性FNDC4增加均促進(jìn)HepG2和Huh-7等肝癌細(xì)胞的遷移和侵襲,干擾FNDC4表達(dá)可抑制其遷移和侵襲；在細(xì)胞實驗中進(jìn)一步驗證,FNDC4過表達(dá)后的肝癌細(xì)胞中p-AKT 明顯升高,提示FNDC4通過PI3K/AKT通路參與肝癌細(xì)胞的遷移和侵襲。另外,GEO數(shù)據(jù)分析顯示,人類微衛(wèi)星不穩(wěn)定結(jié)直腸癌樣本(n=34)的數(shù)據(jù)集(GDS4515)中,受累及的結(jié)腸黏膜與未受累及的結(jié)腸黏膜相比FNDC4水平明顯降低,而其受體GPR116明顯升高[7]。上述結(jié)果提示FNDC4在不同腫瘤中的表達(dá)不盡相同,需要擴(kuò)大臨床樣本提高可靠性。

3 總結(jié)

FNDC4作為一種新型肝臟因子,在調(diào)節(jié)炎癥、骨代謝、骨骼肌分化以及糖脂代謝等方面發(fā)揮積極的生物學(xué)效應(yīng),在糖脂代謝性疾病、炎癥性疾病以及骨質(zhì)疏松癥中發(fā)揮重要的功能。近年來多項研究顯示,sFNDC4在肝臟-脂肪內(nèi)分泌軸中傳遞信息,調(diào)節(jié)全身葡萄糖穩(wěn)態(tài),抑制脂質(zhì)合成,有望成為新型代謝性疾病的標(biāo)志物和治療靶點。盡管FNDC4在多種系統(tǒng)疾病中取得了一定進(jìn)展,但其具體機(jī)制尚未得到充分闡明,仍需進(jìn)一步研究和完善。