王天幕 任無競 田振軍

（陜西師范大學(xué)體育學(xué)院暨運(yùn)動生物學(xué)研究所，西安 710119）

生長分化因子5（growth/differentiation factor-5，GDF-5）是轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）家族成員之一，在骨、軟骨和肌腱生長發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵作用［1］。GDF-5在心臟、大腦、腎臟、骨骼肌和肌腱、肝臟以及脂肪等諸多器官組織中表達(dá)，具有促進(jìn)細(xì)胞增殖分化、減少氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡和組織纖維化等生物學(xué)作用［2］。代謝性疾病如心血管疾病、肌肉減少癥、代謝性骨病、代謝相關(guān)脂肪性肝?。╩etabolic associated fatty liver disease，MAFLD）、糖尿病和肥胖癥等，其發(fā)病機(jī)制主要為活性氧（reactive oxygen species，ROS）激增引發(fā)線粒體功能障礙、DNA 損傷和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)紊亂等［3-4］，最終導(dǎo)致氧化應(yīng)激和炎癥。神經(jīng)退行性疾病雖未明確歸類為代謝性疾病，但因發(fā)病機(jī)制相似，故將其歸類為神經(jīng)代謝性疾病。細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子Smad1/5/8、胞內(nèi)磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphoinositide-3-kinase，PⅠ3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）［5］和p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38-MAPK）［2］是GDF-5/骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體（bone morphogenetic proteins recptor，BMPR）的下游信號通路。本文通過梳理近年來GDF-5 及其與代謝性疾病相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)GDF-5 在各器官中發(fā)揮作用的具體機(jī)制，為認(rèn)識GDF-5 在改善代謝性疾病中發(fā)揮的作用提供新的見解。

1 生長分化因子5（GDF-5）概述

1.1 GDF-5的分子結(jié)構(gòu)

1994 年Hotten 等［6］發(fā)現(xiàn)，GDF-5 編碼基因全長488 kb，定位于20q11.2 染色體位點(diǎn)，有2 個(gè)外顯子，編碼501個(gè)氨基酸，由位于N端的信號肽和C 端的成熟肽3 部分構(gòu)成。GDF-5 前體蛋白經(jīng)過轉(zhuǎn)錄翻譯裂解為成熟肽，修飾加工后的GDF-5 蛋白含有120個(gè)氨基酸殘基，并以二聚體形式發(fā)揮生物活性［7］。GDF-5包含7個(gè)半胱氨酸氨基酸殘基，由7 個(gè)鏈間二硫鍵（S—S）維持成熟蛋白的四級結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與骨形態(tài)發(fā)生蛋白7（bone morphogenetic protein 7，BMP-7）十分相似［8］。T201P 位點(diǎn)處于GDF-5前區(qū)和成熟區(qū)連接處，該位點(diǎn)突變可能會影響GDF-5 片段的完整性。通過測定GDF-5 前區(qū)發(fā)現(xiàn)，T201P和L263P位點(diǎn)突變會導(dǎo)致GDF-5前體蛋白功能喪失，還可能導(dǎo)致患者手或足趾短小或偏斜［10］。最新研究發(fā)現(xiàn)，成熟的GDF-5 可以和成熟的BMP-2和BMP-4結(jié)合形成異源二聚體［11］。鑒于GDF-5在不同組織中發(fā)揮多樣的生物學(xué)作用，因此也被稱軟骨形態(tài)發(fā)生蛋白1 （cartilage-derived morphogenetic protein-1，CDMP-1）和BMP-14。

1.2 GDF-5的作用機(jī)制

GDF-5及其他TGF-β家族成員一般通過兩種類型受體進(jìn)入胞內(nèi)。Ⅰ型受體包括激活素樣受體激酶（activin receptor-like kinase， ALK） 1~7， 其中ALK-1/-2/-3/-6也稱作BMPR-Ⅰ，其高度保守的絲氨酸、甘氨酸結(jié)構(gòu)域是活化的起始點(diǎn)［12］；ⅠⅠ型受體包括BMPR-ⅠⅠ、激活素受體ⅠⅠ（activin a receptor type ⅠⅠ，ACTR-ⅠⅠ）［13］。GDF-5 和大多BMP 成員與BMPR-Ⅰ和BMPR-ⅠⅠ具有較高親和力［14-15］。Sieber等［16］構(gòu)建出單體GDF-5，并證明與二聚體形式的GDF-5 有相同的生物學(xué)功能，且對BMPR-Ⅰ和BMPR-ⅠⅠ都具有高度的親和性。在已知的7 種Ⅰ型受體中，BMP 受體BMPR-ⅠA（ALK-3）和BMPR-ⅠB（ALK-6）與骨骼結(jié)構(gòu)形成高度相關(guān)［17-20］。有學(xué)者認(rèn)為部分BMP 成員與BMPR-Ⅰ親和力較差，需要BMPR-ⅠⅠ激活BMPR-Ⅰ甘氨酸結(jié)構(gòu)與并使其磷酸化，受體復(fù)合物形成的異四聚體與BMPs進(jìn)入胞內(nèi)激活Smad 信號［21-22］。Smad 信號通路如Smad1/5/8和Smad2/3被認(rèn)為是TGF-β下游最常見的非依賴性通路［22］。GDF-5 與BMPR 結(jié)合后，使R-Smads 通路激活并形成Smad蛋白異源復(fù)合物［23］；與Smad4結(jié)合后，進(jìn)入細(xì)胞核與特定DNA 位點(diǎn)結(jié)合，介導(dǎo)靶基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)成骨速度，上調(diào)軟骨肥大細(xì)胞增殖水平［1］。相反，Smad7 則是BMP 下游的負(fù)調(diào)節(jié)因子，通過競爭Ⅰ型受體以阻斷Smad2/3 活化［7］。但心肌Smad7 特異性丟失會增加梗死心臟心室不良重塑，心臟代謝功能惡化，而過表達(dá)Smad7則會降低Smad2/3表達(dá)，抑制膠原沉積，減少心肌組織纖維化［24］。此外，Smad 泛素調(diào)節(jié)因子1（smad ubiquitination regulatory factor 1，Smurf1）也可降解BMPR和R-Smads［22，25］（圖1）。

1.3 GDF-5與生物學(xué)功能

GDF-5與骨和軟骨發(fā)育生長息息相關(guān)，在骨關(guān)節(jié)炎中發(fā)揮巨大的修復(fù)和保護(hù)作用［26］。GDF-5 表達(dá)水平隨早期胚胎肢體形成而發(fā)生相應(yīng)變化，在肢體軟骨前體細(xì)胞聚集區(qū)、長骨發(fā)育的軟骨核心和關(guān)節(jié)形成區(qū)表達(dá)依次升高，調(diào)節(jié)肢體骨骼發(fā)育和骨穩(wěn)態(tài)平衡［1，14］。炎癥是代謝性疾病的發(fā)病源之一，也是發(fā)病后的主要表征之一。目前認(rèn)為，代謝紊亂導(dǎo)致的炎癥是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生的主要因素［27］。文獻(xiàn)表明，GDF-5可促進(jìn)軟骨發(fā)育，且在慢性低度炎癥加劇的骨關(guān)節(jié)炎中發(fā)揮修復(fù)軟骨的作用［28］。骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生后，關(guān)節(jié)GDF-5 表達(dá)顯著下降，核因子κB （nuclear factor kappa-B，NF-κB）、白介素-6（nterleuikn-6，ⅠL-6） 和腫瘤壞死因子α （tumor necrosis factor-α，TNF-α）等炎癥因子表達(dá)顯著上升［29］。由上可知，GDF-5 可通過降低骨關(guān)節(jié)炎癥因子水平，改善骨關(guān)節(jié)炎病癥。除此以外，GDF-5可通過p38-MAPK減少心梗心臟纖維化程度［2］。當(dāng)BMPR-ⅠⅠ/p38-MAPK 被阻斷時(shí)，主動脈瓣出現(xiàn)鈣化，無法正常抑制血液回流［30］。BMPRII基因突變會導(dǎo)致遺傳性肺動脈高壓發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)增加，且該基因高甲基化也會增加發(fā)病幾率［31-32］，其具體機(jī)制與Smad1/5/8 和DNA 結(jié)合抑制因子1/3（inhibitor of DNA binding，ⅠD1/3） 無法經(jīng)過受體磷酸化有關(guān)［33］。因此，GDF-5/BMPR-ⅠⅠ是組織器官如心血管系統(tǒng)疾病關(guān)鍵的治療靶點(diǎn)。GDF-5在白色脂肪中激活p38-MAPK信號，調(diào)節(jié)白色脂肪細(xì)胞生長，調(diào)控細(xì)胞生長和能量代謝平衡［34］，或在棕色脂肪中激活PⅠ3K/Akt 平衡脂肪能量代謝［35］等。綜上，GDF-5/BMPR是調(diào)節(jié)機(jī)體代謝的關(guān)鍵信號，除激活Smads 信號通路外，還可激活p38-MAPK、PⅠ3K/Akt等信號通路作用于相應(yīng)器官組織。

2 GDF-5與代謝性疾病

2.1 代謝性疾病定義

代謝性疾病不是特指某一疾病，而是指代謝異常引發(fā)機(jī)體某一器官或多個(gè)器官功能紊亂甚至出現(xiàn)病征。常見的代謝性疾病包括心血管疾病、慢性腎病、高血壓、神經(jīng)退行性疾病、骨質(zhì)疏松、肌肉減少癥和非酒精性脂肪肝等［4］。代謝性疾病的具體發(fā)病機(jī)制尚未明確，目前認(rèn)為遺傳和表觀遺傳、機(jī)體氧化和慢性低度炎癥等是主要誘因和發(fā)展助力［36-38］。代謝性疾病的誘因如慢性低度炎癥等其機(jī)制與氧化應(yīng)激聯(lián)系緊密［37，39］。以心血管疾病為例，心臟發(fā)生病征后促使巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞分泌大量炎性細(xì)胞因子，如白介素家族，并誘導(dǎo)單核細(xì)胞吸引趨化因子在組織中引發(fā)炎癥，嚴(yán)重影響血管和心肌功能，導(dǎo)致發(fā)展成為動脈粥樣硬化或心肌梗死等心血管疾?。?0-41］。此外，線粒體出現(xiàn)功能障礙如線粒體自噬，是炎癥和代謝性疾病發(fā)生的主要誘因之一。當(dāng)線粒體損傷時(shí)，代謝器官無法正常獲得氧供給或氧運(yùn)輸，組織氧代謝平衡打破［42］。此時(shí)損傷的線粒體產(chǎn)出過量ROS且無法及時(shí)清除，引發(fā)脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)折疊錯(cuò)誤和DNA損傷等，導(dǎo)致能量代謝失調(diào)和細(xì)胞功能障礙，誘發(fā)炎癥［43-44］，而炎癥反過來加劇了氧化應(yīng)激，二者互為因果，最終致使機(jī)體代謝紊亂并誘發(fā)代謝性疾?。?5］。不僅如此，慢性低度炎癥作為人類的第一大殺手，還會導(dǎo)致諸如代謝性疾病、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病等［46-47］。代謝性疾病本身具有巨大的危害，且如肥胖癥和糖尿病等會引發(fā)心血管系統(tǒng)代謝障礙，最終誘發(fā)心血管疾?。?8］。因此，除探究如何遏制代謝性疾病發(fā)生外，尋求繼發(fā)的代謝性相關(guān)疾病的治療靶點(diǎn)至關(guān)重要。

2.2 GDF-5與心血管疾病

據(jù)《中國心血管健康與疾病報(bào)告2021》概要顯示，心血管疾病高居中國城鄉(xiāng)居民死亡原因首位［49］，開展心血管疾病的防治工作迫在眉睫。代謝性心血管疾病的發(fā)病機(jī)制包括氧化應(yīng)激、慢性炎癥等，其他器官代謝障礙也會引發(fā)代謝性心臟病如糖尿病心臟病，以上與線粒體功能障礙和葡萄糖代謝異常有關(guān)［50］。早期研究發(fā)現(xiàn)，GDF-5 在大鼠心臟中顯著表達(dá)［51］。小鼠心肌梗死后，心肌GDF-5表達(dá)水平顯著升高，敲除gdf5后顯著抑制心肌p38-MAPK 磷酸化，氧化應(yīng)激水平升高，ⅠⅠⅠ型膠原表達(dá)上調(diào)，左心室管壁血管減少，小動脈密度降低，心肌梗死瘢痕區(qū)域擴(kuò)張、纖維化水平顯著上升，心肌出現(xiàn)過度細(xì)胞凋亡，心功能嚴(yán)重受損［2］。上述研究表明GDF-5 具有護(hù)心臟保作用。該實(shí)驗(yàn)小鼠心臟敲除gdf5后，Smad1/5/8磷酸化水平顯著上升。然而有實(shí)驗(yàn)證明，內(nèi)皮細(xì)胞中的富亮氨酸α2 糖蛋白1 （leucine-rich-alpha-2-glycoprotein-1， LRG1）可介導(dǎo)Smad1/5/8 促進(jìn)心臟血管生成［52-53］。由此推測，心臟敲除gdf5后可能導(dǎo)致其他BMP 家族蛋白或抑制性Smad 如Smad7 表達(dá)失調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)，肺動脈高壓小鼠敲除BmprII后，雖然不會加重遺傳性肺動脈高壓，但心肌細(xì)胞Ca2+瞬態(tài)、肌漿網(wǎng)Ca2+負(fù)荷減少，導(dǎo)致心肌細(xì)胞收縮功能障礙，此外，Smad1/5/8的磷酸化水平也顯著降低［54］。且BmprII的丟失或突變會導(dǎo)致遺傳性肺動脈高壓發(fā)病的概率增加［32-33］。推測BMPR-ⅠⅠ在心肌細(xì)胞中主要發(fā)揮調(diào)控正常收縮的功能，并通過磷酸化Smads促進(jìn)血管生成，GDF-5 是BMPR-ⅠⅠ的重要配體，因此GDF-5在心肌細(xì)胞中的功能需要深入探討。GDF-5可促使X 連鎖凋亡抑制蛋白（X-linked inhibitor of apoptosis protein，XⅠAP）與BMPR-ⅠB 結(jié)合，阻止泛素化介導(dǎo)的XⅠAP降解，顯著降低半胱天冬酶3（Caspase-3）/多聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶（poly ADP-ribose polymerase，PARP）表達(dá)水平，抑制小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（mouse embryo fibroblast cells，MEFs）凋亡［55］，但該過程無法通過BMPR-ⅠⅠ抑制人血管平滑肌細(xì)胞（human umbilical vein smooth muscle cell，HUVSMC）凋亡。以上研究提示BMPR-ⅠⅠ在不同細(xì)胞中發(fā)揮不同作用。GDF-5/BMPR/Samd1 信號可上調(diào)ⅠD1/3，抑制p38-MAPK磷酸化，促進(jìn)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）磷酸化，降低細(xì)胞炎癥水平，緩解氧化應(yīng)激，調(diào)節(jié)HUVSMC 分化和增殖，促進(jìn)血管生成［56］。另有研究證明，BMP-4作為配體激活BMPR-ⅠⅠ/Smad1/5/ⅠD1/3 信號，減少肺動脈高壓小鼠心肌細(xì)胞功能障礙［33］。在人肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞和人微血管內(nèi)皮細(xì)胞中，GDF-5能夠通過ALK-3和BMPR-ⅠⅠ介導(dǎo)Smad1/5發(fā)揮促進(jìn)血管生成作用［57］。因此，Smad1/5/8信號在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮促進(jìn)血管生成的作用。綜上，BMPR-ⅠⅠ是心血管系統(tǒng)中重要的受體，而GDF-5 作為重要配體，與BMPR-ⅠⅠ結(jié)合后減少心臟氧化應(yīng)激、纖維化和細(xì)胞凋亡，增加血管生成，延緩代謝性心臟病進(jìn)程。GDF-5在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮保護(hù)作用的機(jī)制尚缺乏深入研究，如GDF-5 是否能調(diào)節(jié)心臟中炎癥因子水平或在心肌梗死中阻止心肌細(xì)胞凋亡等。對于未來臨床治療心肌梗死等心血管疾病方面，GDF-5有望成為新的靶標(biāo)分子（圖2）。

Fig. 2 The functional mechanism of GDF-5 in cardiovascular disease圖2 GDF-5在心血管疾病中的功能機(jī)制

2.3 GDF-5與神經(jīng)退行性疾病

GDF-5 同源家族中BMP-2、BMP-5、BMP-6和BMP-7 等成員是多巴胺能神經(jīng)元中重要的神經(jīng)營養(yǎng)因子［58］。GDF-5 作為BMP 家族的成員之一，在皮層、海馬、中腦和后腦等腦區(qū)表達(dá)，通過激活Smads1/5/8信號調(diào)節(jié)神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的生長、遷移和分化，延緩帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）和阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展進(jìn)程［59-60］。文獻(xiàn)表明，氧化應(yīng)激和炎癥等因素是引發(fā)PD 和AD 等神經(jīng)退行性疾病的主要原因，且炎癥的發(fā)生和過量的ROS會導(dǎo)致產(chǎn)生大量小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，這兩種細(xì)胞的過度活化是神經(jīng)退行性疾病的病理學(xué)標(biāo)志，并加劇疾病進(jìn)程［61-62］。皮下注射GDF-5 后，小鼠海馬神經(jīng)元損傷顯著減少，其減少細(xì)胞凋亡的作用可能是由BMPR-ⅠB介導(dǎo)［63］。在向小鼠海馬區(qū)注射GDF-5 和GDF-5 重組蛋白培養(yǎng)的神經(jīng)元細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，BMPR/ Samd1/5/8信號顯著激活，上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子HES5（hairy/enhancer of split 5），對抗ROS 爆發(fā)誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和線粒體損傷，改善神經(jīng)元細(xì)胞炎癥，增加未成熟神經(jīng)元數(shù)量并促進(jìn)海馬區(qū)錐體細(xì)胞樹突顯著生長，有效改善小鼠創(chuàng)傷性腦損傷，延緩AD 的進(jìn)程［64-65］。另有研究發(fā)現(xiàn)，GDF-5/BMPR-Ⅰ/Smad1/5/8 激活可促進(jìn)復(fù)側(cè)中腦多巴胺能神經(jīng)元突觸生長［66-67］。gdf5過表達(dá)小鼠大腦的核苷二磷酸激酶A （nucleoside diphosphate kinase 1，NDKA）和絲氨酸-蘇氨酸受體相關(guān)蛋白激酶 （serine-threonine kinase receptor-associated protein，STRAP）顯著增加，并促進(jìn)體外SH-SY5Y神經(jīng)細(xì)胞系中神經(jīng)元樹突生長［68］。綜上，GDF-5在神經(jīng)退行性疾病中主要發(fā)揮阻止氧化應(yīng)激和炎癥，激活BMPR/Smads信號促進(jìn)神經(jīng)元細(xì)胞和神經(jīng)樹突生長等作用，有效延緩AD和PD等疾病進(jìn)程。GDF-5被認(rèn)為是重要的神經(jīng)營養(yǎng)因子之一，其有效的抗炎作用能抵御或延緩神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展，但尚缺乏關(guān)于GDF-5 在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮作用過程的研究。因此探究GDF-5 在神經(jīng)退行性疾病中減少炎癥和氧化應(yīng)激的生物學(xué)機(jī)制是未來治療的重要靶點(diǎn)（圖3）。

2.4 GDF-5與代謝性骨病

Fig. 3 The functional mechanism of GDF-5 in neurodegenerative disease圖3 GDF-5在神經(jīng)退行性疾病中的功能機(jī)制

常見代謝性骨病有骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥和內(nèi)分泌骨病等，其中骨關(guān)節(jié)炎是其典型代表，不僅嚴(yán)重影響中老年人生活質(zhì)量，且通常伴有心血管疾病、糖尿病、高血壓和肥胖癥等至少一種共?。?9］。慢性低度炎癥是導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生的主要原因［70］。GDF-5與關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)高度相關(guān)，在骨骼發(fā)育后期可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖。GDF-5調(diào)節(jié)胚胎早期正常骨發(fā)育，軟骨受損可誘導(dǎo)GDF-5 表達(dá)增加，促進(jìn)自我修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)位點(diǎn)gdf5-UQCC突變導(dǎo)致會關(guān)節(jié)軟骨易感性增加，并顯著阻礙人身高增長［71-72］。另一項(xiàng)全基因組研究也證明，gdf5是骨關(guān)節(jié)炎的易感基因［73］。臨床證據(jù)顯示，人gdf5突變會導(dǎo)致軟骨發(fā)育不良［1］，小鼠gdf5缺陷出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)發(fā)育異常［74］。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由GDF-5和細(xì)胞外基質(zhì)混合制成的功能性支架嵌入關(guān)節(jié)軟骨缺陷的兔關(guān)節(jié)后，關(guān)節(jié)軟骨出現(xiàn)再生且表現(xiàn)出更強(qiáng)的軟骨細(xì)胞遷移和分化［75］。敲除小鼠BmprIb基因出現(xiàn)趾骨軟骨細(xì)胞分化缺陷、骨細(xì)胞密度降低，短指發(fā)育畸形［20］。上述研究結(jié)果表明，GDF-5與BMPR是骨生長發(fā)育中的關(guān)鍵因子，通過與BMPR-ⅠB 結(jié)合調(diào)節(jié)軟骨發(fā)育。骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制可能與激活經(jīng)典Wnt信號通路，上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶13（matrix metalloprotease 13，MMP-13）表達(dá)有關(guān)。GDF-5 通過調(diào)節(jié)Dickkopf 相關(guān)蛋白1（Dickkopf-related protein 1，DKK-1）抑制經(jīng)典Wnt信號通路，降低MMP-13表達(dá)，穩(wěn)定軟骨細(xì)胞外基質(zhì)內(nèi)環(huán)境并減少軟骨細(xì)胞凋亡［76］。然而DKK-1 也具有誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡和軟骨破壞的作用［77］。因此，DKK-1 具有兩面性，GDF-5 調(diào)節(jié)經(jīng)典Wnt 信號通路的作用仍需進(jìn)一步探索。研究發(fā)現(xiàn)，GDF-5可上調(diào)miR-17的表達(dá)，通過降低MMP-2、MMP-3和MMP-13 等因子減輕骨關(guān)節(jié)炎［78］，表明GDF-5通過降低MMPs 表達(dá)改善骨關(guān)節(jié)炎。陰陽蛋白（Yin Yang 1，YY-1）能夠調(diào)節(jié)核仁小RNA 宿主基因5（small nucleolar RNA host gene 5，SNHG5），激活miR-212-3p 并靶向GDF-5/Smads，調(diào)節(jié)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化［79］。長期以來，GDF-5被認(rèn)為是骨關(guān)節(jié)發(fā)育的重要因子，同時(shí)也是人生長發(fā)育的重要基因指標(biāo)［80］。研究表明，給予抗炎藥物地塞米松和GDF-5 有顯著的抗炎作用并誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone mesenchymal stem cells，BMSC）向軟骨細(xì)胞分化［81］。綜上，GDF-5 通過激活下游通路，減少骨關(guān)節(jié)和軟骨炎癥因子表達(dá)，預(yù)防或延緩骨關(guān)節(jié)炎等代謝性骨病發(fā)展進(jìn)程。目前GDF-5臨床治療的相關(guān)數(shù)據(jù)仍然缺乏，鑒于GDF-5在骨中發(fā)揮的重要作用，開展臨床研究具有重要意義（圖4）。

Fig. 4 The functional mechanism of GDF-5 in metabolic bone disease圖4 GDF-5在代謝性骨病中的功能機(jī)制

2.5 GDF-5與肌肉減少癥

骨骼肌作為人體最大器官之一，具有高度可塑性，在維持人體運(yùn)動和身體平衡中發(fā)揮重要作用。GDF-5 是失神經(jīng)支配肌肉的關(guān)鍵因子。研究發(fā)現(xiàn)，BMP及下游Smad1/5/8在肌肉維持、生長和運(yùn)動神經(jīng)元調(diào)控骨骼肌活動中發(fā)揮關(guān)鍵作用［82-84］。gdf5丟失小鼠骨骼肌失神經(jīng)支配后，無法正常磷酸化Smad1/5/8 和ⅠD1，骨骼肌質(zhì)量降低和橫截面積減少，肌肉萎縮加?。?2］。Dachshund 同源基因2（Dachshund family transcription factor 2，DACH2）和組蛋白脫乙酰酶9 （histone deacetylase 9，HDAC9）在失神經(jīng)支配肌肉中，通過調(diào)節(jié)gdf5表達(dá)，實(shí)現(xiàn)骨骼肌再神經(jīng)支配［85］。肌細(xì)胞生成素（myogenin）基因上游區(qū)域的Myoparr敲除后，小鼠肌肉GDF-5 表達(dá)增加，Smad1/5/8 磷酸化水平上升，失神經(jīng)支配肌肉的萎縮有所緩解［86］。綜上，DACH2、HDAC9、Myoparr可調(diào)節(jié)GDF-5的表達(dá)，提高失神經(jīng)支配肌肉疾病患者的運(yùn)動能力。在DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶3A （DNA methyltransferase 3A，DNMT3A） 缺失小鼠的肌肉衛(wèi)星細(xì)胞中，GDF-5 啟動子的DNA 甲基化水平下降，GDF-5 分泌增加，肌衛(wèi)星細(xì)胞分化受到抑制，損傷肌肉的修復(fù)再生能力減弱［87］。敲除Dnmt3a顯著增加GDF-5表達(dá)，抑制衛(wèi)星細(xì)胞分化，老齡骨骼肌再生能力下降，骨骼肌再生受損［87］。上述結(jié)果表明，GDF-5在不同肌細(xì)胞中發(fā)揮的作用存在差異。電壓門控鈣通道CaVβ1E可促進(jìn)下游GDF-5信號傳導(dǎo)，改善小鼠失神經(jīng)支配后的肌肉萎縮，而老齡小鼠肌肉CaVβ1E 量降低，過表達(dá)CaVβ1E 通過激活GDF5/Smad1/5/8信號顯著改善老齡小鼠肌肉質(zhì)量［88］，表明gdf5受DNA 甲基化和電壓門控鈣通道的調(diào)節(jié)。因此認(rèn)為，GDF-5是電壓門鈣通道離子流動的關(guān)鍵介質(zhì)，在增齡性和失神經(jīng)導(dǎo)致的肌肉減少癥中通過激活Smad 信號，減少肌肉萎縮，增加肌肉質(zhì)量（圖5）。

Fig. 5 The functional mechanism of GDF-5 in improving sarcopenia圖5 GDF-5在肌肉減少癥中的功能機(jī)制

2.6 GDF-5與代謝相關(guān)脂肪性肝病

MAFLD 發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，主要是由肝臟細(xì)胞脂肪過度堆積引起，從肝臟脂肪變性進(jìn)展為肝纖維化，具體發(fā)病機(jī)制與代謝應(yīng)激和炎癥的反復(fù)發(fā)生有關(guān)［89-90］。MAFLD 發(fā)生后，肝臟線粒體自噬嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)生過量ROS，肝臟脂肪能量代謝失衡，并進(jìn)一步促進(jìn)炎癥和纖維化發(fā)生發(fā)展［90］。研究表明，GDF-5可通過減少肝臟脂肪沉積和改善代謝，阻止MAFLD進(jìn)程［91］。棕色脂肪組織在產(chǎn)熱和調(diào)節(jié)能量平衡中起重要作用，肥胖癥發(fā)病與棕色脂肪組織失衡有關(guān)。有文獻(xiàn)報(bào)道，GDF-5/BMPR/Smad5/PGC-1α信號通路顯著上調(diào)棕色脂肪組織的解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1，UCP-1）表達(dá)，增加機(jī)體能量消耗和產(chǎn)熱能力，維持能量代謝穩(wěn)態(tài)，降低飲食誘導(dǎo)的肥胖易感性［35］。另有研究發(fā)現(xiàn)，GDF-5 通過磷酸化PⅠ3K/Akt 信號，促進(jìn)棕色脂肪生成［5］，通過加速白色脂肪細(xì)胞周期進(jìn)程并增加S期細(xì)胞數(shù)量，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化［92］。GDF-5 還可激活p38-MAPK，提高胰島素敏感性，增加白色脂肪產(chǎn)熱，提高胰島素敏感性［34］。最新研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌衍生外泌體通過miR-146a-5p靶向GDF-5/PPARγ調(diào)節(jié)脂肪組織脂質(zhì)代謝［93］。以上研究結(jié)果表明，GDF-5可調(diào)節(jié)棕色脂肪代謝和白色脂肪細(xì)胞分化和能量代謝過程。綜上，GDF-5 通過維持線粒體能量穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)脂肪生成和能量消耗，降低肝臟發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，延緩MAFLD發(fā)展進(jìn)程（圖6）。

表1總結(jié)了GDF-5在不同組織器官及疾病中的變化和作用。

Fig. 6 The functional mechanism of GDF-5 in MAFLD圖6 GDF-5在代謝相關(guān)脂肪性肝病中的功能機(jī)制

Table 1 Pathological phenotypes of different tissues and organs after GDF-5 interventing in different ways表1 GDF-5干預(yù)后不同組織器官的病理表型

3 總結(jié)與展望

GDF-5作為TGF-β家族成員之一，在骨生長發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵作用，在心臟、大腦、腎臟、骨骼肌、肝臟和脂肪等多個(gè)器官組織中表達(dá)。炎癥和氧化應(yīng)激是代謝性疾病的核心環(huán)節(jié)，導(dǎo)致各個(gè)器官代謝紊亂并向代謝性疾病發(fā)展。GDF-5 通過Smads、p38-MAPK、PⅠ3K/Akt等信號，發(fā)揮促進(jìn)細(xì)胞增殖分化、減少氧化應(yīng)激和炎癥以及細(xì)胞凋亡等生物學(xué)作用。近年來，除了對骨、關(guān)節(jié)、肌腱修復(fù)以及胚胎發(fā)育等研究外，GDF-5對其他器官組織的研究逐漸受到關(guān)注。臨床和動物研究發(fā)現(xiàn)，通過注射GDF-5 或外源性刺激GDF-5 分泌增加等手段，對機(jī)體代謝產(chǎn)生積極作用。目前針對GDF-5 作用機(jī)制僅限基礎(chǔ)研究，尚缺乏大量臨床應(yīng)用研究。本文通過梳理GDF-5 與代謝性疾病文獻(xiàn)，總結(jié)GDF-5與下游信號，為GDF-5 在代謝性疾病治療中的作用及其具體機(jī)制研究提供理論參考。GDF-5通過減少炎癥和氧化應(yīng)激改善代謝性疾病，有望成為相關(guān)疾病治療的新靶點(diǎn)，其具體機(jī)制仍然需要深入研究。